FR2859821A1 - Procede de realisation d'electrodes, circuit integre a electrode (s) protegee (s) et sonde electrochimique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de réalisation collective micro-électronique d'électrodes multicouches incorporées dans des circuits intégrés. On recouvre les flancs de chaque électrode (20, 21) d'un isolant électrique (36) de façon à empêcher les échanges électroniques et/ou ioniques via le milieu extérieur avec les flancs des différentes couches (32, 33, 39) de l'électrode (20, 21) s'étendant entre la face de support (22) et la face active (37, 38). L'invention concerne également un circuit intégré (12) ainsi réalisé et ses applications pour l'obtention d'une sonde de mesure électrochimique.

Description

PROCEDE DE REALISATION D'ELECTRODES, CIRCUIT INTEGRE A

ELECTRODE(S) PROTEGEE(S) ET SONDE ELECTROCHIMIQUE.

L'invention concerne un procédé de réalisation collective microélectronique d'électrodes multicouches incorporées dans des circuits intégrés.

L'invention s'étend à un circuit intégré comprenant au moins une électrode multicouche obtenue par un procédé selon l'invention. Elle concerne ainsi un circuit intégré comprenant au moins une électrode, dite électrode multicouche, formée d'une pluralité hétérogène de couches, c'est-à-dire comprenant au moins deux couches dont les matériaux constitutifs sont différents, superposées à partir d'une face de support, par exemple le fond d'une cavité électrolytique creusée dans un substrat, notamment un substrat à base de silicium.

Dans tout le texte, le terme "circuit intégré" ne désigne pas de façon limitative un circuit intégré purement électronique de type VLSI (à très haute densité d'intégration) mais s'étend de façon générale à tout composant pouvant être connecté dans un système électronique, et réalisé selon les technologies collectives de la microélectronique.

L'invention concerne aussi une sonde de mesure électrochimique comprenant un circuit intégré selon l'invention.

Il a déjà été proposé de fabriquer des circuits intégrés comprenant des électrodes selon les technologies de fabrication collective de la microélectronique, par gravure(s) et/ou dépôt(s) et/ou association(s) de différentes couches de matériau(x) à partir d'un substrat de silicium. De tels circuits peuvent en effet avantageusement former des micro-systèmes bénéficiant de la miniaturisation et de l'économie en fabrication collective à l'échelle industrielle des composants de la micro-électronique. En particulier, l'intégration sur silicium de capteurs électrochimiques représente un enjeu scientifique et industriel important depuis 1972. ("Development of an ion sensitive solid state device for neurophysiological measurement" P. Bergveld, IEEE Trans. Biomed. - Vol BME-17,70,1970).

Plusieurs types de capteurs sont concernés par cette évolution technologique: les structures de type MOS initialement proposées par 30 BERGVELD pour la réalisation de capteur de pH ISFET. Dans ce cas, les ions H+ chargent électriquement la surface de l'oxyde et l'interface Si-O proportionnellement à leur concentration. Cette charge est lue par la mesure de la variation de la conductivité ionique superficielle du silicium. Ce concept reste vrai pour toute interaction des surfacesmilieu à mesurer qui échangerait des ions. De cette généralisation est née l'idée de ChemFet qui consiste à mettre une couche de sensibilisation sur l'oxyde spécifique de l'espèce que l'on cherche à mesurer. De nombreux travaux de laboratoires ont exploré cette voie pour les ions Na+, K+, ... L'idée peut encore être approfondie en direction d'autres io espèces, par greffage sur la couche d'oxyde, de récepteurs spécifiques à chaque espèce. L'expérience montre que ces options sont possibles mais présentent des difficultés importantes à cause de la non sélectivité des interactions et de la difficulté rencontrée à reproduire en grande série de tels dispositifs.

