BE711537A

BE711537A -

Info

Publication number: BE711537A
Authority: BE
Priority date: 1968-03-01
Filing date: 1968-03-01
Publication date: 1968-09-02

Description

Transmetteur de force à semi-conducteur.

La présente invention est relative aux transmetteurs ou transducteurs de pression qui utilisent les propriétés connues de semi-conducteurs, en vertu desquelles certaines caractéristiques électriques varient avec l'effort imposé.

La présente invention se rapporte plus particulière- ment aux transmetteurs de pression à semi-conducteurs, qui comprennent une enceinte hermétique vis-à-vis de fluides, qui présente une portion de paroi sollicitée à la suite d'une différence de pression entre l'intérieur et l'exté- rieur de l'enceinte. La variation qui en résulte dans la caractéristique électrique considérée de cette portion de paroi peut être détectée d'une manière courante.

Les transducteurs à pression de ce type connus à ce jour sont sujets à des facteurs restrictifs importants en ce qui concerne la sensibilité, les limites de fonctionne- ment et la fiabilité. Ces facteurs restrictifs sont dus

pour une grande part aux différences entre les coefficients de dilatation thermique respectifs de l'élément semi-con- ducteur tensiosensible et les portions qui lui sont voisi- nes de l'appareil auquel il est réuni rigidement ou dont il est solidarisé mécaniquement d'une autre manière.

On a déjà proposé d'établir l'ensemble de l'élément sollicité par la contrainte, par exemple un barreau ou un diaphragme, en une matière semi-conductrice mécaniquement homogène. Les variations de résistance de l'ensemble du corps d'un tel élément peuvent être détectées de la maniè- re décrite, par exemple, dans le brevet délivré aux Etats- -Unis d'Amérique le 26 février 1963 à R. R. Kooiman sous le No 3.079.576. Ou bien les variations de résistance d'u- ne mince couche superficielle d'un tel élément peuvent être détectées de la manière décrite, par exemple, dans le bre- vet délivré aux Etats-Unis d'Amérique le 14 août 1962 à William V.

Wright, Jr., sous le No 3.049.685. Toutefois, on est encore toujours obligé de monter l'élément sollici- té dans une armature de support par l'entremise de laquel- le la contrainte est appliquée à cetélément. De plus, dans le cas d'un transducteur ou transmetteur de pression, on doit établir un joint hermétique entre l'élément sollicité et la monture de support, afin que la pression du fluide puisse exercer un effort d'une façon différentielle sur des portions de surface opposées de l'élément.

De tels joints comportent parfois l'emploi de matè- res adhésives, telles que des résines, pour réunir l'élé- ment capteur à la monture de support. Toutefois, il n'a pas été possible d'éviter les effets de vieillissement et d'hystérésis sur la sortie du transducteur. Si on serre

les pièces les unes contre les autres, l'élément capteur est soumis à des tensions qui varient avec la température et produisent des constituants de signaux incorrects qu'il est difficile, voire impossible, de compenser d'une maniè- re satisfaisante. D'autre part, l'emploi de garnitures son- plea, telles que des joncs d'étanchéité, ne peut pas assu- rer le joint hermétique qui est parfois requi entre les deux faces de l'élément capteur.

Pour être complet, on peut remarquer que les transmetteurs de pression, dans les- quels l'élément capteur de contraintes est saumia unique- ment à une compression hydrostatique uniforme sur toutes les surfaces peuvent être établis sans un joint étanche quelconque entre le capteur et un autre élément. Toutefois, les transmetteurs de ce type offrent d'autres difficultés, dont les détails n'ont pas de rapport avec la présente invention.

Les transmetteurs suivant la présente invention se distinguent en ce qu'ils sont entièrement exempts de l'hys- térésis et des effets de vieillissement des types décrits ci-dessus. Ce résultat est atteint en établissant une en- ceinte à pression en substance sous la forme d'un* atruc- ture monolithe en une matière semi-conductrice mécanique- ment homogène. Les caractéristiques de dilatation thermi- que de l'enceinte sont dans ce cas uniformes dans toute la structure et la région tensiosensible de la paroi de l'en- ceinte n'est pas soumise à des contraintes mécaniques due. aux variations de température dans 1'ensemble de la struc- ture.

Dans une forme de réalisation particulièrement favora- ble de l'invention, la chambre limitée par l'enceinte no-

nolithe décrite ci-dessus est mise sous vide pendant la construction du dispositif. La pression interne est alors effectivement égale à zéro, ce qui fournit une valeur de référence qui est maintenue d'une manière permanente et indépendamment des variations de température. La pression à mesurer est dans ce cas appliquée à la surface extérieu- re de l'enceinte, par exemple en montant l'ensemble de l'enceinte dans un vase sous pression.

