DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

L'invention se rapporte au test de l'étanchéité de MEMS ou de petits composants encapsulés . Il s'agit de vérifier l'étanchéité de petits dispositifs comportant des cavités intérieures et qui sont normalement à une pression différente de la pression atmosphérique ou de la pression de l'environnement dans lequel le fonctionnement du MEMS ou du petit dispositif est prévu. Ceci s'applique donc aussi à la vérification de l'étanchéité de MEMS encapsulés. Il est en effet souvent nécessaire, pour garantir un bon fonctionnement fiable et durable du MEMS ou du petit dispositif, de pouvoir garantir l'étanchéité de la cavité. Un cas particulier de cette nécessité est lorsque le bon fonctionnement nécessite que la quantité de gaz (cette quantité pouvant être nulle si la cavité doit être maintenue sous vide) soit constante dans la cavité. A titre d'exemple, de nombreux types de capteurs de pression, d' accéléromètres et de gyromètres ont cette contrainte. Un autre cas particulier de cette nécessité est lorsque le bon fonctionnement ou des contraintes de sécurité imposent qu'il n'y ait pas de contamination, dans un sens ou dans l'autre, entre le fluide contenu dans la cavité et l'environnement extérieur. A titre d'exemple, de nombreux types de MEMS ou de petits dispositifs destinés à être intégrés dans des environnements spécifiques (organismes vivants, milieu marin ou sous-marin, ambiances chimiques agressives, espace, ...) ont cette contrainte. Souvent, des dispositifs ayant des conducteurs ou semi-conducteurs électriques directement au contact de la cavité nécessitent, par exemple pour éviter l'oxydation, leur maintien dans une atmosphère contrôlée. Dans ce cas, même une mise en contact de l'atmosphère normal peut être très néfaste. Il est donc nécessaire d'avoir une méthode de vérification non destructive, qui puisse être réalisée aussi bien lors du procédé de fabrication des MEMS ou des petits dispositifs, qu'ultérieurement lors de l'usage normal du MEMS ou du dispositif ou lors de vérifications du bon fonctionnement du MEMS ou du dispositif.

ÉTAT DE LA TECHNIQtJE ANTERIEtJRE

Pour résoudre ce problème, une première solution est d'essayer de remplir la cavité interne du MEMS ou du petit dispositif en plaçant le MEMS ou le petit dispositif dans une enceinte remplie d'un fluide A (liquide ou gaz) à une pression très supérieure à la pression à laquelle la cavité interne du MEMS ou du petit dispositif devrait être. S'il y a des défauts d'herméticité, il y a pénétration du fluide externe dans la cavité. Après rinçage externe, le MEMS ou le petit dispositif est alors mis dans une autre enceinte à faible pression, équipée d'un détecteur très sensible au fluide A (ou de sa vapeur si A est un liquide) , par exemple un spectromètre de masse. Si le fluide A est détecté, cela signifie qu'il y a un défaut d'herméticité. Les brevets GB 1 213 406 et US 4 920 785 décrivent des exemples de mise en œuvre de cette méthode. Dans le but d'augmenter la sensibilité, diverses techniques sont mises en œuvre pour favoriser le dégazage complet de la cavité du MEMS ou du petit dispositif, par exemple un chauffage ou des vibrations mécaniques ou des ultrasons. Ce test direct de l'étanchéité de la cavité du MEMS ou du petit dispositif est une manière de faire lourde et complexe, non collective, difficile à reproduire souvent au cours de la vie du MEMS ou du petit dispositif pour en vérifier le bon fonctionnement. Elle nécessite un détecteur de fluide très sensible, appareil souvent complexe et/ou onéreux. Si elle est faite collectivement sur un certain nombre de MEMS ou de petits dispositifs, par exemple sur une plaquette de fabrication avant découpe des MEMS, une fuite sur un seul des dispositifs entraîne le rejet de l'ensemble des dispositifs testés. On pourrait envisager d'incorporer, dans les MEMS encapsulés ou dans les petits dispositifs, des capteurs de pression. Il existe en effet de nombreux types de capteurs de pression qui sont également des MEMS. Une description des principaux types de capteurs de pression réalisables sous forme de MEMS est donnée dans « The MEMS Handbook » de Mohamed Gad-el-Hak, 2002, CRC Press (voir le chapitre 25 intitulé « Micromachined Pressure Sensors ») . Le principe le plus fréquemment utilisé dans ce type de capteur est d'appliquer la pression à mesurer sur un côté d'une fine membrane étanche dont l'autre côté est en contact avec une pression connue, par exemple le vide. La différence de pression de part et d' autre de la membrane exerce sur celle-ci des contraintes qui créent des déformations et des déplacements de cette membrane. On mesure soit directement les contraintes sur cette membrane (par exemple par des jauges piézorésistives, éventuellement intégrées à la membrane ou par des structures résonnantes dont