Une deuxième lignée de dispositifs est concernée par la miniaturisation: ce sont les capteurs électrochimiques, qui comprennent deux ou trois électrodes baignant dans un milieu contrôlé, placées au contact au travers d'une membrane avec le milieu à explorer. Dans le cas le plus général (cellule de Clark), on utilise trois électrodes: une anode, une cathode et une électrode de référence. L'espèce à mesurer réalise un échange électronique avec la cathode et transporte par conduction les produits de réaction à l'anode pour y être neutralisé. Les réactions d'échange sont caractéristiques des matériaux en présence et des potentiels appliqués ce qui rend le capteur relativement sélectif Ces capteurs électrochimiques à électrodes existent pour de nombreuses espèces et ont fait la preuve de leur efficacité.

Ces capteurs à électrodes connaissent aussi un certain succès dans la mise en oeuvre de réactions plus complexes où interviennent des réactions enzymatiques. Dans ce cas, le capteur à électrodes mesure les espèces résultantes de la réaction enzymatique et, par ce fait, permet d'accéder à la concentration d'espèces primaires présentes dans le milieu à mesurer.

Tous ces capteurs à électrodes ne sont pas réalisés sous forme de circuits intégrés ou microsystèmes. La publication "From Layout to System Simulation: An Example of an Oxygen Sensor" H. Camon et al., LAAS Report N 98142, April 1998, démontre la possibilité de concevoir un microcapteur d'oxygène pouvant être utilisé comme composant principal d'une sonde numérique de mesure du taux d'oxygène dissous, et fournit un modèle de simulation d'un tel microcapteur. La réalisation concrète d'un tel microcapteur reste cependant soumise à des difficultés technologiques ("Procédé de réalisation du capteur d'oxygène micro-usiné" M. DILHAN et al, rapport LAAS N 97-211, juin 1997). On constate en particulier une réponse du capteur qui s'éloigne de la réponse attendue (donnée par exemple par une référence), sous l'influence d'effets parasites entre les électrodes et le milieu à mesurer.

L'invention vise donc à pallier ces inconvénients en proposant un procédé de réalisation et un circuit intégré permettant d'améliorer l'efficacité et la qualité du signal délivré par une électrode multicouche incorporée dans un tel circuit intégré.

Dans tout le texte on désigne par "électrode" tout élément solide d'un circuit présentant au moins une face active sur laquelle des échanges électroniques et/ou ioniques sont susceptibles de se dérouler -notamment dans le cadre d'une réaction électrochimique, la face active étant placée au contact d'un électrolyte liquide ou solide-. Pour la réalisation d'électrodes dans un circuit intégré, il est nécessaire de superposer plusieurs couches hétérogènes, c'est-à-dire dont deux au moins sont formées de matériaux différents (pour l'accrochage sur le silicium, la connexion aux pistes de sortie, le dépôt du métal final formant la face active de l'électrode...). Or, les inventeurs ont constaté que cette superposition de matériaux différents, de potentiels électrochimiques d'oxydoréduction distincts, pose des problèmes et provoque des courants parasites dans le fonctionnement de l'électrode.

L'invention vise aussi à proposer un procédé de réalisation et un circuit intégré compatibles avec une fabrication collective (plusieurs circuits intégrés simultanément) à l'échelle industrielle.

L'invention vise également à proposer une sonde de mesure électrochimique fournissant des résultats précis, fiables, simple à étalonner et à utiliser, de maintenance réduite, et de faible coût de fabrication. Elle vise en particulier à proposer une telle sonde fournissant des valeurs de mesure sous forme numérique directement exploitable par logiciel et/ou par un dispositif informatique.