Ce montage peut être établi de la manière courante, de façon à éviter que des efforts locaux importants s'exercent sur l'enceinte; d'autre part, les forces qui s'exercent dans ce sens peu- vent être aisément limitées aux parties de l'enceinte dis- tantes de la partie tensiosensible.

Dans un procédé, pris à titre indicatif, pour fabri- quer un transmetteur du type décrit, on construit d'abord l'élément tensiosensible proprement dit, sensiblement de la façon courante, en le munissant de bornes électriques permettant d'obtenir un signal en réponse à la mise sous contrainte de l'élément. En fait, cet élément est essen- tiellement un monocristal sous la forme d'un diaphragme circulaire plat, sur lequel on a diffusé une couche super- ficielle qui est en contact direct avec les bornes, mais est isolée du corps du diaphragme par une jonction redres- seuse. Après achèvement et essai du capteur proprement dit, on réunit à celui-ci les éléments de monture de l'en- ceinte à pression, soit en une seule opération, soit en une série d'opérations d'assemblage successives.

On éta- ' blit séparément un ou plusieurs éléments de monture en ma- tière semi-conductrice, qui possède des propriétés physi- ques très semblables à celles de la matière constitutive

du capteur proprement dit et qui, en fait, sont sensible- , ment identiques à celles de cette dernière. Les éléments à réunir sont assemblés dans les positions relatives dési- rées, mais sont séparés par une mince couche d'un métal approprié, en particulier, une feuille d'aluminium ou d'ar- gent, par exemple, métal dans lequel la matière semi-con- ductrice est soluble à une température élevée, supérieure à une valeur critique, mais inférieure à sa propre tempé- rature de fusion.

On chauffe ensuite le tout de telle ma- nière qu'au moins la région voisine de la couche métalli- que soit à une température supérieure à la température cri- ; tique, de sorte que l'on obtient une solution liquide de métal et de semi-conducteur, tandis qu'un gradient thermi- que est maintenu dans cette couche de solution. La direc- tion de ce gradient est de préférence telle que le capteur proprement dit est plus froid que l'élément auquel il est réuni. Le gradient thermique fait alors en sorte que la mince couche de solution émigre du capteur vers l'élément qui lui est contigu, la matière semi-conductrice se dissol- vant à partir de cet élément, dans la ablution, et cristal- lisant sur le capteur.

Cette migration se poursuit de fa- çon caractérisée jusqu'à ce que la couche de métal émerge à la surface de l'élément de monture. On peut ensuite en- lever le métal de cette sarface par décapage, ou bien, ce métal peut servir pour joindre un autre élément de monture à cette surface.

Un avantage de cette technique pour le but poursuivi par la présente invention consiste en ce que le semi-con- ducteur déposé à la suite de la couche de solution migra- toire est en fait cristallin et présente la même orienta-

tion cristalline que le capteur proprement dit qui lui est contigu, formant ainsi un prolongement intégré du mo- nocristal original du capteur. L'homogénéité de'la struc- ture monolithe résultante s'étend ainsi en fait à lbrien- tation du cristal, ainsi qu'à l'uniformité virtuelle de la composition.

Le principe général de ce procédé d'assemblage de piè- ces de matière semi-conductrice.a été décrit par W.G. Phann dans la revue Journal of Metale, vol. 7, pages 961-4, de septembre 1955. L'auteur désigne'ce procédé par l'expres- sion "fusion de zone à gradient de température" et suggère son emploi pour l'assemblage de dispositifs à semi-conduc- teurs tels que diodes et transistors. La présente inven- tion applique la fusion de zone à gradient de température à la construction d'une chambre à pression monolithe, com- prenant un capteur de contraintes, qui en fait partie in- tégrante.

L'invention et ses autres objectifs et avantages se- ront parfaitement compris à la lecture de la description qui suit de certains modes d'exécution pris à titre d'exem- ples, suivant lesquels l'invention peut être réalisée.

Les détails de cette description et des dessins qui en font partie ne sont donnés qu'à titre indicatif, mais non pour limiter la portée de l'invention, laquelle est défi- nie dans la présente..

Dans ces dessins :
La fig. 1 est une vue schématique perspective montrant un diaphragme piézosensible donné à titre indicatif, pourvu d'un système capteur tensiosensible.

La fig. 2 est une vue perspective schématique, en par-

tie brisée, qui représente un procédé d'assemblage conter- me à la présente invention.

La fig. 3 est une vue perspective schématique analogue, qui représente le produit obtenu par le procédé de la fig. 2.

