EP0587032B1 - Transducteur capacitif intégré - Google Patents

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EP0587032B1
EP0587032B1 EP93113955A EP93113955A EP0587032B1 EP 0587032 B1 EP0587032 B1 EP 0587032B1 EP 93113955 A EP93113955 A EP 93113955A EP 93113955 A EP93113955 A EP 93113955A EP 0587032 B1 EP0587032 B1 EP 0587032B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transducer according
electrode
layer
membrane
electret
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP93113955A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0587032A1 (fr
Inventor
Jean-Marc Moret
Johan Wilhelm Bergqvist
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Colibrys SA
Original Assignee
Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM filed Critical Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Publication of EP0587032A1 publication Critical patent/EP0587032A1/fr
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Publication of EP0587032B1 publication Critical patent/EP0587032B1/fr
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/005—Electrostatic transducers using semiconductor materials
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/01—Electrostatic transducers characterised by the use of electrets
    • H04R19/016—Electrostatic transducers characterised by the use of electrets for microphones
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R25/00—Deaf-aid sets, i.e. electro-acoustic or electro-mechanical hearing aids; Electric tinnitus maskers providing an auditory perception
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R25/00—Deaf-aid sets, i.e. electro-acoustic or electro-mechanical hearing aids; Electric tinnitus maskers providing an auditory perception
    • H04R25/60—Mounting or interconnection of hearing aid parts, e.g. inside tips, housings or to ossicles
    • H04R25/604—Mounting or interconnection of hearing aid parts, e.g. inside tips, housings or to ossicles of acoustic or vibrational transducers

Definitions

  • the invention relates to a capacitive transducer. integrated and more particularly such a transducer electret in which the electret exhibits excellent charge retention and in which the distribution of loads is homogeneous.
  • Such transducers are in particular intended for use as a microphone for prostheses hearing aids
  • transducers or microphones used generally we find mainly transducers capacitive, piezoelectric and electro-dynamic type.
  • the capacitive type transducers are distinguish by their sensitivity, their bandwidth, their stability and their low consumption and are, for these qualities, generally used in devices hearing aids.
  • these transducers can be made of silicon in relatively small dimensions which allow the prostheses in which they are used to be easily miniaturized so that they are easily integrated into the ear.
  • the transducers used in hearing aids currently on the market have dimensions of the order of 3.6 x 3.6 x 2.3 mm 3 .
  • Teflon ® does not support high temperatures, electrets made using this material are not easily compatible with silicon-based technologies used in the manufacture of the rest of the transducer structure.
  • the capacitive transducer electret comprises a rigid base made of silicon, carried by techniques analogous to those used in the manufacture of semiconductor devices and associated with a Mylar ® sheet (PET) forming the membrane of the transducer.
  • PET Mylar ® sheet
  • a layer of Si0 2 formed from the base and facing the membrane, in which charges have been implanted forms the electret.
  • the charge of the electret must be done before the membrane is attached to the base.
  • this charge must be carried out using costly implantation techniques, such as Corona implantation or electron beam implantation.
  • charging the electret before the membrane is reported on the base limits the choice of manufacturing techniques that can be used later on this charging step so as not to deteriorate this charge.
  • the bonding of the membrane to the base should be made at low temperature, for example, with epoxy glue.
  • an electret thus formed discharges quickly so that it is necessary to treat the surface of SiO 2 , for example, by means of silanization in order to reduce the surface conduction and thereby increase even charge retention in the SiO 2 layer.
  • the result of the latter remains ineffective due to its instability over time.
  • the main aim of the invention is therefore to remedy the disadvantages of the aforementioned prior art in providing a capacitive transducer with integrated electret, which has an electret structure allowing it to be homogeneously and simply electrically charged with good charge retention properties and the state of charge can be precisely controlled, both during and after manufacturing the transducer.
  • the transducer according to the invention can be, as the case if necessary, recharged, so that its lifespan is significantly increased compared to transducers at electret of the prior art.
  • Another object of the invention is to provide a electret transducer can be achieved using complementary technologies of micromechanics and microelectronics.
  • said transducer is characterized in that that said electret has a first layer conductive embedded in an insulating material.
  • the charges introduced into the layer conductive are distributed homogeneously therein.
  • the conductive layer embedded in a material insulation exhibits good retention characteristics of charges.
  • FIG. 1 we see a plan view partially torn off from an integrated capacitive transducer according to the invention which is designated by the reference general 1.
  • Figure 1 will be better understood by referring simultaneously with Figure 2.