Pour ce faire, l'invention concerne un procédé de réalisation collective micro-électronique d'électrodes, dites électrodes multicouches, dans lequel, pour former chaque électrode multicouche, on superpose une pluralité hétérogène de couches à partir d'une face de support destinée à faire partie d'un circuit intégré électronique, chaque électrode multicouche présentant une face extrême (de la dernière couche), dite face active, destinée à être le siège d'échanges électroniques et/ou chimiques avec un milieu extérieur venant au io contact de cette face active, caractérisé en ce qu'on recouvre les flancs de chaque électrode multicouche ainsi réalisée, d'un isolant électrique de façon à empêcher les échanges électroniques et/ou ioniques via le milieu extérieur avec les flancs des différentes couches de l'électrode s'étendant entre la face de support et la face active.

De la sorte, dans un procédé selon l'invention on garantit que les échanges électroniques et/ou ioniques ne peuvent s'effectuer que par sa face active avec le milieu extérieur au contact de cette face active, et entre les différentes couches superposées directement par l'intermédiaire de leurs faces en contact les unes avec les autres. On évite ainsi tout phénomène d'échanges électroniques et/ou ioniques parasites entre les flancs latéraux des différentes couches de l'électrode, via le milieu extérieur -notamment un électrolyte liquide ou solide, ou un gaz- venant au contact de l'électrode, ou entre chaque flanc latéral et le milieu extérieur.

Toute technologie de dépôt d'isolant sur les flancs de l'électrode peut être utilisée dans le cadre de l'invention, selon les applications, la nature des matériaux formant l'électrode... Parmi ces technologies on peut citer par exemple les dépôts par PECVD (Dépôt Chimique en Phase Vapeur sous Plasma) ; les dépôts par évaporation; pulvérisation; sol-gel; sérigraphie; centrifugation et photolithographie...

Avantageusement et selon l'invention, pour former ledit isolant électrique recouvrant les flancs de chaque électrode multicouche, on applique collectivement un matériau photosensible -notamment par centrifugation et photolithographie- -notamment une résine époxy du type SU-8-. Ainsi, l'application de cet isolant électrique est compatible avec une réalisation micro-électronique collective, c'est-à-dire sur plusieurs circuits intégrés simultanément, à l'échelle industrielle.

Les résines époxy constituent en effet d'excellents isolants électriques qu'il est par ailleurs facile de mettre en oeuvre de façon collective, dans un procédé de fabrication compatible avec celle de l'industrie microélectronique, notamment dans le cadre de la fabrication de circuits intégrés. Il est à noter cependant que ces résines époxy ne sont en général utilisées que pour io réaliser des couches épaisses ou ultra épaisses (500 m ou plus). Au contraire, dans le cadre de l'invention, l'épaisseur de résine utilisée est en général très faible, notamment de l'ordre de quelques microns.

Avantageusement et selon l'invention, on applique l'isolant électrique avec une épaisseur à partir des flancs comprise entre 1 m et 100 m 15 notamment de l'ordre de 10 m.

Avantageusement, un procédé selon l'invention est caractérisé en ce que, pour au moins une électrode multicouche du circuit intégré : - on réalise collectivement (c'est-à-dire pour plusieurs électrodes de plusieurs circuits intégrés simultanément) les couches successives superposées formant chaque électrode multicouche à l'exception de la dernière couche formant la face active, - on applique ensuite collectivement ledit isolant électrique recouvrant les flancs des couches déjà préalablement réalisées, - on réalise ensuite collectivement la dernière couche formant la face active de cette électrode multicouche. Avantageusement et selon l'invention, pour l'une au moins des électrodes, par exemple l'anode, la dernière couche est réalisée par dépôt électrolytique. Avantageusement, la dernière couche formant la face active de chaque électrode est formée d'un matériau électriquement conducteur, et en particulier du plomb déposé par voie électrolytique.