La fig. 4 est une vue schématique partielle analogue à la fig. 2 et représentant un autre procédé d'assemblage.

La fig. 5 est une vue perspective schématique montrant un transducteur ou transmetteur de pression suivant l'in- vention.

La fig. 1 représente d'une manière schématique un élé- ment piézosensible dans lequel la caractéristique électri- que choisie en vue de détecter'la pression est la piézo- résistance. Le disque 10 de matière semi-conductrice est convenablement dopé en vue d'assurer un type de conducti- vité choisi. Le disque 10 est de préférence un monocris- tal, les axes cristallins étant orientés de telle manière que le coefficient de piézorésistance longitudinal de la matière est maximal dans une direction donnée 13, parallè- le au plan du disque.

L'épaisseur du disque 10 est faible comparativement à son diamètre, soit, normalement, de l'or- dre d'un dizième ou moins, ce disque formant un diaphragme sensible aux différences de pression sur ses deux faces.

Une zone ou couche façonnée choisie 12 de la surface du disque 10 est traitée d'une manière connue, en vue de pro- duire une mince couche superficielle d'un type de conducti- vité opposé, séparée du corps du disque par une jonction redresseuse. La couche façonnée 12 comprend notamment deux zones terminales 14 et 16, reliées entre elles par une ban- de relativement longue et mince qui ae dirige alternative-

ment dans les deux sens, mais qui est orientée en ordre principal parallèlement à la direction 13. Des conducteurs électriques 15 et 17 sont fixés d'une manière connue aux zones terminales respectives de la couche façonnée, en vue de produire des jonctions électriques ohmiques.

On peut alors déterminer le passage d'un courant uniforme à travers ces conducteurs et à travers la couche de surface façonnée 12, laquelle est effectivement isolée électrique- ment du corps du disque par la jonction redresseuse. La différence de potentiel entre les conducteurs, qui accom- pagne ce passage de courant, constitue une mesure des va- riations de résistance de la couche façonnée 12 et, par conséquent, de la contrainte instantanée agissant sur le disque 10. La couche façonnée 12 et les conducteurs 15 et 17 qui coopèrent avec elle constituent ainsi un système tensiosensible ou un tensiomètre, désigné dans son ensemble par le chiffre de référence 18.

Le tensiomètre particulier 18 de la fig. 1 est simplement représentatif de la large gamme de formes connues qui peuvent être utilisées et dont certaines possèdent une série d'éléments de résistance dis- tincts et différemment orientés, avec plus de deux conduc- teurs. De tels systèmes peuvent comprendre des éléments sur les deux faces du disque et peuvent comporter un pont entier de Wheatstone. Dans d'autres systèmes connus de tensiomètres, les conducteurs sont connectés à des points espacés de la surface de l'élément 10, sans qu'il y ait une coucha de surface distincte 12, de sorte que les chan- gements de résistance détectés s'opèrent au sein du corps principal de l'élément 10.

Lorsque le disque 10 est soumis à une pression différentielle sur ses faces opposées, la

matière est soumise sur une face à la compression et sur l'autre face à l'extension, ce qui engendre un effet pié- zorésistant mesurable entre bornes 14 et 16 ou leur 'qui- valent. L'élément formant diaphragme, muni d'un capteur piézorésistant qui en fait partie intégrante, représenté à titre indicatif en 18 dans la fig. 1, est bien connu en lui-même.

Suivant la présente invention, un système piézosen- sible tel que celui de la fig. 1 est combiné avec un systè- me de support préparé d'avance, ainsi qu'il est représen- té de façon schématique dans la fig. 2. Dans cette derniè- re figure, le disque 10 est en fait semblable à celui re- présenté dans la fig. 1 et est muni d'un capteur piésoré- sistant 18 qui fait corps avec lui. Ce capteur peut être constitué par un système prévu sur l'une des faces du dis- que ou les deux, ou dans le corps principal de ce dernier.

Un élément de support 20, représenté sous la forme d'un @neau relativement stable de section régulière e3t réuni au disque 10 face contre face, mais est séparé de celui-ci par une mince feuille de métal, représentée de façon sché- matique en 24. En fait, la feuille métallique 24 ne possè- de qu'une épaisseur de quelques mils (quelques centièmes de millimètre), cette épaisseur étant exagérée dans les dessins annexés dans l'intérêt de la clarté de la repré- sentation.

Les trois éléments 10,20 et 24 forment un en- semble 26, dont la cohésion peut être assurée temporaice- ment de n'importe quelle manière appropriée, par exemple à l'aide d'un léger système de serrage, non représenté en particulier, qui est de préférence disposé dans le sen@ pé- riphérique de la bague, d'une manière uniforme.