  • the capacitive transducer 1 generally comprises a upper plate 2 comprising a first electrode 4, an intermediate plate 6 comprising a second fixed electrode 8 ( Figure 3) and a bottom plate 10 forming, on the one hand, a support structure for the assembly formed by the two plates 2 and 6 and, on the other share, a rear chamber 12 of the transducer.
  • the intermediate plate 6 is fixed, by means of a insulating spacer 14, to the upper plate 2 which is its turn fixed by its periphery to the support structure 10.
  • the spacer 14 separates the upper plate 2 from the intermediate plate 6, leaving an open space 16 between the two plates 2 and 6, and electrically insulates the plates 2 and 6 from each other.
  • the structure comprising plates 2 and 6, comprising electrodes 4 and 8, thus forms the element transducer capacitance 1.
  • the upper plate 2 has a frame 18 to the interior of which extends the electrode 4.
  • This electrode consists of a thin sheet, which is connected to the frame 18 by an inner edge 20.
  • the electrode 4 forms also the mobile part or membrane of the transducer 1.
  • the frame 18 and the electrode 4 advantageously have a structure monolithic and are made of a material semiconductor such as silicon.
  • this monolithic structure advantageously reduces sensitivity to variations temperature, thus increasing the reliability of the transducer.
  • frame 18 and the transducer membrane can be made in one piece and that the electrode 4 can be reported on the membrane.
  • the materials used for the frame and the membrane are not necessarily electrically conductive.
  • the upper plate 2 further comprises contact windows 22a-22d provided in the corners of the frame 18 for making electrical contacts with elements (described below) of the intermediate plate 6.
  • the edges of these contact windows 22a-22d are coated a layer of insulating material 26a-26d.
  • the intermediate plate 6 comprises, in addition to the electrode 8, an electret 30 comprising a first layer electrically conductive 32 embedded between two layers 34, 36 of an insulating material.
  • Electret 30 extends substantially opposite the membrane 4 of the top plate 2.
  • the plate 6 comprises a substrate 38 on the surface of which is a second layer electrically conductive forming the second electrode 8 fixed.
  • the electret 30 is arranged on the surface of the second electrode 8.
  • first insulating layer 34 the material layer insulator 34, in direct contact with the second electrode 8 will be called first insulating layer 34 and the layer of insulating material 36 extending opposite the part mobile 4 will be called second insulating layer 36.
  • the intermediate plate 6 is connected to the upper plate 2 by a plurality of arms 40a-40h extending from plate 6 and the end of which is located opposite frame 18 to which they are fixed by through the spacers 14.
  • the arms 40a-40h are formed by extensions of substrate 38 which extend respectively from the four corners of the plate 6 and from the middle of the sides of the plate 6.
  • this structure for fixing the intermediate plate 6 to the upper plate by arms contributes to increasing the sensitivity of the transducer 1 by minimizing the parasitic capacity formed by the parts of the fixed plate located in the vicinity of the frame 18.
  • a structure in connection with a membrane 4 having a thickness of the order of 3.65 x 10 -6 m makes it possible to achieve a sensitivity greater than 10mv / Pa.
  • the second conductive layer or electrode 8 extends to the surface an arm 40a to form at its end a surface of contact 42 of electrode 8 with the outside.
  • This surface 42 is of course not covered with layers insulating 34 and 36 and is located next to the window contact 22a.
  • the substrate 38 is made in lightly p-doped silicon with orientation ⁇ 100>
  • the second conductive layer 8 is formed by an n + doped region
  • the first and second insulating layers 34 and 36 are made of oxide of silicon
  • the first conductive layer 32 is made of doped polysilicon.
  • the plate 6 further comprises in its zone opposite the electrode or movable part 4, a plurality of holes through 44 regularly distributed in lines and columns. These holes 44 reduce the acoustic resistance between the membrane 4 and the plate 6 and provide, in combination with the open space 16, a device of the acoustic structure of the transducer 1; which significantly improves the acoustic properties of the last. It is indeed possible to adjust the frequency response, e.g. bandwidth, transducer by a judicious arrangement of these holes.
  • the intermediate plate 6 further comprises load means 46 and control means 48 of the charge of electret 30. We will refer more particularly in Figures 3, 5 and 6 to describe these means 46 and 48.
  • the charging means 46 of the electret 30 comprise a third electrically conductive layer 50 disposed on the surface of the substrate 38.
  • the layer 50 extends on the arm 40b and is isolated from the second electrode 8 by an extra thickness portion 52 of the first layer insulating 34.