L'invention s'étend également à un circuit intégré comprenant au moins une électrode, dite électrode multicouche, formée d'une pluralité hétérogène de couches superposées à partir d'une face de support (faisant partie du circuit intégré), et présentant une face supérieure - notamment de matériau électriquement conducteur-, dite face active, destinée à être le siège d'échanges électroniques et/ou chimiques avec un milieu extérieur venant au contact de cette face active, caractérisé en ce que les flancs d'au moins une électrode multicouche -notamment de chaque électrode multicouche- sont recouverts d'un isolant électrique adapté pour empêcher les échanges électroniques et/ou ioniques via le milieu extérieur avec les flancs des différentes couches de l'électrode multicouche s'étendant entre la face de support et la face active. Ainsi, les échanges électroniques et/ou ioniques entre les différentes couches de chaque électrode multicouche ne peuvent pas s'effectuer via le milieu extérieur (qui peut être un électrolyte liquide ou solide, ou un gaz), ni entre les flancs des différentes couches superposées qui constituent l'électrode ni entre l'un de ces flancs et le milieu extérieur. Un circuit intégré selon l'invention peut être réalisé collectivement à l'échelle industrielle. Il peut comprendre plusieurs électrodes multicouches ainsi réalisées selon l'invention, ou au contraire une seule électrode multicouche réalisée selon l'invention. Il peut aussi comprendre une ou plusieurs électrodes non conformes à l'invention, selon les applications.

Avantageusement et selon l'invention, ledit isolant électrique est un matériau pouvant faire l'objet d'un dépôt collectif.

Avantageusement et selon l'invention, ledit isolant 25 électrique est un matériau photosensible, apte à être appliqué par centrifugation et photolithographie.

Avantageusement et selon l'invention l'épaisseur d'isolant électrique recouvrant les flancs de l'électrode multicouche est comprise entre 1 m et 100 m notamment et de l'ordre de 10 m.

Dans un circuit intégré selon l'invention, avantageusement, pour au moins une électrode multicouche, ledit isolant électrique couvre les flancs de toutes les couches à l'exception de celle formant la face active. De la sorte, l'aire de la face active au contact avec le milieu extérieur est optimisée, ce qui favorise les échanges électroniques et/ou ioniques avec ce milieu extérieur. En variante, il est néanmoins possible de recouvrir l'intégralité des flancs de toutes les couches de l'électrode multicouche, à condition néanmoins de veiller à ménager une portion de face active pouvant venir au contact du milieu extérieur.

Avantageusement et selon l'invention, la face active est formée par une couche de plomb.

Avantageusement, un circuit intégré selon l'invention est adapté pour pouvoir faire office de micro-capteur électrochimique. Ainsi, un circuit intégré selon l'invention est avantageusement caractérisé en ce que la face de supports et une face d'une cavité électrolytique contenant un électrolyte au contact de la face active de chaque électrode multicouche, de sorte que le circuit intégré constitue un micro-capteur de mesure électrochimique. L'électrolyte peut être un électrolyte liquide ou un électrolyte solide. Avantageusement et selon l'invention, la cavité électrolytique est refermée à l'opposé de la face de support par une plaque dotée d'un orifice à perméabilité contrôlée de communication avec un milieu, dit milieu de mesure, à l'extérieur du circuit intégré. Avantageusement et selon l'invention, la face de support est une face micro-usinée dans un substrat de silicium.

L'invention s'étend également à une sonde de mesure électrochimique de la teneur d'au moins un composé dans un milieu fluide, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un circuit intégré selon l'invention.

Une telle sonde électrochimique comprend un logement recevant au moins un circuit intégré selon l'invention adapté pour placer ce circuit intégré au contact du milieu de mesure dans des conditions telles que la communication avec l'orifice à perméabilité contrôlée de ce circuit intégré avec le milieu de mesure est autorisée, sans fuite parasite par un autre passage que cet orifice. La sonde comprend également des organes de connexion électrique du circuit intégré avec un dispositif extérieur, tel qu'un ordinateur, de traitement du signal délivré par la sonde.