la fréquence de résonance dépend de la contrainte) , soit le déplacement de cette membrane (par exemple par des méthodes optiques ou capacitives ou par effet tunnel ou par ses conséquences sur les transferts thermiques) . Un autre principe utilisé pour mesurer la pression d'un gaz est la dépendance des échanges thermiques à la pression du gaz. Les capteurs utilisant ce type de principe physique sont parfois nommés « capteurs de type Pirani ». Il sont souvent utilisés pour mesurer des pression assez faibles, dans la gamme du Pa (parfois à partir de 10"1 ou 10~2 Pa) à quelques kPa (parfois jusqu'à des pressions supérieures à 1 bar) . Un mode de réalisation classique de ce type de capteur est d'avoir un élément chauffant (généralement par effet Joule) qui évacue sa puissance au travers du gaz dont on cherche à connaître la pression vers un substrat massif qui joue le rôle de source froide. La puissance de l'élément chauffant, sa température et la température de la source froide sont mesurées, ce qui permet d'en déduire les conditions d'échange thermiques et donc d'en déduire la pression du gaz. Tous ces dispositifs MEMS de mesure de pression ont des conceptions et des technologies de réalisation qui sont optimisées pour remplir cette fonction de capteur de pression. L'incorporation d'un capteur de pression au sein de la cavité du MEMS ou du petit dispositif est une manière de faire onéreuse et complexe, qui nécessite souvent de modifier profondément les procédés de fabrication tels qu'ils pourraient être conçus ou optimisés pour la fonction principale du MEMS ou du petit dispositif et qui peut représenter un encombrement inacceptable dans certains cas. De plus, il est des cas où il est impossible d'incorporer un capteur de pression tout en conservant la fonction principale du MEMS ou du petit dispositif.

EXPOSÉ DE I/ INVENTION

Afin de remédier aux inconvénients de l'art antérieur, il est proposé par la présente invention d' incorporer au sein de la cavité un détecteur simplifié de masse volumique du gaz inspiré des capteurs de pression de type Pirani, en utilisant les mêmes techniques et/ou méthodes que celles conçues et optimisées pour la fonction principale du MEMS ou du petit dispositif. On utilise pour cela le fait que lorsque le libre parcours moyen des molécules n'est plus très petit devant la dimension caractéristique de l'épaisseur du gaz, il se crée un saut de température au voisinage d'une paroi échangeant de la chaleur, modélisé il y a plus d'un siècle par von Smoluchowski (1898) en : T Tgaz - T Tparoi - - _ 2 ~ σ-τ . - 2_^ . - L . VVTTgaz ** ;n

avec στ : coefficient d'accommodation thermique, entre 0 et 1, dépend des propriétés de la surface et de la nature du gaz. Il est souvent pris de l'ordre de 0,75 à 1. γ= Cp/Cv : coefficient isentropique du gaz, typiquement de l'ordre de 1,4 pour un gaz diatomique. Pr : nombre de Prantl du gaz, typiquement de l'ordre de 0,71. Il dépend peu de la pression mais plus de la température. L : libre parcours moyen des molécules. L dépend de la masse volumique du gaz. n : vecteur normal à la paroi, orienté vers le gaz . Le saut de température tel que modélisé ci- dessus est valable jusqu'à une certaine valeur maximale du nombre de Knudsen, ratio du libre parcours moyens des molécules à la dimension géométrique caractéristique du problème. Cette valeur maximale varie suivant les auteurs de 0,13 à 0,6. A titre d'exemple, l'homme de l'art peut aisément montrer que pour des géométries simplistes (plaques parallèles, cylindres coaxiaux, ...) cette condition aux limites associée aux équations classiques de la conduction thermique en régime permanent (équations qui demeurent valables dans cette gamme de Knudsen) équivaut à éloigner chaque paroi d'une distance α définie par 2-στ 2γ L α = - στ γ+1 Pr Pour du gaz entre deux plaques parallèles, il faut modifier les formules classiques en augmentant de 2α les épaisseurs de gaz. Le fait que le but n'est pas d'avoir une « mesure » précise et sensible de la masse volumique du gaz, mais seulement de détecter des « grosses » variations de la masse volumique du gaz à l'intérieur de la cavité permet de relâcher considérablement les contraintes sur la conception du détecteur. (On rappelle que, pour un volume fermé et constant de gaz, la masse volumique est forcément constante. Tout défaut d'étanchéité vis-à-vis d'un environnement à pression différente se traduira par une variation de la masse totale de gaz et donc de la masse volumique) . Par exemple, il suffit d'avoir au sein de la cavité une structure chauffante par effet Joule qui échange sa chaleur soit avec une source froide (par exemple constituée par les parties les plus massives du MEMS ou du petit dispositif en contact thermique avec l'environnement), soit avec une autre structure, et de mesurer la température ou l'évolution de température