La bague 20 est constituée essentiellement par le même semi-conducteur que le disque 10 et est de préférence un monocristal dont les axes sont orientés de telle maniè- re que, lorsque les éléments sont assemblés de la manière représentée dans la fig. 2, ces axes sont parallèles aux axes cristallins du disque 10. Toutefois, de nombreuses applications de l'invention peuvent être réalisées d'une façon entièrement efficace avec des orientations cristal- lines différentes des éléments 10 et 20, dans lequel cas l'élément de monture 20 ne doit pas être nécessairement un monocristal.

La couche métallique 24 consiste essentiellement en un métal ou alliage qui forme, avec le semi-conducteur des éléments 10 et 20, une solution liquide à une tempéra- ture élevée, inférieure à la température de fusion du se- mi-conducteur. Le métal et le semi-conducteur sont choisis de telle manière que la solubilité du semi-conducteur dans la solution soit convenablement élevée, par exemple de l'ordre de 10 à 50 pour-cent et que, de préférence, elle croît avec la température, au moins dans la partie infé- rieure de la région de température située au-dessus de la température de formation de la solution et au-dessous de la température de fusion du semi-conducteur.

On dispose l'ensemble 26 dans une atmosphère inerte ou dans le vide et on le soumet à une chaleur contrôlée, par exemple dans le four représenté de façon schématique en 28. La chaleur est appliquée de manière à produire un gradient de température essentiellement normal au plan du disque 10. Par exemple, la chaleur peut être appliquée à la face supérieure de la bague 20, en considérant la fig. 2,

et être évacuée à partir de la face intérieure du diaque 10.

Une telle application de la chaleur eat obtenue en particulier par rayonnement à partir d'un élément 30, chauf- fé électriquement, en tungstène ou autre matière appropriée, qui est monté immédiatement au-dessus de la surface de la bague d'une manière appropriées par exemple à l'aide de supports isolés, non représentés en particulier. A cette fin, le courant électrique peut être fourni à l'élément 30 à partir d'un dispositif de commande représenté d'une façon schématique en 32, qui peut comprendre un système de com- mande thermostatique destiné à régler la température du fil même ou de n'importe quelle partie voulue de l'ensem- ble 26.

De même, l'évacuation de la chaleur à partir de la face inférieure du disque 10 peut être effectuée d'une manière analogue par rayonnement ou par conduction à par- tir de cette surface, vers un piège à chaleur représenté de façon schématique en 34. Le piège à chaleur 34 peut supporter directement l'ensemble 26 ou bien, on peut inter- poser des éléments d'espacement de faible section, notam- ment en matière isolante. On prévoit de préférence des moyens pour régler la température de la surface 34 indé- pendamment de la source de chaleur 30.

Au besoin, la sur- face 34 peut être constituée par la paroi de fond d'un four réglé de construction appropriée, tandis que la source de chaleur 30 peut être formée par la paroi supérieur* in- térieure du four, que l'on maintient à une température plus élevée que la paroi inférieure.

Lorsque la température de l'ensemble 26 atteint, au voisinage de la couche métallique 24, la plus basse tempé- rature de fusion du système semi-conducteur-métal, la cou-

che métallique se convertit en une solution liquide,qui devient pratiquement saturée de semi-conducteur. Etant donné le gradient de température, la solubilité du semi- -conducteur dans la solution est plus élevée à la limite supérieure de cette solution qu'à la limite inférieure de celle-ci. Une condition d'équilibre virtuel s'établit ra- pidement, de sorte que le semi-conducteur se dissout dans la solution à partir de la bague 20, diffuse vers le bas à travers la solution et précipite, en tant que solide, sur la face supérieure du disque 10.

La vitesse de précipita- tion est aisément réglée à une valeur telle que le semi- -conducteur ainsi déposé soit cristallin et soit conforme à l'orientation cristalline établie par le disque 10, le- quel agit comme germe cristallin. Une faible proportion du métal de la couche 24 se dépose conjointement avec le semi-conducteur qui cristallise, cette proportion corres- pondant généralement à la solubilité du métal dans le semi- -conducteur solide, à la température à laquelle la cristal. lisation a lieu. Cette solubilité est en fait assez faible que pour avoir un effet négligeable sur les caractéristi- ques physiques du cristal formé, mais peut contrôler le type de conductivité et la résistance de ce cristal.

D'u- ne manière générale, on choisit de préférence pour la cou- che 24 un métal grâce auquel le semi-conducteur déposé sur le disque 10 sera d'un même type de conductivité que le corps de ce disque.