L'invention s'étend également à un procédé, un circuit intégré et une sonde électrochimique caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou apparaissant ci-après.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, de ses exemples de réalisation donnés à titre non limitatif, qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles: - la figure 1 est une vue schématique d'une sonde de mesure électrochimique selon l'invention représentée en cours d'utilisation, - la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale de io l'extrémité d'une sonde de mesure électrochimique selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une vue schématique de dessus d'un mode de réalisation d'un circuit intégré selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 4 est une vue schématique en section selon la ligne IV-IV de la figure 3, le circuit intégré étant représenté monté sur une plaque de circuit imprimé, - la figure 5 est une vue schématique en section selon la ligne V-V de la figure 4, - la figure 6 est une vue schématique en section selon la ligne 20 VI-VI de la figure 4, - les figures 7a à 7e sont des vues schématiques en section représentant différentes étapes d'un procédé selon l'invention de réalisation d'électrodes multicouches sur la partie inférieure du circuit intégré selon l'invention représenté figures 4 à 6.

Sur les figures les échelles, tant en épaisseur qu'en largeur, ne sont pas respectées, et ce à des fins d'illustration.

Sur la figure 1, on a représenté une sonde de mesure électrochimique 1 selon l'invention dont l'extrémité libre 2 est plongée dans un milieu de mesure 3, tel qu'un bain de liquide 3, pour la mesure du taux d'un composé contenu dans ce milieu de mesure 3, par exemple la teneur en oxygène dissous. La sonde 1 est formée d'un corps 4 globalement cylindrique refermé par un capot 5 d'extrémité axiale doté d'un orifice central 14 traversant ce capot 5. Le corps 4 est relié par un câble de connexion électrique 6 approprié à un dispositif informatique 7 qui recueille les valeurs mesurées et permet leur exploitation. La sonde 1 est de type numérique, c'est-à-dire incorpore un micro-capteur électronique formé d'un circuit intégré 12 selon l'invention, fournissant des valeurs de mesure.

La figure 2 représente en section l'extrémité libre 2 de la sonde 1 schématiquement. Le capot 5 est vissé sur le corps 4 cylindrique. Les différents fils conducteurs 8 du câble 6 de connexion qui arrivent à l'intérieur du corps 4 sont reliés aux logements femelles d'un connecteur femelle 9 porté à l'extrémité axiale 2 du corps 4. Ce connecteur femelle 9 reçoit une plaque de circuit imprimé 10 dotée de fiches mâles 11 adaptées pour s'enficher dans les logements femelles du connecteur femelle 9. La plaque de circuit imprimé 10 porte un circuit intégré 12 selon l'invention décrit plus en détail ci-après. La périphérie du circuit 12 est recouverte et entourée d'une couronne 13 de résine d'étanchéité telle qu'une résine époxy, qui couvre les parties latérales du circuit intégré 12 et la portion de la plaque de circuit imprimé 10 venant à la périphérie du circuit intégré 12, en les isolant de façon étanche de l'extérieur -notamment des traces éventuelles de milieu de mesure-.

Les valeurs de mesure fournies par le circuit intégré 12 sont délivrées au circuit imprimé 10 qui lui-même délivre un signal numérique, par exemple au format série RS 232. Le câble 6 de connexion peut donc être de type liaison série numérique, par exemple au format RS 232.

L'orifice 14 du capot 5 vient en regard d'un orifice 15 à perméabilité contrôlée du circuit intégré 12. Un joint d'étanchéité 42 est prévu 25 entre la face interne du capot 5, à la périphérie de l'orifice 14, et le circuit intégré 12, à la périphérie de l'orifice 15, comme représenté en figure 2.

Le circuit intégré 12 comprend une plaque inférieure 16 formée à partir d'un substrat de silicium, dans laquelle est gravée en creux une cavité électrolytique 17, et une plaque supérieure 18 recouvrant la cavité électrolytique 17. L'orifice à perméabilité contrôlée 15 du circuit intégré 12 est formé à travers la plaque supérieure 18. Une membrane semiperméable 19 est interposée entre la plaque supérieure 18 et la plaque inférieure 16, de sorte que Io l'orifice 15 communique avec l'intérieur de la cavité électrolytique 17 gravée en creux dans la plaque inférieure 16 par l'intermédiaire de cette membrane semi-perméable 19.