  • the first insulating layer 34 is extended and covers part of the layer 50; the no part covered with the latter constituting a surface of contact 54, which is arranged next to the window contact 22b of the frame 18.
  • the first conductive layer 32 as well as the second insulating layer 36 extend also above layer 50. In this extension an injection area 56 is provided in which the thickness of the first insulating layer 34 between the conductive layers 32 and 50 is weak.
  • the injection will take place more favorably if the relationship between the capacitance, which is formed by the counter electrode 8, the first insulating layer 34 and the layer conductive 32 and the capacitance, which is formed by the conductive layer 50, said first insulating layer 34 and the conductive layer 32, is large.
  • the charging mechanism of the electret 30 is simpler than in the structures of the prior art and the charge can be easily checked and possibly adjusted after blow in order to obtain the desired charge density.
  • the loads are distributed evenly across the insulated conductive layer 32. Also these means of load simplify the entire manufacturing process of the transducer in that they allow to charge the electret like any last operation so we can implement wet and high process steps temperature without having to take into account a possible discharge of the electret.
  • Means for controlling the charge 48 of the electret 30 include a fourth layer electrically conductive 58 disposed on the surface of the substrate 38.
  • the layer 58 extends over the arm 40c and is isolated from the second electrode 8 by a shoulder 60 of the substrate 38. At this shoulder 60, the substrate 38 is separated of the conductive layer 32 by a part of less thickness 62 of the first insulating layer 34.
  • the first insulating layer 34 is extended and covers a part of the layer 58 and leaves a contact surface 64 (arranged opposite the contact window 22c of the frame contact 18).
  • the first conductive layer 32 thus that the second insulating layer 36 also covers part of layer 58 so the layer conductive 32, forming the part which holds the charges of the electret 30, extends at least above the part thinner 62 and be completely isolated from outside.
  • the structure of the load control means 48 thus forms a field effect transistor in which the source is formed by the conductive layer 8, the drain is formed by the conductive layer 58 and the grid is formed by the conductive layer 32.
  • the sourcedrain current being a function among other things of the burden of grid (layer 32), measuring this current allows easily determine the state of charge of the electret 30 and readjust it using the load means 46 if this is necessary.
  • the arm 40d comprises a part of substrate not covered by the insulating layers 34 and 36 forms a contact surface 66 which extends opposite contact window 22d and which allows you to control and to fix the potential of the substrate 38.
  • the lower plate 10 forming the support means of the capacitive element of the transducer 1 comprises a element of generally planar shape and on one side of which a cavity has been formed forming the rear chamber 12 which is arranged opposite the intermediate plate 6.
  • the cavity 12 includes a shoulder 68 which extends to its periphery substantially opposite frame 18 of the plate 6 and thus delimits a rim or rib 70 by which the lower plate 10 is connected to the upper plate 2.
  • the plate 10 has a monolithic structure and is, like frame 18, made of a semiconductor material such as silicon. The fixing of the plate 10 on the frame 18 can thus be produced by simple welding silicon on silicon.
  • the transducer of the invention has general dimensions of 2.3 x 2.3 x 1.0 mm 3 .
  • the surface of the mobile part is 2.0 x 2.0 mm 2
  • the thickness of the membrane is approximately 3.65 x 10 -6 m
  • the thickness of the intermediate plate 6 is approximately 10 x 10 -6 m
  • the thickness of the air film in the open space 14 is approximately 3 x 10 -6 m
  • the internal volume delimited by the cavity 11 is approximately 5 mm 3 .
  • the holes they have a diameter of approximately 30 x 10 -6 m and are approximately 400 per mm 2 so that they occupy approximately 28% of the surface of the membrane.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

L'invention concerne un transducteur capacitif intégré et plus particulièrement un tel transducteur à électret dans lequel l'électret présente une excellente rétention de charges et dans lequel la distribution de charges est homogène. De tels transducteurs sont notamment destinés à être utilisés comme microphone pour prothèses auditives
Parmi les transducteurs ou microphones utilisés généralement on trouve principalement des transducteurs de type capacitif, piézo-électrique et électro-dynamique. Parmi ceux-ci, les transducteurs de type capacitif se distinguent par leur sensibilité, leur bande passante, leur stabilité et leur faible consommation et sont, pour ces qualités, généralement utilisés dans les appareils auditifs.
Ces transducteurs capacitifs, bien que fonctionnant de façon satisfaisante, présentent l'inconvénient de nécessiter l'utilisation d'une polarisation externe qui doit être relativement élevée, à savoir, de l'ordre de quelques dizaines, voire quelques centaines de volts.