de la source froide ou de l'autre structure. On a ainsi accès aux conditions d'échanges thermiques et en particulier de la part des échanges thermiques globaux qui passent par conduction ou convection au travers du gaz. Connaissant la résistance thermique de ce gaz, sa nature et la géométrie du capteur, il est possible d'en déduire une estimation de sa masse volumique. Par exemple, un des modes d'utilisation peut consister à déduire des mesures de puissance électrique et de température la résistance thermique (ce qui est trivial : Rth= Puissance/Tchaud-Tfroid) dans le cas d'un régime permanent avec un seul élément chauffant et une source froide) , puis en déduire la partie de cette résistance thermique due au transfert dans le gaz (chose qui est à la portée de l'homme de l'art, par exemple l'ingénieur thermicien) . On peut ensuite en déduire une estimation de la masse volumique. Ces calculs peuvent être faits analytiquement dans le cas de géométries simples ou peuvent nécessiter l'usage de codes de calculs pour des géométries complexes. Il est également possible pour le concepteur du système de test d'établir des abaques ou des formules analytiques simples permettant à l'utilisateur ou à un système informatique d'en déduire facilement la masse volumique du gaz. Cette estimation (ou ce test) non destructive peut être faite entièrement par des mesures électriques, donc aussi bien à l'issu de la fabrication qu'au cours de la vie du MEMS ou du petit dispositif. Il ne nécessite qu'un appareillage de mesures électriques simple et standard. L'invention a donc pour objet un procédé de test de l'étanchéité d'un MEMS ou d'un petit composant encapsulé, le MEMS ou le petit composant étant logé dans une cavité d'un support, la cavité étant fermée par des moyens d'étanchéité et contenant un gaz à une masse volumique différente de celle qu'il aurait s'il était à la pression du milieu extérieur à la cavité, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend une étape de mesure de la masse volumique du gaz contenu dans la cavité, la cavité étant pourvue d'une structure chauffante et de moyens de mesure de la température. Avantageusement, l'étape de mesure de la masse volumique du gaz comprend la production d'un échange de chaleur entre une source chaude présente dans la cavité et une source froide thermiquement reliée à la cavité, et la détermination d'une grandeur caractéristique de cet échange de chaleur. La détermination de la grandeur caractéristique de l'échange de chaleur peut comprendre la détermination de la température ou de l'évolution de température de la source froide et/ou de la source chaude. Selon un mode de mise en œuvre, la source chaude étant une résistance électrique de résistivité connue, la détermination de la température de la source chaude est obtenue par la mesure de la tension appliquée à ses bornes et du courant la traversant. Si la résistance électrique est alimentée par une tension continue, la mesure de la masse volumique du gaz est obtenue à partir de la résistance thermique au travers du gaz contenu dans la cavité. Selon un autre mode de mise en œuvre, la source chaude est constituée de deux résistances électriques montées sur deux côtés opposés d'un pont de Wheatstone alimenté sur deux sommets opposés par une tension continue, les deux autres résistances électriques du pont de Wheatstone étant en contact avec la source froide, la tension prélevée sur les deux autres sommets opposés du pont de Wheatstone permettant de mesurer la masse volumique du gaz contenu dans la cavité. Selon un autre mode de mise en œuvre, la source chaude étant une résistance électrique de résistivité connue, un échelon de tension est appliqué à ses bornes et on mesure la réponse temporelle de la résistance électrique constituant la source chaude pour déterminer la résistance thermique entre la source chaude et le reste de la cavité. Selon encore un autre mode de mise en œuvre, la source chaude étant une résistance électrique de résistivité connue, une tension sinusoïdale est appliquée à ses bornes et la réponse temporelle de cette résistance électrique est mesurée, d'où on en déduit la résistance thermique entre la source chaude et le reste de la cavité. Selon encore un autre mode de mise en œuvre, la source chaude est constituée de deux résistances électriques montées sur deux côtés opposés d'un pont de Wheatstone alimenté sur deux sommets opposés par une tension alternative, les deux autres résistances électriques du pont de Wheatstone étant en contact avec la source froide, la tension prélevée sur les deux autres sommets opposés du pont de Wheatstone permettant d' obtenir le temps de réponse thermique de la source chaude, d'où on en déduit la résistance thermique entre la source chaude et le reste de la cavité. La source chaude peut être une source chaude réalisée au