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(11) | EP 1 308 969 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Micro-capteur inductif formé à plat sur un substrat |
| (57) Le micro-capteur inductif comprend sur un substrat (3) une micro-bobine (1) plane
formée par des segments conducteurs longs Si à rapport d'aspect élevé, chaque segment Si étant disposé par rapport au segment suivant Si+1 selon une direction perpendiculaire pour former une structure de type spirale à contour
globalement rectangulaire ou carré. Il est caractérisé en ce que chaque segment long
Si est raccordé au segment long suivant Si + 1 au moyen d'un segment court si formant avec les deux segments longs Si, Si + 1 des angles α et α' supérieurs à 90°. |
[0001] La présente invention a pour objet un micro-capteur inductif comprenant une micro-bobine formée à plat sur un substrat, et plus particulièrement un tel micro-capteur intégré à une plaquette de circuit microélectronique d'un dispositif inductif de détection ou de mesure.
[0002] Des bobines d'induction de grande taille, réalisées par enroulement d'un fil conducteur sur un noyau ayant un diamètre de l'ordre de 30 à 50 mm sont utilisées depuis longtemps dans l'industrie, par exemple pour détecter la proximité d'objets métalliques ou leurs défauts d'aspect. Ces bobines ont d'abord servi de modèle pour passer à une échelle plus petite, avec un diamètre de l'ordre du millimètre. Cette miniaturisation permet d'utiliser ces bobines dans des microsystèmes, pour de très nombreuses applications, par exemple pour réaliser des capteurs inductifs de proximité pour le comptage de pièces, pour des dispositifs de sécurité, ou pour des asservissements tel que le contrôle angulaire d'un moteur pas à pas d'un mouvement horloger. Ces bobines à fil enroulé permettent d'avoir encore un signal suffisamment élevé, mais la bobine elle-même présente encore un encombrement qui est un inconvénient dans certains applications, en particulier dans le domaine horloger où il est de règle pour tous les composants du mouvement d'avoir une hauteur la plus faible possible et d'occuper la plus petite surface possible.
[0003] Pour pallier l'inconvénient ci-dessus, ces micro-bobines ont alors été réalisées sous forme plane par conformation d'un matériau conducteur sur un substrat selon les techniques connues pour la réalisation des pistes d'un circuit imprimé. Tout naturellement, la bobine a été formée par un enchaînement de segments conduisant à une structure de type spirale à contour rectangulaire ou carré. On observe alors une forte réduction de l'inductance. D'après les travaux publiés par Ph. A. Passeraub & col. ("Metallic profile and coin imaging using an inductive proximity sensor microsystem" Sensors and Actuators A, vol. 66 (1998), pp 225-230 et "First integrated inductive proximity sensor with on-chip CMOS read out circuit and electrodeposited 1mm flat coil" Sensors Series, Eurosensors XII, vol. 1, Institute of Physics Publishing, Southampton, United Kingdom, 1998, pp 575-578), on obtient une inductance de 1,1µH (RS = 2,5 Ω) avec une bobine à fil enroulé comportant 23 tours et une inductance de 75nH (RS = 6,2 Ω) avec une bobine plane carrée de 1mm de côté comportant un enroulement à 10 spires de 10µm de haut et 20µm de large. Pour compenser cette perte en inductance, divers agencements ont été proposés pour augmenter le nombre de spires d'une bobine plane sans augmenter la surface occupée sur un substrat. Dans une demande de brevet japonais publiée sous le N° JP 57050410, il est proposé de construire par sérigraphie ou électrodéposition deux enroulements du type précédent, de part et d'autre du substrat, ces deux enroulements étant interconnectés à travers le substrat. Dans le brevet américain US 4,313,152, il est proposé d'avoir, d'un même côté du substrat, deux enroulements du type précédent superposés, imbriqués et séparés par un matériau isolant, c'est-à-dire des spires ici rectangulaires situées alternativement d'un côté et de l'autre du matériau isolant en ayant de multiples ponts d'interconnexion à travers le matériau isolant. De telles constructions sont à l'évidence complexes et se prêtent mal à une production de masse.
[0004] Avec les progrès réalisés dans la technique d'électrodéposition on a naturellement pensé à augmenter la hauteur des segments formant l'enroulement de type spirale carrée. Comme cela sera expliqué plus en détails dans la description qui suit les résultats obtenus ne sont pas totalement satisfaisants en raison du taux de rebut.
[0005] L'invention vise donc à pallier les inconvénients de l'art antérieur précité en procurant un micro-capteur ayant une bobine plane à enroulement de type spirale à contour rectangulaire ou carré, permettant d'avoir une inductance assez élevée, et pouvant être produite de façon simple avec un minimum de rebut.
[0006] A cet effet, l'invention a pour objet un micro-capteur inductif comprenant sur un substrat une micro-bobine plane formée par des segments conducteurs longs à rapport d'aspect élevé, chaque segment étant disposé par rapport au segment suivant selon une direction perpendiculaire pour former une structure de type spirale à contour globalement rectangulaire ou carré. La micro-bobine est caractérisée en ce que chaque segment long est raccordé au segment long suivant au moyen d'un segment court formant avec les deux segments longs des angles α et α' supérieurs à 90°.