Pour pallier cet inconvénient on a proposé des transducteurs capacitifs à électret. Ces transducteurs, qui dominent actuellement le marché pour les applications aux prothèses auditives avec plus de 3 millions de pièces vendues par année, se caractérisent en ce qu'ils ne nécessitent pas de polarisation externe pour pouvoir fonctionner.
En effet, les charges électriques piégées, de façon quasi-permanente, dans une couche de matériau diélectrique sur un des substrats des électrodes du transducteur, suffisent à fournir la tension de polarisation nécessaire à son fonctionnement.
De plus, ces transducteurs peuvent être réalisés en silicium dans des dimensions relativement petites qui permettent, aux prothèses dans lesquelles ils sont utilisés, d'être facilement miniaturisées pour qu'elles soient facilement intégrées dans l'oreille. Typiquement, les transducteurs utilisés dans les prothèses auditives actuellement sur le marché ont des dimensions de l'ordre de 3,6 x 3,6 x 2,3 mm3.
La fabrication de ces transducteurs capacitifs à électret pose toutefois certains problèmes.
En effet, les électrets classiques, qui sont généralement formés dans des films de Teflon® (PTFE), présentent l'inconvénient de se décharger notablement au cours du temps. Ce processus de décharge, qui augmente avec la température et l'humidité, diminue la sensibilité du transducteur et affecte sa durée de vie.
En l'occurrence, il est nécessaire d'utiliser une couche de Teflon® de quelques 12 micromètres, ce qui diminue les performances générales du transducteur et augmente de façon désavantageuse l'épaisseur de l'ensemble du transducteur.
Par ailleurs, comme le Teflon® ne supporte pas les températures élevées, les électrets réalisés à l'aide de ce matériau sont difficilement compatibles avec les technologies du silicium utilisées dans la fabrication du reste de la structure du transducteur.
Une autre approche dite hybride est décrite dans la publication intitulée "Development of an electret microphone in silicon" de A. J. Sprenkels et al., dans la revue Sensors and Actuators, 17(1989) aux pages 509-512.
Dans cette publication, le transducteur capacitif à électret comprend une base rigide en silicium, réalisée par les techniques analogues à celles utilisées pour la fabrication de dispositifs semiconducteurs et associée à une feuille de Mylar® (PETP) qui forme la membrane du transducteur. Une couche de Si02, formée à partir de la base et en regard de la membrane, dans laquelle des charges ont été implantées forme l'électret.
Cette approche présente, toutefois, encore des inconvénients.
En effet, puisque la couche de Si02 est isolante, la charge de l'électret doit se faire avant que la membrane soit rapportée sur la base. En outre cette charge doit être effectuée à l'aide de techniques d'implantation coûteuses, telles que l'implantation Corona ou l'implantation à faisceau d'électrons.
De plus, le fait de charger l'électret avant que la membrane soit rapportée sur la base limite le choix des techniques de fabrication utilisables ultérieurement à cette étape de charge afin de ne pas détériorer cette charge. En particulier, le collage de la membrane sur la base doit être réalisé à basse température, par exemple, avec une colle epoxy.
Par ailleurs, on constate qu'un électret ainsi formé se décharge rapidement de sorte qu'il est nécessaire de traiter la surface de SiO2, par exemple, au moyen d'une silanisation afin de réduire la conduction de surface et augmenter par-là même la rétention des charges dans la couche de SiO2. Cependant, outre l'augmentation du coût de mise en oeuvre de ce traitement, le résultat de ce dernier demeure peu efficace du fait de son instabilité dans le temps.
Aussi, pour charger uniformément les deux types d'électret mentionnés ci-dessus, il est nécessaire d'utiliser des installations de charge qui puissent balayer la surface de l'électret. Là encore la mise en oeuvre de ces installations est coûteuse et constitue une contrainte de fabrication supplémentaire qu'il est souhaitable d'éliminer.
Enfin, la charge des types d'électret susmentionnés ne peut être ni modifiée, ni contrôlée après sa fabrication de sorte qu'il en résulte une durée de vie limitée de l'électret compte tenu des pertes de charge inévitables au cours du temps.
L'invention a donc pour but principal de remédier aux inconvénients de l'art antérieur susmentionné en fournissant un transducteur capacitif à électret intégré, qui présente une structure d'électret permettant d'être chargée électriquement de façon homogène et simple avec de bonnes propriétés de rétention de charge et dont l'état de charge peut-être contrôlé précisément, à la fois au cours et après la fabrication du transducteur.