cours d'un procédé de fabrication utilisé pour la réalisation de la fonction principale du MEMS ou du petit composant. Les résistances électriques du pont du Wheatstone peuvent être des résistances électriques réalisées au cours d'un procédé de fabrication utilisé pour la réalisation de la fonction principale de MEMS ou du petit composant. L'invention a également pour objet un dispositif comprenant un MEMS ou un petit composant encapsulé, le MEMS ou le petit composant étant logé dans une cavité d'un support, la cavité étant fermée par des moyens d'étanchéité et contenant un gaz à une masse volumique différente de celle qu'il aurait s'il était à la pression du milieu extérieur à la cavité, caractérisé en ce qu'un capteur de masse volumique est également logé dans la cavité qui est pourvue d'une structure chauffante et de moyens de mesure de la température. Le MEMS ou le petit composant et le capteur de masse volumique peuvent être des éléments réalisés au cours d'un procédé de fabrication optimisé pour la fonction principale du MEMS ou du petit composant.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un dispositif comprenant un MEMS encapsulé auquel s'applique le procédé selon la présente invention, - figure 2 est un schéma électrique représentant un pont de Wheatstone utilisé pour le procédé de test selon la présente invention, - les figures 3A à 3F illustrent un procédé de fabrication d'un dispositif comprenant un MEMS encapsulé et des moyens permettant la mise en œuvre du procédé de test selon la présente invention.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

La figure 1 est une vue en coupe transversale d'un dispositif comprenant un MEMS encapsulé auquel s'applique le procédé selon la présente invention. La dispositif de la figure 1 est réalisé sur un substrat 1, par exemple en silicium, comprenant une cavité 2. La cavité 2 comprend un MEMS 3. Elle est fermée par un film mince 4 jouant le rôle de couvercle dont l'herméticité est à tester. La cavité 2 est soit vide, soit remplie d'un gaz dont la masse volumique est différente de celle qu'il aurait s'il était à la pression du milieu extérieur (de l'autre côté du film mince 4), ce gaz pouvant être autre que l'air. Pour contrôler l'étanchéité du MEMS encapsulé, on procède selon l'invention à la mesure de la masse volumique du gaz contenu dans la cavité 2. Pour cela, la cavité est pourvue d'une structure chauffante 5, présentant avantageusement une grande surface d'échange thermique avec le gaz et de moyens de mesure de la température 6 situés sur le MEMS 3 relié thermiquement à la source froide 7. En variante, les moyens 6 peuvent être également positionnés sur la paroi de la cavité, elle- même thermiquement reliée à la source froide ou encore directement au contact de cette source froide. Les connexions de la structure chauffante et des moyens de mesure de la température ne sont pas représentées. La mise en œuvre du procédé de test sera expliquée plus en détail par la suite au moyen de plusieurs exemples de réalisation. Un premier exemple de réalisation correspond à un montage et à une mesure simple. Au sein de la cavité, une structure chauffante par effet Joule échange sa chaleur avec une source froide, par exemple constituée par les parties les plus massives du MEMS ou du petit composant en contact thermique avec l'environnement. La fabrication de cette structure doit être compatible avec le procédé permettant au MEMS ou au petit dispositif de remplir sa fonction principale. Cette structure doit échanger le maximum de sa puissance par le gaz et le minimum par conduction aux travers des parties solides. Pour cela, un exemple de réalisation peut être de munir cette structure chauffante d'un certain nombre d'ailettes interdigitées avec des ailettes reliées au substrat ou à la source froide. Pour que la sensibilité du dispositif soit la meilleure possible, il est souhaitable que la dimension caractéristique de l'espace de gaz au travers duquel le flux de chaleur s'écoule entre partie chaude et partie froide soit de l'ordre de 2 à 15 fois le libre parcours moyen des molécules de ce gaz dans les conditions de masse volumique souhaitées au sein de la cavité. Cette structure chauffante est faite en un conducteur ou en un semi-conducteur dont la résistivité varie avec la température de manière connue. Pour que la sensibilité du dispositif soit la meilleure possible, il est souhaitable que la dépendance en température de la résistance de l'élément chauffant soit maximale. On mesure à la fois la tension et l'intensité aux bornes de la structure, ce qui permet d'estimer la puissance dégagée et la résistance donc la température. Si on mesure ou si on connaît par ailleurs la température de la source froide, il est possible d'en déduire une estimation de la masse volumique comme expliqué ci-dessus. Un gros avantage