Etant donné que la vitesse de progression de la zone de solution augmente normalement avec la température, ainsi qu'avec la raideur du gradient de température, il peut s'a- vérer avantageux d'opérer de telle façon que la zone de

température présente une valeur suffisamment élevée que pour déterminer une diffusion importante des éléments de dopage présents dans le capteur piézorésistant 18. Cette , diffusion peut être pratiquement empêchée si l'on maintient la partie centrale du piège à chaleur 34 à une température inférieure à celle de la partie située directement au-dea- sous de la périphérie de l'ensemble 26.

A titre de varian- te, il peut s'avérer avantageux de tenir compte, lors de la formation initiale du capteur 18, du fait qu'un degré défini de diffusion ultérieure se produit pendant l'inté- gration de l'enceinte du transducteur. Dans la pratique courante, des vitesses de progression satisfaisantes de la zone de solution, telles que 0,01 à 0,05 pouce (0,254 à 1,27 mm) par heure, par exemple, peuvent ordinairement être obtenues avec des températures de travail suffisamment bas- ses que pour déterminer une diffusion faible ou nulle dans l'élément capteur.

La solution progressive et la recristallisation, dé- crites ci-dessus, de l'élément 20, se poursuivent en fait avec migration progressive vers le haut de la mince couche de solution métal-semi-conducteur, jusqu'à ce que cette der- nière couche apparaisse à la face supérieure de l'élément 20. On peut ensuite refroidir graduellement le système, tout en maintenant le gradient thermique décrit. La matiè- re recristallisée, ainsi obtenue, de l'élément 20, est-, alors sensiblement homogène dans toute sa dimension verti- cale, cependant qu'une couche de métal pratiquement homogè- ne, située sur sa face supérieure, contient une concentra- tion relativement faible de semi-conducteur. Au besoin, le métal de cette dernière couche peut être aisément élimi-

né, par exemple par décapage chimique.

Le monocristal monolithe formé est représenté dans la fig. 3, où l'on voit qu'il comporte une région-diaphrag- me relativement mince 41, un rebord de support relative- ment épais 42 et un capteur piézorésistant 18 intégré à la partie formant diaphragme de la manière décrite ci-des. sus. L'établissement d'une telle structure de la manière décrite offre, par rapport aux procédés antérieurs, le grand avantage que les contraintes dues aux méthodes d'usi- nage habituelles sont complètement éliminées.

Le diaphrag- me proprement dit peut être découpé dans un monocristal obtenu par croissance, d'une manière classique, par une simple opération de sciage, et peut être au besoin recuit à une température élevée préalablement à la formation du capteur 18. Il est évident que toutes les contraintes qui se manifestent dans la bague 20 à la suite de l'usinage ou d'autres opérations qu'elle subit au cours de son façon- nage sont complètement éliminées lors du processus d'in- tégration suivant la présente invention, grâce à la disso- lution complète et à la recristallisation de cette bague.

En outre, le produit final est essentiellement exempt de contraintes, étant donné que le rebord 42 a été produit sur le diaphragme 41 par une croissance monocristalline, à une température située bien au-dessous du point de fusion du semi-conducteur même. En choisissant convenablement les dimensions, on peut faire en sorte que le rebord 42 soit essentiellement rigide comparativement à la portion relativement mince 41, qui constitue le diaphragme. La région du rebord peut ensuite être serrée fermement dans un système de monture, s ans que le diaphragme soit soumis à

une contrainte importante.

Toutefois, pour la plupart des opérations de déteo- tion de pression, il est préférable de former une enceinte monolithe complète, dont la région de diaphragme 41 cons- titue une portion de paroi. A cette fin, et conformément à une variante de l'invention, en réunit une plaque couver- cle 44 à la région de rebord 42, ainsi qu'il est montré d'une façon schématique dans la fig: 4, une mince couche de métal étant interposée entre la plaque couvercle et le rebord, ainsi qu'il est indiqué en 46. La couche de métal 46 peut être constituée par les restes de la couche 24 de la fig. 2, qui demeurent sur la surface de la bague 20, ainsi qu'il est décrit plus haut.

A titre de variante, et si l'on a éliminé ce métal résiduel par décapage, on éta- blit une couche fraîche, qui est de préférence constituée en le même métal que la couche initiale 24 et peut être pratiquement identique à cette dernière. On soumet ensuite le dispositif de la fig. 4 à un gradient thermique, à une température élevée, dans des conditions et d'une manière semblables à celles déjà décrites à propos de la fig. 2.

Il en résulte la conversion de la couche métallique 46 en une solution de semi-conducteur, qui émigre progressivement vers le haut, à travers l'épaisseur du couvercle 44, en considérant la fig. 4, pour émerger en tant que couche an- nulaire superficielle de métal solide à la face supérieure du couvercle.