Le transducteur selon l'invention peut être, le cas échéant, rechargé, si bien que sa durée de vie est considérablement augmentée par rapport aux transducteurs à électret de l'art antérieur.
Un autre but de l'invention est de fournir un transducteur à électret pouvant être réalisé en utilisant des technologies complémentaires de la micromécanique et de la microélectronique.
L'invention a donc pour objet un transducteur capacitif intégré comprenant:
  • une membrane comportant une partie mobile munie d'une électrode,
  • une plaque fixe comportant une contre-électrode,
  • une structure de support de l'électrode et de la contre-électrode,
ladite plaque fixe comportant en outre un électret, qui s'étend en regard de ladite partie mobile, et étant séparée de ladite membrane par un espace ouvert ménagé entre la plaque fixe et la membrane. L'ensemble de ces caractéristiques correspond à celles définies dans le préambule de la revendication 1 et sont déjà connues du document US-A-4 993 072.
Conformément à la partie caractérisante de la revendication 1, ledit transducteur est caractérisé en ce que ledit électret comporte une première couche conductrice noyée dans un matériau isolant.
Ainsi, les charges introduites dans la couche conductrice se distribuent de façon homogène dans celle-ci. De plus, la couche conductrice noyée dans une matière isolante présente de bonnes caractéristiques de rétention de charges.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaítront clairement à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation du transducteur donné à titre d'exemple non limitatif et en liaison avec les dessins annexés parmi lesquels :
  • la figure 1 est une vue schématique de dessus partiellement arrachée du transducteur capacitif à électret intégré selon l'invention;
  • la figure 2 est une coupe schématique selon la ligne II-II de la figure 1;
  • la figure 3 est une vue schématique de dessus de la plaque fixe munie d'un électret et formant contre-électrode dans laquelle les trous et la couche supérieure d'isolant ont été omis;
  • la figure 4 est une coupe partielle schématique agrandie, selon la ligne IV-IV de la figure 3, de la plaque fixe formant contre-électrode munie de l'électret avec la couche supérieure d'isolant;
  • la figure 5 est une coupe partielle schématique agrandie selon la ligne V-V de la figure 3 des moyens d'injection de charges dans l'électret avec la couche supérieure d'isolant; et
  • la figure 6 est une coupe partielle schématique agrandie selon la ligne VI-VI de la figure 3 des moyens de contrôle de l'état de charge de l'électret avec la couche supérieure d'isolant.
En se référant à la figure 1 on voit une vue en plan partiellement arrachée d'un transducteur capacitif intégré selon l'invention qui est désigné par la référence générale 1. La figure 1 sera mieux comprise en se référant simultanément à la figure 2.
Le transducteur capacitif 1 comprend généralement une plaque supérieure 2 comportant une première électrode 4, une plaque intermédiaire 6 comportant une deuxième électrode fixe 8 (figure 3) et une plaque inférieure 10 formant, d'une part, une structure de support de l'ensemble formé par les deux plaques 2 et 6 et, d'autre part, une chambre arrière 12 du transducteur.
La plaque intermédiaire 6 est fixée, au moyen d'une entretoise isolante 14, à la plaque supérieure 2 qui est à son tour fixée par sa périphérie à la structure de support 10. L'entretoise 14 sépare la plaque supérieure 2 de la plaque intermédiaire 6 en ménageant un espace ouvert 16 entre les deux plaques 2 et 6, et isole électriquement les plaques 2 et 6 l'une de l'autre.
La structure comprenant les plaques 2 et 6, comportant les électrodes 4 et 8, forme ainsi l'élément capacitif du transducteur 1.
La plaque supérieure 2 comporte un cadre 18 à l'intérieur duquel s'étend l'électrode 4. Cette électrode est constituée d'une feuille mince, qui est reliée au cadre 18 par un bord intérieur 20. L'électrode 4 forme aussi la partie mobile ou membrane du transducteur 1.
Dans l'exemple de réalisation décrit ici, le cadre 18 et l'électrode 4 présentent avantageusement une structure monolithique et sont réalisés en un matériau semiconducteur tel que le silicium.
On notera au passage que cette structure monolithique diminue de façon avantageuse la sensibilité aux variations de température, augmentant ainsi la fiabilité du transducteur.
Il va de soi que, selon une variante de l'invention, le cadre 18 et la membrane du transducteur peuvent être réalisés en une seule pièce et que l'électrode 4 peut être rapportée sur la membrane. Dans ce cas les matériaux utilisés pour le cadre et la membrane ne sont pas nécessairement électriquement conducteurs.