de ce type de montage (avantage que l'on retrouvera dans les autres exemples présentés ci-dessous) est qu'il est très souvent possible de réaliser cette structure chauffante en changeant très peu de choses au procédé de réalisation du MEMS ou du petit composant tel qu'il est conçu et optimisé pour sa fonction principale. Ceci a été en particulier étudié dans le cas d'un accéléromètre. Bien sûr, la sensibilité et la précision seront moins bonnes que si on avait optimisé la structure chauffante dans le but d'en faire un capteur de masse volumique du gaz, mais cette sensibilité demeure suffisante pour un détecteur d' étanchéité. Un deuxième exemple de réalisation correspond à un montage en pont de Wheatstone et à une mesure simple. Cet exemple est illustré par la figure 2. Deux résistances chauffantes Ri et R2 (source chaude) , destinées à un échange maximum de puissance au travers du gaz contenu dans la cavité, sont montées sur deux côtés opposés d'un pont de Wheatstone. Ces résistances sont pourvues d'ailettes interdigitées . L'échange thermique entre ces résistances et la source froide est sensible à la masse volumique du gaz contenu dans la cavité. Les deux autres côtés du pont de Wheatstone sont constitués de résistances R3 et R4 qui échangent le moins possible de puissance au travers du gaz et/ou dont la résistivité varie le moins possible avec la température. Les résistances R3 et R4 peuvent être déposées au-dessus d'une couche d'isolant électrique le plus mince possible et thermiquement le plus conductrice possible, par exemple du nitrure de silicium. Cette mince couche d' isolant électrique et conducteur thermique est elle- même déposée au plus près de la source froide (par exemple le substrat pour un MEMS, ou la partie la plus massive du petit composant. De ce fait, la température des résistances R3 et R4 varie peu avec les conditions d'échange thermique (et donc avec la masse volumique du gaz) . Au contraire, les résistances Rl et R2 varient sensiblement avec les conditions d'échange thermique (et donc avec la masse volumique du gaz) . De ce fait, le déséquilibre du pont de Wheatstone dépend de la masse volumique du gaz. L'homme de l'art sait que la sensibilité du pont de Wheatstone est maximale quand les résistances nominales (c'est-à-dire dans les conditions nominales d' alimentation électrique et de masse volumique du gaz) sont du même ordre de grandeur pour les 4 côtés du pont. Sous l'effet d'une tension U appliquée au pont, comme indiqué sur la figure 2, une tension V peut être mesurée. La tension V dépend du déséquilibre du pont. En première approximation et pour de faibles variations de résistance, cette variation de tension est proportionnelle à la variation de l'inverse de la masse volumique du gaz. Un troisième exemple de réalisation correspond à un montage simple et une mesure impulsionnelle. Cet exemple de réalisation reprend la structure chauffante du premier exemple de réalisation. L'idée de base est de mesurer la résistance thermique entre la structure et son environnement grâce au fait qu'elle conditionne le temps de réponse thermique de cette structure. Un échelon de tension est appliqué à ses bornes et on mesure la réponse temporelle de la résistance électrique, qui permet d'avoir le temps de réponse thermique de cette structure et, par conséquent, la résistance thermique entre celle-ci et son environnement. On en déduit la masse volumique du gaz . Pour que cette solution soit suffisamment sensible à la masse volumique du gaz, il faut que le ratio du temps caractéristique de mise en équilibre thermique interne de la structure chauffante sur le temps caractéristique de mise en équilibre thermique de la structure chauffante par rapport à son environnement soit petit devant 1. (Ce ratio correspond à ce que les thermiciens nomment le nombre de Biot) . Si ce ratio est petit devant 1, les variations de la température à l'intérieur de la structure chauffante seront faibles devant la différence entre la température de la structure chauffante et la température de l'environnement ou de la source froide. Ce ratio peut être estimé par l'homme de l'art s'il connaît les propriétés thermiques et la géométrie de la structure et du gaz l'environnant. Un quatrième exemple de réalisation correspond à un montage simple et à une mesure sinusoïdale. Cet exemple de réalisation reprend la structure chauffante du premier exemple de réalisation. Comme pour le troisième exemple de réalisation, l'idée de base est de mesurer la résistance thermique entre la structure chauffante et la source froide grâce au fait qu'elle conditionne le temps de réponse thermique de cette structure chauffante. Une tension sinusoïdale de fréquence f éventuellement additionnée d'une composante continue, est appliquée à ses bornes et on mesure la réponse temporelle de la résistance électrique, ce