Au cours de ce processus, une portion péri- phérique annulaire du couvercle 44 ce dissout et recristal- lise par croissance monocristalline sur la face supérieure de la région de rebord 42. Cette matière recristallisée forme une structure monolithe avec la partie centrale du

couvercle 44, qui, en fait, ne se dissout pas, De plus, lorsque le couvercle 44 est initialement coupé à partir d'un monocristal et que sa coupe et son assemblage ont lieu suivant la même orientation cristalline que le système 40, tout l'ensemble qui en résulte est pratiquement un mono-, cristal monolithe, ainsi qu'il est indiqué en 50 dans la fig. 5.

Si on le préfère, un système monolithe, représenté à titre d'exemple dans la fig. 5, peut être établi en soumet- tant l'élément initial portant le capteur à une seule opé- ration de fusion de zone à gradient de température. Par exemple, l'élément annulaire 20 et le couvercle 44 peuvent d'abord être réunis l'un à l'autre, pour constituer un boî- tier monolithe, ou bien, un tel bottier peut être découpé initialement à partir d'une seule pièce de semi-conducteur.

On peut ensuite réunir ce boîtier au disque 10, avec inter- position d'une couche de métal intermédiaire analogue à la couche 24 de la fig. 2, cette couche étant amenée à émigrer, par exemple vers le haut, vers la surface extérieure supé- rieure du bottier. Lorsque le boîtier est un monocristal orienté comme le diaphragme portant le capteur, le système résultant sera en fait aussi un monocristal, ainsi qu'il est décrit à propos de la fig. 5.

Il est généralement préférable d'intégrer les éléments de monture, quelles que soient leurs formes exactes, en faisant en sorte que la couche de solution intermédiaire émigre à partir de l'élément capteur, en partie parce que ce dernier est alors plus éloigné de la zone chauffée. Tou- tefois, dans certains cas, il peut être avantageux de pro- voquer une migration de la couche vers l'élément portant

le capteur.

Par exemple, si, dans la fig. 2, on interver- tit les positions de la source de chaleur et du piège à chaleur, ce qui a pour effet d'inverser le gradient de tem- pérature, la couche 24 émigrera vers le bas à travers la région périphérique du disque 10, d'une manière générale- ment semblable à celle décrite à propos de la migration vera le haut de la couche 46 de la fig. 4, à travers la partie périphérique du couvercle 44. Lorsque-ceci est ac- compli, il est hautement avantageux que les deux éléments soient de forme monocristalline et soient réunis de façon que leurs axes cristallins soient exactement parallèles, afin d'assurer une structure mono cristalline au voisinage de la portion formant diaphragme du système final.

D'au- tre part, il peut être avantageux de prévoir un piège à chaleur à proximité de la partie du disque 10 qui porte le capteur proprement dit, afin d'empêcher un échauffement excessif de ce dernier. Un tel piège à chaleur peut com- prendre, par exemple, une plaque refroidie circulaire voi- sine de la face inférieure du disque 10 et espacée inté- rieurement par rapport à la source de chaleur utilisée pour chauffer la région périphérique de ce disque.

A titre d'autre exemple de la migration de la coùche vers l'élément portant le capteur, le couvercle 44 de la fig. 4 peut être pourvu d'un élément capteur de contrain= tes analogue à celui de la région de, diaphragme 41. 1 la fin de la migration ascendante décrite ci-dessus de la couche de solution 46 à travers la région périphérique de l'élément 44, le système final suivant la fig. 5 comprend deux diaphragmes portant des capteurs, séparés par une cham- bre close et qui constituent un systèmes entièrement mono-

lithe, qui peut consister essentiellement en un monocris- tal.

Dans un tel système, il est ordinairement désirable que les deux portions formant diaphragme aient la même épaisseur, leurs capteurs de contraintes pouvant au besoin être connectés dans un montage en pont commun, pour pro- duire un signal de sortie commun.

Il convient de noter que, pour certaines combinaisons , particulières de semi-conducteur et de métal, la couche de solution offrira, vis-à-vis du semi-conducteur, une solu- bilité qui va. en diminuant à mesure que la température s'é- lève, cela dans des limites de température définies. Dans ces conditions, on peut appliquer la même méthode générale mais la direction de la migration de la couche de solution est évidemment opposée au gradient de température, au lieu de se produire dans la même direction, comme décrit plus haut à titre d'exemple.