La plaque supérieure 2 comprend, en outre, des fenêtres de contact 22a-22d ménagées dans les coins du cadre 18 pour établir des contacts électriques avec des éléments (décrits ci-après) de la plaque intermédiaire 6. Les bords de ces fenêtres de contact 22a-22d sont revêtus d'une couche de matériau isolant 26a-26d.
Pour la description de la plaque intermédiaire 6 on se référera désormais également aux figures 3 à 6.
La plaque intermédiaire 6 comprend, outre l'électrode 8, un électret 30 comportant une première couche électriquement conductrice 32 noyée entre deux couches 34, 36 d'un matériau isolant. L'électret 30 s'étend sensiblement en regard de la membrane 4 de la plaque supérieure 2.
Plus précisément, la plaque 6 comporte un substrat 38 à la surface duquel se trouve une deuxième couche électriquement conductrice formant la deuxième électrode 8 fixe. Dans l'exemple représenté aux figures, l'électret 30 est disposé à la surface de la deuxième électrode 8.
Dans la suite de la description la couche de matériau isolant 34, en contact direct avec la deuxième électrode 8 sera dite première couche isolante 34 et la couche de matériau isolant 36 s'étendant en regard de la partie mobile 4 sera dite deuxième couche isolante 36.
Comme cela ressort plus particulièrement des figures 1 et 3, on voit que la plaque intermédiaire 6 est reliée à la plaque supérieure 2 par une pluralité de bras 40a-40h s'étendant à partir de la plaque 6 et dont l'extrémité se trouve en regard du cadre 18 auquel ils sont fixés par l'intermédiaire des entretoises 14.
Dans l'exemple décrit ici, les bras 40a-40h sont formés par des extensions du substrat 38 qui s'étendent respectivement à partir des quatre coins de la plaque 6 et à partir du milieu des côtés de la plaque 6.
On remarquera que cette structure de fixation de la plaque intermédiaire 6 à la plaque supérieure par des bras contribue à augmenter la sensibilité du transducteur 1 en réduisant au minimum la capacité parasite formée par les parties de la plaque fixe se trouvant au voisinage du cadre 18. A titre d'exemple, une telle structure en liaison avec une membrane 4 ayant une épaisseur de l'ordre de 3,65 x 10-6m permet d'atteindre une sensibilité supérieure à 10mv/Pa.
On notera également à ce propos que la deuxième couche conductrice ou électrode 8 s'étend à la surface d'un bras 40a pour former à son extrémité une surface de contact 42 de l'électrode 8 avec l'extérieur. Cette surface 42 n'est bien entendu pas recouverte des couches isolantes 34 et 36 et se trouve en regard de la fenêtre de contact 22a.
A titre d'exemple, le substrat 38 est réalisé en silicium légèrement dopé p et présentant une orientation de surface <100>, la deuxième couche conductrice 8 est formée par une région dopée n+, les première et deuxième couches isolantes 34 et 36 sont réalisées en oxyde de silicium, et la première couche conductrice 32 est réalisée en polysilicium dopé.
Comme cela ressort clairement des figures 1 et 2, la plaque 6 comprend, en outre, dans sa zone en regard de l'électrode ou partie mobile 4, une pluralité de trous traversants 44 régulièrement répartis en lignes et en colonnes. Ces trous 44 diminuent la résistance acoustique entre la membrane 4 et la plaque 6 et fournissent, en combinaison avec l'espace ouvert 16, un dispositif d'amortissement de la structure acoustique du transducteur 1; ce qui améliore sensiblement les propriétés acoustiques de ce dernier. Il est en effet possible d'ajuster la réponse en fréquence, par exemple la bande passante, du transducteur par une disposition judicieuse de ces trous.
La plaque intermédiaire 6 comprend en outre des moyens de charge 46 et des moyens de contrôle 48 de la charge de l'électret 30. On se référera plus particulièrement aux figures 3, 5 et 6 pour décrire ces moyens 46 et 48.
On notera que les couches isolantes 34 et 36 ont été omises dans la figure 3 pour des raisons de clarté.
Les moyens de charge 46 de l'électret 30 comprennent une troisième couche électriquement conductrice 50 disposée à la surface du substrat 38. La couche 50 s'étend sur le bras 40b et est isolée de la deuxième électrode 8 par une partie en surépaisseur 52 de la première couche isolante 34. La première couche isolante 34 se prolonge et recouvre une partie de la couche 50; la partie non recouverte de cette dernière constituant une surface de contact 54, qui est disposée en regard de la fenêtre de contact 22b du cadre 18. La première couche conductrice 32 ainsi que la deuxième couche isolante 36 se prolongent également au-dessus de la couche 50. Dans ce prolongement est ménagée une zone d'injection 56 dans laquelle l'épaisseur de la première couche isolante 34 entre les couches conductrices 32 et 50 est faible.