qui permet d' avoir le temps de réponse thermique de cette structure chauffante et, par conséquent, la résistance thermique entre celle-ci et la source froide. On en déduit la masse volumique du gaz. Si la tension sinusoïdale d'alimentation électrique n'a pas de composante continue, l'homme de l'art peut facilement montrer que la résistance électrique et la température de la structure chauffante sont décrites par la somme d'une fonction constante et d'une série de fonctions sinusoïdales de fréquences 2f, 4f, 6f, ...déphasées de φ2, q>4, φβ- Ces déphasages dépendent (entre autres) de la résistance thermique entre la structure chauffante et la source froide ou la partie massive du MEMS ou du petit composant. L'homme de l'art sait mesurer ces déphasages et en déduire une estimation de cette résistance thermique, et donc de la masse volumique du gaz. La sensibilité du déphasage φ2 de la première harmonique (de fréquence 2f) à la valeur de la résistance thermique entre la structure chauffante et la source froide est maximale quand le temps de réponse thermique de la structure par rapport à son environnement nominal est environ le quart de la période du signal électrique d'excitation. Si la tension sinusoïdale d'alimentation électrique a une composante continue non nulle, l'homme de l'art peut facilement montrer que la résistance électrique et la température de la structure chauffante sont décrites par la somme d'une fonction constante et d'une série de fonctions sinusoïdales de fréquences f, 2f, 3f, 4f,... déphasées de φi, φ2, <p3, <p4 ... Ces variations et déphasages de résistance sont mesurables par l'homme de l'art via des mesures des variations et déphasages des courant qui traversent la résistance. Ces déphasages dépendent (entre autres) de la résistance thermique entre la structure chauffante et la source froide ou la partie massive du MEMS ou du petit composant. L'homme de l'art sait mesurer ces déphasages et en déduire une estimation de cette résistance thermique, et donc de la masse volumique de gaz . A titre d'exemple, dans le cas où la composante continue du signal appliqué est nulle, l'homme de l'art peut aisément montrer qu'une première approximation grossière du déphasage (retard) de la température de la structure chauffante par rapport au carré de la tension d'alimentation, en négligeant entre autres les effets de la dépendance non linéaire de la conductibilité électrique de la structure chauffante avec la température, est donnée par

φi = arctg[ (ω0 - Qo.γ ) /ω] - π/2

U

avec K : conductance thermique totale entre la structure chauffante et la source froide, M : masse thermique de la structure chauffante, Cp : capacité calorifique moyenne de la structure chauffante, s : conductance électrique (inverse de la résistance électrique) de la structure chauffante, T : température, ω : pulsation de la fréquence sinusoïde d'alimentation électrique, U0 : amplitude de la fréquence sinusoïdale d'alimentation électrique, R0 : valeur de la résistance électrique de la structure chauffante à la température moyenne. Un avantage de cet exemple de mise en œuvre de l'invention est qu'il est souvent plus facile de mesurer un déphasage qu'un véritable temps de réponse thermique, comme proposé dans le troisième exemple de réalisation. S'il est possible de mesurer la température de la structure chauffante par une méthode indépendante, par exemple par l'incorporation dans la structure chauffante d'une sonde thermométrique, alors cet exemple de réalisation peut être utilisé même si la variation de la résistivité de la structure chauffante est faible ou nulle. Comme dans le cas du troisième exemple de réalisation, pour que cette solution soit suffisamment sensible à la masse volumique du gaz et que l'approximation précédente soit valable, il faut que le ratio du temps caractéristique de mise en équilibre thermique interne de la structure chauffante sur le temps caractéristique de mise en équilibre thermique de la structure chauffante par rapport à la source froide soit petit devant 1. (Ce ratio correspond à ce que les thermiciens nomment le nombre de Biot) . Si ce ratio est petit devant 1, les variations de la température à l'intérieur de la structure chauffante sont faibles devant la différence entre la température de la structure et la température de la source froide. Ce ratio peut être estimé par l'homme de l'art s'il connaît les propriétés thermiques et la géométrie de la structure et du gaz l'environnant. Un cinquième exemple de réalisation correspond à un montage en pont de Wheatstone et une mesure sinusoïdale. Cet exemple de réalisation reprend la structure chauffante du deuxième exemple de réalisation. Comme pour les troisième et quatrième exemples de réalisation, l'idée de base est de mesurer la résistance thermique entre la structure chauffante et la source froide