Le système 50 peut être pourvu d'un conduit à fluide destiné à amener du fluide dans la chambre close 52. Dans la fig. 5, ce conduit est désigné par 54, ce conduit étant monté à l'aide de soudure ou de ciment d'époxy dans un ori- fice prévu dans la paroi de la chambre. Cetforifice peut être pratiqué dans la paroi cylindrique 42, mais a été re- présenté à titre d'exemple en 47, dans la portion formant couvercle de l'enceinte. Le conduit 54 peut être en un métal approprié quelconque ou autre matière convenable, qui possède de préférence un coefficient de dilatation thermi- que qui ne diffère pas beaucoup de celui du semi-conducteur du système 50.

Toutefois, dans le cas d'un conduit de fai- ble diamètre et à paroi mince - en particulier lorsqu'il est monté symétriquement et est distant du capteur 18,

comme représenté dans la fig. 5 -, même une différence appréciable dans la dilatation n'exerce qu'un effet: né- gligeable sur le capteur. La réponse du capteur corres- pond alors exactement à la différence entre, d'une part, la pression amenée à travers le conduit 54 dans la chambre 52 et, d'autre part, la pression ambiante qui entoure le système 50. Cette dernière pression peut être celle d'une enceinte dans laquelle l'ensemble du système est monté.

A titre de variante on peut omettre la forure 47 et le conduit 54. Dans ce cas, la pression dans la chambre 52 sert de pression de référence pour mesurer la pression du fluide ambiant. L'invention offre un grand avantage en ce qu'il est possible d'enfermer dans l'enceinte de l'ins- trument, au cours de la fabrication, une quantité de gaz déterminée, cette quantité étant maintenue de façon fia- ble, étant donné que la capsule est en fait hermétiquement scellée, en raison de sa structure monolythe. En parti- culier, pour de nombreuses applications, la pression de ré- férence intérieure est de préférence pratiquement égale à zéro.

On atteint aisément cette situation en faisant le vide dans le four ou autre enceinte, dans laquelle on axé- cute l'assemblage final de la capsule par fusion de zone à gradient de température, ainsi que décrit à propos de la dernière forme de réalisation, représentée dans la fig. 4, par exemple.

Lorsqu'il s'agit de détecter une pression variable en introduisant un fluide dans l'intérieur de l'enceinte 50, par exemple à travers le conduit 54, il peut s'avérer avan- tageux d'isoler le capteur piézorésistant 18 par rapport à ce fluide. Ceci peut être réalisé en formant le capteur

18 sur la face extérieure de la portion 41 formant dia- phragme. Au besoin, le système capteur peut être consti- tué en cet endroit après l'assemblage partiel ou complet des éléments dé monture qui entourent la chambre de pres- sion. Cependant, des éléments capteurs d'une sensibilité uniforme et fiable peuvent être habituellement établis plus aisément sur un élément présentant une configuration géométrique simple, plutôt que sur une surface de la cap- sule achevée.

Lorsque l'intérieur de l'enceinte contient une pres- sion de référence permanente, il est généralement préféra- ble de limiter le capteur proprement dit à la face inté- rieure de la paroi du diaphragme, où il est protégé contre les détériorations mécaniques et isolé de tout fluide d'es- sai qui serait en contact avec l'extérieur du transducteur.

Des conducteurs électriques, comme ceux désignés par 15 et 17 dans la fig. l, peuvent être passés à travers la paroi de l'enceinte grâce à un petit orifice, tel que l'orifice 47 dans la fig. 5, que l'on remplit ensuite d'une matière de scellement appropriée, qui assure également un isolement électrique des conducteurs.

Une matière semi-conductrice particulièrement favora- ble pour la mise en oeuvre de la présente invention est le silicium; on peut cependant employer de nombreux autres semi-conducteurs. Ainsi qu'il a été indiqué plus haut, le métal employé pour produire une couche de solution en vue d'unir deux éléments semi-conducteurs par fusion de zo- ne à gradient de température peut être pratiquement n'impor- te quel métal qui forme, avec le semi-conducteur, une solu- tion dans laquelle la solubilité de ce dernier est une

fonction suffisamment raide de la température, dans une région de température située au-dessous du point de fusion du semi-conducteur. On préfère normalement employer un métal qui n'est que modérément soluble dans le semi-conduc- teur solide à l'extrémité de faible solubilité de la région de température choisie.

Ceci est le cas, par exemple, pour l'aluminium et l'argent dans le silicium. D'autres métaux qui forment des solutions appropriées avec le silicium sont le cuivre, le cobalt, le titane et, dans une mesure moindre, l'or et le fer. Le béryllium produit avec le silicium, à une température relativement peu élevée, une solution dans laquelle la solubilité du silicium varie en raison inverse de la température, ce qui donne lieu à une migration de couche à l'encontre au gradient de température.