Ainsi, pour charger l'électret 30 il suffit d'appliquer une tension entre les surfaces de contact 42 (reliée à la contre-électrode 8) et 54 afin d'injecter, à travers la zone d'injection 56 en oxyde mince, des charges dans la couche 32 en polysilicium.
L'injection aura lieu plus favorablement si le rapport entre la capacité, qui est formée par la contre-électrode 8, la première couche isolante 34 et la couche conductrice 32 et la capacité , qui est formée par la couche conductrice 50, ladite première couche isolante 34 et la couche conductrice 32, est grand.
Ce mécanisme d'injection de charges à travers un oxyde mince est dit de type Fowler-Nordheim et est notamment décrit dans la publication JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOLUME 40, NUMBER 1 JANUARY 1969, intitulée "Fowler-Nordheim Tunneling into Thermally Grown Sio2" par M. Lenzlinger et E.H. Snow.
Grâce à la structure du transducteur décrite le mécanisme de charge de l'électret 30 est plus simple que dans les structures de l'art antérieur et la charge peut être facilement contrôlée et éventuellement ajustée après coup afin d'obtenir la densité de charges désirée. De plus, les charges se répartissent de façon uniforme dans la couche conductrice 32 isolée. Aussi ces moyens de charge simplifient l'ensemble du procédé de fabrication du transducteur en ce qu'ils permettent de charger l'électret comme toute dernière opération si bien que l'on peut mettre en oeuvre des étapes de procédé humide et à haute température sans avoir à tenir compte d'une éventuelle décharge de l'électret.
Les moyens de contrôle de la charge 48 de l'électret 30 comprennent une quatrième couche électriquement conductrice 58 disposée à la surface du substrat 38. La couche 58 s'étend sur le bras 40c et est isolée de la deuxième électrode 8 par un épaulement 60 du substrat 38. Au niveau de cet épaulement 60, le substrat 38 est séparé de la couche conductrice 32 par une partie de moindre épaisseur 62 de la première couche isolante 34. La première couche isolante 34 se prolonge et recouvre une partie de la couche 58 et laisse une surface de contact 64 (disposée en regard de la fenêtre de contact 22c du cadre de contact 18). La première couche conductrice 32 ainsi que la deuxième couche isolante 36 recouvrent également une partie de la couche 58 de sorte que la couche conductrice 32, formant la partie qui retient les charges de l'électret 30, s'étend au moins au dessus de la partie de moindre épaisseur 62 et soit complètement isolée de l'extérieur.
La structure des moyens de contrôle de la charge 48 forme ainsi un transistor à effet de champ dans lequel la source est formée par la couche conductrice 8, le drain est formé par la couche conductrice 58 et la grille est formée par la couche conductrice 32. Le courant sourcedrain étant fonction entre autres de la charge de la grille (la couche 32), la mesure de ce courant permet de déterminer facilement l'état de charge de l'électret 30 et de le réajuster à l'aide des moyens de charge 46 si cela est nécessaire.
On notera encore que le bras 40d comprend une partie de substrat non recouverte par les couches isolantes 34 et 36 forme une surface de contact 66 qui s'étend en regard de la fenêtre de contact 22d et qui permet de contrôler et de fixer le potentiel du substrat 38.
La plaque inférieure 10 formant les moyens de support de l'élément capacitif du transducteur 1 comprend un élément de forme générale plane et sur une des face duquel a été ménagée une cavité formant la chambre arrière 12 qui est disposée en regard de la plaque intermédiaire 6. La cavité 12 comprend un épaulement 68 qui s'étend à sa périphérie sensiblement en regard du cadre 18 de la plaque 6 et délimite ainsi un rebord ou nervure 70 par lequel la plaque inférieure 10 est reliée à la plaque supérieure 2. La plaque 10 présente une structure monolithique et est, comme le cadre 18, réalisée en un matériau semiconducteur tel que le silicium. La fixation de la plaque 10 sur le cadre 18 peut être ainsi réalisée par une simple soudure silicium sur silicium.