grâce au fait qu'elle conditionne le temps de réponse thermique de cette structure. Une tension sinusoïdale de fréquence f, éventuellement additionnée d'une composante continue, est appliquée aux bornes d'alimentation du pont de Wheatstone, et on mesure la réponse temporelle (et en particulier son déphasage) sur la diagonale de mesure du pont de Wheatstone, ce qui permet d'avoir le temps de réponse thermique de cette structure et par conséquent la résistance thermique entre celle-ci et la source froide. On en déduit la masse volumique du gaz. Un avantage de cet exemple de mise en œuvre de l'invention est qu'il est souvent plus facile de mesurer un déphasage qu'un véritable temps de réponse thermique, comme proposé dans le troisième exemple de réalisation, et que la partie du signal de mesure dépendant de la masse volumique du gaz sur la diagonale de mesure du pont de Wheatstone est proportionnellement plus importante que dans le quatrième exemple de réalisation. Comme dans le cas des troisième et quatrième exemples de réalisation, pour que cette solution soit suffisamment sensible à la masse volumique du gaz, il faut que le ratio du temps caractéristique de mise en équilibre thermique interne des éléments du pont pour lesquels l'échange thermique est sensible à la pression du gaz sur le temps caractéristique de mise en équilibre thermique de ces éléments par rapport à la source froide soit petit devant 1. (Ce ratio correspond à ce que les thermiciens nomment le nombre de Biot) . Si ce ratio est petit devant 1, les variations de la température à l'intérieur de la structure chauffante seront faibles devant la différence entre la température de l'élément chauffant et la température de la source froide. Ce ratio peut être estimé par l'homme de l'art s'il connaît les propriétés thermiques et la géométrie de la structure et du gaz l'environnant. Les figures 3A à 3F sont des vues en coupe transversale illustrant un procédé de fabrication d'un dispositif comprenant un MEMS encapsulé et des moyens permettant la mise en œuvre du procédé de test d'étanchéité selon la présente invention. La figure 3A montre un substrat SOI 10 comprenant un support 11 en silicium supportant successivement une couche d'oxyde de silicium 12 (par exemple de 2 μm d'épaisseur) et une couche superficielle de silicium 13 (par exemple de 0,32 μm d'épaisseur) . Par une technique de lithographie et de gravure, des logements sont gravés au travers des couches 12 et 13. Chaque logement peut avoir une section rectangulaire de 1 μm sur 3 μm. On réalise ensuite un dépôt de nitrure de silicium « faible contrainte » pour remplir les logements gravés précédemment et obtenir des plots d'ancrage 14 qui serviront à l'isolation électrique et au maintien mécanique de la structure. On procède ensuite à une épitaxie de silicium pour augmenter considérablement l'épaisseur de la couche superficielle de silicium. La figure 3B montre la couche de silicium 15 obtenue, dont l'épaisseur peut être de 25 μm. Au cours de cette épitaxie, les plots d'ancrage 14 sont entièrement recouverts de silicium. Sur les plots 14, il se forme donc des zones 16 de silicium, ces zones présentant localement plus de défauts cristallins que le reste de la couche épitaxiée. Par oxydation locale du silicium (LOCOS) , on délimite ensuite des zones d'oxyde 17 correspondant aux futures pistes conductrices et aux zones qui devront être découplées capacitivement du cœur du dispositif. Une couche de nitrure de silicium 18 est ensuite déposée sur les zones d'oxyde 17 afin de les protéger d'une étape postérieure de gravure. On procède ensuite à des étapes de lithographie et de gravure profonde, par exemple par gravure ionique réactive (RIE) , de la couche de silicium 15 (voir la figure 3C) pour dégager des parties constitutives du MEMS (qui est par exemple un accéléromètre) et des parties constitutives du capteur de masse volumique. Cette gravure se fait dans toute l'épaisseur de la couche de silicium 15 jusqu'à atteindre la couche d'oxyde enterré 12. La figure 3C montre les tranchées 19 gravées dans la couche de silicium 15. On effectue ensuite une planarisation et un rebouchage par le dépôt d'une couche de verre au phospho-silicate (PSG) . L'objectif est d'avoir une surface plane pour faciliter les étapes ultérieures. Cet objectif est atteint grâce au fluage du PSG qui rebouche les parties supérieures des tranchées 19. La couche de PSG subit des étapes de lithographie et de gravure pour permettre par la suite la prises de contact électrique des interconnexions. Une couche de silicium polycristallin est ensuite déposée sur la structure obtenue. On procède à des étapes de lithographie et de gravure de la couche de silicium polycristallin afin de constituer les électrodes et interconnexions du MEMS, ainsi que les résistances du capteur de masse volumique pour