REVENDICATIONS
EMI21.1
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**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.

Claims

1. Transmetteur de force, caractérisé en ce qu'il com- prend : un élément mince formant diaphragme, qui consiste essentiellement en un monocristal de matière semi-conduc- trice et dont les axes cristallins sont orientés de telle manière qu'au moins une région sensible de l'élément formant diaphragme possède une caractéristique électrique qui va- rie en fonction d'une contrainte transversale ; un système de sortie connecté électriquement à la région sensible ci- -dessus et réagissant aux variations de la caractéristique électrique susdite ; un dispositif de monture pour l'é- lément formant diaphragme, ce dispositif comprenant :

un corps, de forme générale annulaire, de ladite ma- tière semi-conductrice, développé en tant que monocristal sur une région périphérique de l'élément formant diaphrag- <Desc/Clms Page number 22> me, et constituant pratiquement un monocristalmonolithe avec cet élément, le corps précité étant suffisamment mas- sif que pour serrer efficacement la périphérie du diaphrag. me d'une manière pratiquement rigide ; et un système pour réunir le transmetteur au corps ci-dessus, de manière à isoler le diaphragme vis-à-vis des variations de contraintes dues au système de monture.

2. Transmetteur de force comme spécifié dans la reven- dication 1, caractérisé en outre en ce qu'il comprend i un élément pelliculaire de la matière semi-conductri- ce susdite, qui fait partie intégrante du corps précité, la disposition étant telle que le corps précité, l'élément formant diaphragme et l'élément pelliculaire limitent une chambre dont une des parois est constituée par l'élément formant diaphragme.

3. Transmetteur de force comme spécifié dans la reven- dication 2, caractérisé en ce que : l'assemblage final de l'élément formant diaphragme, du corps annulaire et de l'élément pelliculaire, en vue de la formation de la chambre susdite, consiste en une crois- sance cristalline effectuée dans le vide, ladite chambre étant formée de manière à être sous vide.

4. Procédé de fabrication d'un transmetteur de force, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison, les dis- positions qui consistent : à établir un premier et un second corps, dont chacun consiste essentiellement en une matière semi-conductrice, le premier corps ayant pratiquement la forme d'un mince dia- phragme présentant une région centrale ayant une caractéris- tique électrique sensible à une sollicitation transversale <Desc/Clms Page number 23> du diaphragme, et présentant une surface périphérique, tandis que le second corps comprend une portion épaisse de forme générale annulaire, qui possède une face appelée à être continuellement en contact face contre face avec la portion de surface périphérique du premier corps;

à assembler les corps de façon qu'ils soient en con- tact face contre face, avec interposition d'une couche de métal capable de former, à une température élevée, une so- lution dans laquelle la solubilité de la matière semi-con- ductrice ci-dessus varie, suivant une direction uniforme, avec la température, dans une région de température déter- minée, inférieure à celle du point de fusion de la matière semi-conductrice;

à maintenir à travers ladite couche un gradient da température compris dans la région de température précitée, afin de convertir ladite couche en la solution susdite et à déterminer une migration de la couche de solution à tra- vers un des corps ci-dessus, par fusion de zone de gradient de température, pratiquement jusqu'à une surface extérieu- re de ce dernier corps, de telle manière que les corps au*- nommés deviennent une structure monolithe, la disposition étant telle que la portion de forme générale annulaire ser- re effectivement la périphérie de l'élément formmt dia- phragme; et à établir un système pour détecter les variations de la caractéristique électrique de la région précitée du diaphragme.

5. Procédé comme spécifié dans la revendication 4, caractérisé : en ce que au moins ledit premier corps consiste ***en- <Desc/Clms Page number 24> tiellement en un monocristal de la matière semi-conductri- ce; et en ce que la structure monolithe ainsi obtenue con- siste essentiellement en un monocristal ayant la même orien- tation cristalline que le premier corps ci-dessus.

6. Procédé comme spécifié dans la revendication 5, ca- ractérisé en outre en ce que ladite matière semi-conductrice est du si- licium; et en ce que la couche métallique susdite consiste es- sentiellement en un métal choisi dans le groupe consistant en aluminium, argent, titane, cuivre et cobalt.

7. Procédé comme spécifié dans la revendication 5. ca- ractérisé en outre en ce que le second corps précité comprend également un élément pelliculaire de la matière semi-conductrice ci-dessus, supporté de façon périphérique par la portion annulaire susdite et faisant partie intégrante de celle-ci, les corps assemblés précités enfermant de façon essentiel- lement complète une chambre dont la portion formant dia- phragme du premier corps précité constitue une des parois.'