Pour fixer les idées, le transducteur de l'invention a des dimensions générales de 2,3 x 2,3 x 1,0 mm3. La surface de la partie mobile est de 2,0 x 2,0 mm2, l'épaisseur de la membrane est d'environ 3,65 x 10-6 m, l'épaisseur de la plaque intermédiaire 6 est d'environ 10 x 10-6 m, l'épaisseur du film d'air dans l'espace ouvert 14 est d'environ 3 x 10-6 m, et le volume interne délimité par la cavité 11 est d'environ 5 mm3. Quant aux trous ils ont un diamètre d'environ 30 x 10-6 m et sont au nombre d'environ 400 par mm2 de sorte qu'ils occupent environ 28% de la surface de la membrane.

Claims (16)

  1. Transducteur capacitif intégré (1) comprenant:
    une membrane comportant une partie mobile (4) munie d'une électrode,
    une plaque fixe (6) comportant une contre-électrode (8),
    une structure de support (10) de l'électrode et de la contre-électrode,
    ladite plaque fixe (6) comportant en outre un électret (30) qui s'étend en regard de ladite partie mobile (4) et est séparée de ladite membrane par un espace ouvert (16) ménagé entre ladite plaque fixe (6) et ladite membrane (4),
    caractérisé en ce que ledit électret (30) comporte une première couche électriquement conductrice (32) noyée dans un matériau isolant (34, 36).
  2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de charge (46) de l'électret (30) intégrés dans ladite plaque (6).
  3. Transducteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite plaque (6) comporte un substrat (38) et en ce que ladite contre-électrode est formée d'une deuxième couche électriquement conductrice (8) disposée sur une face du substrat (38).
  4. Transducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'électret (30) est disposé à la surface de ladite contre-électrode (8) et en ce que ladite première couche conductrice (32) est disposée entre une couche de matériau isolant (34) en contact avec la contre-électrode (8) dite première couche isolante et une couche de matériau isolant (36) en regard de la membrane dite deuxième couche isolante.
  5. Transducteur selon l'une des revendications 2 et 3, 4, quand ces dernières sont dépendantes de la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de charge (46) comprennent une troisième couche électriquement conductrice (50) disposée à la surface dudit substrat (38) et qui est isolée de ladite contre-électrode (8) par une surépaisseur (52) de la première couche isolante (34), et une zone de moindre épaisseur (56) ménagée dans ladite première couche isolante (34) au-dessus de laquelle s'étend la première couche conductrice (32).
  6. Transducteur selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de contrôle (48) de l'état de charge de l'électret (30) intégrés dans ladite plaque fixe (6).
  7. Transducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle (48) comprennent une quatrième couche (58) électriquement conductrice disposée à la surface dudit substrat (38) et isolée de ladite contre-électrode (8) par une zone en surépaisseur (60) du substrat (38).
  8. Transducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite plaque fixe (6) est reliée à la membrane (4) par une pluralité de bras (40a - 40h) s'étendant à partir de ladite plaque (6).
  9. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 4 à 7 en combinaison avec la revendication 8, caractérisé en ce que les deuxième, troisième et quatrième couches conductrices (8, 50, 58) s'étendent chacune au moins sur un des bras de suspension (40a - 40h) de ladite plaque fixe (6).
  10. Transducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la membrane (4) est reliée à un cadre (18) comprenant des fenêtres de contact (22a, 22b, 22c) pour permettre un contact isolé de l'électrode (4) et en ce que ladite plaque (6) est fixée, par ses branches (40a - 40h) et au moyen d'entretoise isolante (14), audit cadre (18).
  11. Transducteur selon l'une des revendications 9 ou 10 caractérisé en ce que les fenêtres de contact (22a, 22b, 22c) sont disposées en regard des bras (40a,40b,40c) comportant les deuxième, troisième et quatrième couches conductrices (8, 50, 58).
  12. Transducteur selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que le cadre comporte en outre une autre fenêtre de contact (22d) en regard d'un (40d) desdits bras de suspension (40a - 40h) pour établir un contact avec le substrat (38).
  13. Transducteur selon l'une des revendications 10 à 12 caractérisé en ce que la membrane (4) et le cadre (18) présentent une structure monolithique.
  14. Transducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite plaque fixe (6) comprend une pluralité de trous traversants (44) régulièrement répartis dans la plaque (6)
  15. Transducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite structure de support (10) comprend un élément plan muni d'une cavité (12) s'étendant en regard de ladite plaque (6) et dont les bords (70) sont fixés à la périphérie de la membrane (4).
  16. Transducteur selon la revendication 15 quand celle-ci est dépendante de la revendication 10 caractérisé en ce que ladite cavité (12) comprend un épaulement (68) s'étendant à sa périphérie sensiblement en regard dudit cadre (18).
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