[0007] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue de dessus d'un micro-capteur de l'art antérieur;
- la figure 2 est une représentation en perspective agrandie d'un angle du micro-capteur de la figure 1 selon un premier mode de réalisation;
- la figure 3 est une représentation en perspective agrandie d'un angle du micro-capteur de la figure 1 selon un deuxième mode de réalisation;
- la figure 4 est une vue de dessus d'un micro-capteur selon l'invention, et
- la figure 5 est une représentation en perspective agrandie d'un angle du micro-capteur de la figure 4.
[0008] Les figures 1 à 3 représentent un micro-capteur inductif de l'art antérieur permettant par exemple d'effectuer la détection angulaire d'un mobile dans un mouvement, comme cela est décrit par exemple dans le brevet européen EP 0 952 426. Le micro-capteur est constitué par une bobine plane 1 disposée sur la plaquette 3 d'un circuit imprimé (non représenté) comportant des plages de contact 5 permettant de transmettre des signaux, par exemple à une unité d'asservissement. La bobine plane 1 est formée par une enroulement de type spirale de segments Si formant entre eux un angle droit (α0 = 90°). Dans l'exemple représenté, la bobine plane 1 comporte un enroulement de 10 "spires". Les segments Si de cet enroulement sont réalisés par les techniques connues, telles que la sérigraphie ("screen printing") ou la photolithographie avec électrodéposition. Comme représenté à la figure 2, les segments ont un faible rapport d'aspect (quotient hauteur sur largeur inférieure à 1).
[0009] Avec un faible rapport d'aspect (par exemple H = 10µ et I = 20µ) le raccordement à angle droit d'un segment à l'autre ne pose pas de problème particulier, par contre, comme indiqué en préambule, on observe une forte réduction de l'inductance par rapport à une micro-bobine qui aurait sensiblement la même surface de base mais comporterait un plus grand nombre de spires.
[0010] Pour diminuer la résistance, et donc accroître la sensibilité du micro-capteur sans augmenter la surface occupée par la micro-bobine et sans faire appel aux solutions complexes évoquées en préambule, on peut songer à augmenter la section des segments Si, c'est-à-dire en fait leur hauteur H, comme représenté à la figure 3. L'avantage obtenu au niveau de l'inductance a comme contrepartie l'inconvénient de devoir écarter des lots de fabrication un pourcentage assez élevé de bobines défectueuses (évalué à 20 %), ce qui est économiquement désavantageux, et ce qui l'est encore plus lorsque lesdites bobines sont construites directement sur un circuit intégré. En effet, lorsque le rapport d'aspect est élevé (H/I > 1) et que des segments sont raccordés en formant un angle ≤ 90° il se produit fréquemment des fissures 7 au niveau du raccordement.
[0011] En se reportant maintenant aux figures 4 et 5, on voit que les inconvénients ci-dessus sont réduits, voire éliminés en "cassant" les angles de raccordement des grands segments Si par de petits segments si. Ainsi, l'angle α formé entre un grand segment Si et un petit segment s; et l'angle α' formé par le petit segment si et un grand segment Si+1 suivant est supérieur à 90°. L'enroulement étant de préférence régulier, l'angle α est de préférence égal à α', c'est-à-dire 135° pour toutes les zones de raccordement des grands segments Si.
[0012] Cette construction réduit évidemment légèrement la longueur de l'enroulement mais a une influence a peu près négligeable sur la diminution de l'inductance. A titre d'exemple, avec une micro-bobine plane carrée de 1mm de côté, construite selon l'art antérieur correspondant aux figures 1 et 3, comportant 10 "spires" avec des segments en or de 20µm de largeur et 30µm de hauteur on a une inductance de 75 nH et une résistance totale de 6,2 Ω. En construisant une micro-bobine ayant les mêmes caractéristiques que ci-dessus, mais en "cassant" les angles avec des petits segments de 50µm de longueur. On n'a pas observé de variation significative de l'inductance.
[0013] Les segments Si et si peuvent être réalisés par les techniques connues de photolithographie et d'électrodéposition. Ils peuvent également, et de préférence être réalisés par la technique de "bumping" consistant à déposer une couche supplémentaire d'or à la surface du circuit intégré, en particulier au dessus des zones des plages de contact, éventuellement au dessus de la dernière couche d'isolation. Cette technique permet, grâce à l'excellente conductibilité de l'or d'obtenir une interconnectivité optimale, ainsi que des valeurs de résistance extrêmement faibles pour les structures réalisées sur la couche d'isolation du circuit intégré.
1. Micro-capteur inductif comprenant sur un substrat (3) une micro-bobine (1) plane formée
par des segments conducteurs longs S; à rapport d'aspect élevé, chaque segment Si étant disposé par rapport au segment suivant Si + 1 selon une direction perpendiculaire pour former une structure de type spirale à contour
globalement rectangulaire ou carré, caractérisé en ce que chaque segment long Si est raccordé au segment long suivant Si + 1 au moyen d'un segment court si formant avec les deux segments longs Si, Si + 1 des angles α et α' supérieurs à 90°.
2. Micro-capteur inductif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les angles α et α' sont tous les deux égaux à 135°.
3. Micro-capteur inductif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat (3) est confondu avec la plaquette d'un circuit imprimé.
4. Micro-capteur inductif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les segments Si, si de la micro-bobine (1) sont formés en même temps que les pistes du circuit imprimé
par la technologie de bumping.