lesquelles les conditions d'échange thermique doivent être le plus indépendantes possible de la masse volumique du gaz dans la cavité. Ceci est vrai en particulier dans le cas d'un montage en pont de Wheatstone du capteur de masse volumique. La figure 3D montre la structure obtenue à ce stade de la fabrication. La référence 20 désigne la couche de PSG gravée. La référence 21 désigne la couche de silicium polycristallin gravée. On dépose ensuite une deuxième couche de PSG sur la structure obtenue. Ce dépôt peut être limité à la zone destinée à constituer la future cavité, comme le montre la figure 3E où la référence 22 désigne la deuxième couche de PSG. La deuxième couche de PSG est lithographiée et gravée pour définir des zones de bord par rapport à la cavité et en vue de la constitution de piliers de soutien du futur capot ou couvercle de la cavité (voir les trous 23) . Une couche de silicium polycristallin 24 est alors déposée sur la structure. Cette couche permettra de fournir un capot à la cavité. La couche 24 est soumise à une étape de lithographie et des tous 25 sont réalisés dans cette couche. Ils permettent de révéler la deuxième couche de PSG 22. On procède ensuite successivement à une gravure chimique de la deuxième couche de PSG 22, de la première couche de PSG 20 et de la couche d'oxyde enterré 12. Le résultat obtenu est représenté à la figure 3F. Les trous dans le capot 24 sont bouchés par des bouchons 26. On peut ensuite déposer, sur le capot 24, une ou plusieurs couches d'un matériau (par exemple du silicium polycristallin) pour rigidifier le capot et lui assurer une meilleure tenue mécanique. Un aspect très nouveau et utile dans la présente invention est le fait de pouvoir réaliser le capteur Pirani dans le même procédé de fabrication que l'élément actif objet principal du MEM lui-même. Aucune étape supplémentaire de procédé ni aucune modification de ce procédé n'est nécessaire. Il suffit d'adapter les masques pour dessiner des structures adaptées à la gamme de masse volumique qu'on désire mesurer. Le fait que cette structure puisse être réalisée sur du SOI épais entraîne que la grosse majorité des surfaces échangeant thermiquement de la puissance sont verticales. A surfaces d'échange égales, ceci implique un gain considérable de place en surface projetée « verticalement », donc en surface de la plaquette, permettant par exemple et entre autres de réserver le maximum de place à l'objet principal du MEMS. La gamme de masse volumique que le capteur de la présente invention peut mesurer dépend directement et principalement de l'intervalle entre les parties chauffantes et la source froide. En définissant le nombre de Knudsen Kn comme le rapport du libre parcours moyen d'une molécule de gaz divisé par l'intervalle géométrique, c'est-à-dire la distance entre les parois verticales des parties chauffantes et de la source froide, la sensibilité du capteur sera maximale pour environ 0,05 < Kn < 1. Le libre parcours moyen d'une molécule est une grandeur thermodynamique qui ne dépend que de la nature du gaz et de sa masse volumique. A titre d'exemple, elle est de l'ordre de 0,1 μm pour de l'air dans des conditions nominales (pression et température ambiante) . Cette gamme optimale en Knudsen peut aisément être traduite en dimension géométrique si on se donne a priori la gamme de masse volumique du gaz qu'on souhaite mesurer. Il suffit pour cela d' adapter la taille de la tranchée dans le SOI épais (soit l'intervalle géométrique, c'est-à-dire la distance entre les parois verticales des parties chauffantes et de la source froide) . On peut donc aisément baisser considérablement la masse volumique mesurable, jusqu'à des valeurs de l'ordre ou inférieures à ICT3 kg/m3. Pour baisser en gamme de masse volumique mesurable il suffit d' augmenter cet intervalle géométrique, ce qui est facile. La valeur minimale mesurable sera dans la pratique limitée par le fait qu'il est nettement préférable d'avoir un transfert thermique via la conduction au sein du gaz prédominant ou tout simplement important dans le transfert thermique total. Les deux autres modes de transferts thermiques qui interviennent sont les transferts radiatifs (qui dépendent fortement de l'état de surface des parois en regard et surtout de la puissance 4ieme de la température de la paroi chaude) et les transferts par conduction au sein des solides (connexions électriques et dispositifs de maintien mécanique) . Ces deux termes de transferts thermiques sont aisément calculables par l'homme de l'art. Il est très important de noter qu'il est tout à fait possible, et conseillé pour un certain nombre d'applications, de réaliser avec un même masque, et donc dans le même MEMS, une série de plusieurs capteurs Pirani, chacun étant adapté à sa gamme de masse volumique et l'ensemble couvrant une large gamme de masse volumique.