Des électrodes 20, 21, à savoir une anode 20 à face active 37 par exemple en plomb et une cathode 21 à face active 38, par exemple en or, sont portées par le fond 22 de la cavité électrolytique 17 qui fait office de face de support pour ces électrodes 20, 21. Le substrat de silicium formant le noyau 23 de la plaque inférieure 16 est recouvert d'une couche d'oxyde de silicium (S102) sur laquelle les électrodes multicouches 20, 21 sont formées. Des pistes 24, 25 électriquement conductrices, sont noyées entre une couche d'oxyde de silicium et une couche de nitrure de silicium pour relier chacune des électrodes 20, 21 à des plots 26, 27 de connexion externe débouchant vers le haut vers l'extérieur de la couche de nitrure de silicium pour la liaison électrique du circuit intégré 12 à l'aide de fils conducteurs 28, 29, à des pistes électriquement conductrices, 30, 31 de la plaque de circuit imprimé 10.

L'anode 20 s'étend longitudinalement en forme générale de U, de même que la partie 44 du fond 22 de la cavité électrolytique 17 qui porte cette anode 20. La cathode 21 est formée d'un plot placé sur une partie 43 du fond 22 de la cavité 17 surélevée par rapport à la partie 44, plus profonde, du fond 22 portant l'anode 20. En outre, la cathode 21 vient au moins sensiblement en regard de l'orifice 15 à perméabilité contrôlée. De la sorte, les composés qui traversent la membrane semi-perméable 19 viennent de façon privilégiée au contact de la cathode 21 qui est plus proche de l'orifice 15 que l'anode 20.

L'anode 20 et la cathode 21 sont formées toutes deux d'une première couche 32, par exemple de titane, qui vient recouvrir le fond 22 de la cavité 17 et réalise également la connexion aux pistes 24, 25. Cette première couche 32 est surmontée d'une deuxième couche 33 en matériau électriquement conducteur, par exemple en or, qui permet, sur la cathode 21, de former la face active 38 de cette cathode 21, et, sur l'anode 20, de former une couche métallique permettant ultérieurement la croissance du métal (plomb) formant la face active 37 de l'anode 20. Les plots 26, 27 conducteurs de connexion externe sont également de préférence réalisés par cette deuxième couche 33, dans des cavités préalablement gravées à travers la couche de nitrure de silicium.

Après réalisation de la deuxième couche 33, les flancs des deux couches 32, 33 sont couverts d'une résine formant un isolant électrique 36, de chaque côté des deux couches 32, 32 ainsi superposées à partir du fond 22 de la cavité électrolytique 17. Cette résine isolante est par exemple une résine époxy, notamment du type SU-8, déposée par photolithographie. En particulier, on peut utiliser une résine époxy NANO SU-8 2000 ou NANO SU-8 RESIST, commercialisée par la société MicroChem Corp. (Newton, Massachusset, USA). Tout autre matériau isolant électrique peut être utilisé en variante ou en combinaison, dès lors qu'il est susceptible de pouvoir être déposé par des technologies de la micro-électronique industrielle, collectivement, pour empêcher le développement de courants parasites qui pourraient se produire dans le milieu contenu dans la cavité électrolytique 17 au niveau des flancs des différentes couches de chaque électrode (entre ces flancs ou entre un flanc et le milieu de la cavité électrolytique 17). L'isolant électrique 36 peut être réalisé d'une seule couche d'une même résine. Rien n'empêche de prévoir un isolant électrique 36 formé de plusieurs couches et/ou de plusieurs matériaux. L'épaisseur de l'isolant électrique 36 peut être comprise entre 1 m et 100 m notamment de l'ordre de 10 m- Bien sûr, il n'est pas théoriquement nécessaire de couvrir l'intégralité des flancs des différentes couches constituant chaque électrode pour empêcher de tels courants parasites. En effet, en théorie, pour chaque couple de matériaux distincts constituant différentes couches de l'électrode, et ayant des potentiels électrochimiques distincts, il suffit que le flanc de l'une des couches soit protégé pour empêcher tout courant parasite dans ce couple électrochimique d'oxydoréduction. Néanmoins, compte tenu des dimensions extrêmement faibles des épaisseurs des couches constituant les électrodes, en pratique, le plus simple consiste à recouvrir l'intégralité des flancs des premières couches de chaque électrode, à l'exception éventuellement de la dernière couche qui forme la face active dont les flancs peuvent eux-mêmes concourir à augmenter l'air de la face active. Ainsi, dans l'exemple représenté, seuls les flancs de la première couche 32 et de la deuxième couche 33 s'étendant à partir du fond 22 de la cavité électrolytique 17 sont recouverts de l'isolant électrique 36, qui déborde légèrement vers l'intérieur sur les bords de la face supérieure de la deuxième couche 33. Pour la cathode 21 constituée uniquement de ces deux couches 32, 33, la partie résiduelle non recouverte par l'isolant 36 de la face supérieure libre de la deuxième couche 33 forme, pour cette cathode 21, la face active 38. Par contre, pour l'anode 20, la deuxième couche 33 est recouverte d'une dernière couche 39, par exemple en plomb, réalisée par dépôt électrolytique qui vient couvrir la portion de la face supérieure de la deuxième couche 33 laissée libre par l'isolant 36, et pour partie également les portions supérieures de l'isolant qui viennent à recouvrement partiel de la face supérieure de la deuxième couche 33. Les parties de cette dernière couche 39 au contact de l'électrolyte contenu dans la cavité électrolytique 17 constituent la face active 37 de l'anode 20.

Grâce à la présence de l'isolant électrique 36 sur les flancs des couches formant les électrodes 20, 21, seule la face active 37, 38 de la dernière couche 39, respectivement 33, formant l'électrode 20, respectivement 21, est au contact du milieu contenu dans la cavité électrolytique 17, c'està-dire de l'électrolyte. Dès lors, aucun courant parasite via ce milieu électrolytique par les flancs des différentes couches constituant les électrodes n'est possible, ce qui permet au circuit ainsi réalisé de fournir des valeurs de mesure précises et fiables.

Il va de soi que l'exemple décrit ci-dessus et représenté sur les figures n'est nullement limitatif et que d'autres matériaux peuvent être utilisés pour former les différentes couches des électrodes qui peuvent comporter plus ou moins de couches. La forme de la cavité électrolytique 17 peut varier et le milieu contenu dans cette cavité 17 peut également varier considérablement en fonction des applications envisagées. Le circuit intégré ainsi formé peut également être utilisé non seulement à titre de microcapteur de mesure électrochimique, mais également pour toute autre application où la présence d'électrodes réalisées sur un circuit intégré est nécessaire. Le circuit intégré 12 peut être formé par exemple d'une seule plaque telle que la plaque inférieure 16 portant les électrodes, dans le cas par exemple où l'on n'utilise pas d'électrolyte liquide.

L'exemple représenté constitue un microcapteur de mesure électrochimique qui peut avantageusement être utilisé pour mesurer le taux d'oxygène dissous dans le milieu de mesure 3. La mesure s'effectue par détection de l'intensité du courant entre l'anode 20 et la cathode 21, qui estdirectement proportionnelle à la teneur d'oxygène dissous dans le milieu de mesure placé au contact de l'orifice 15 du circuit intégré. L'oxygène dissous diffuse à partir du milieu de mesure 3 à travers la membrane semiperméable 19 et à travers l'électrolyte contenu dans la cavité électrolytique 17 afin d'être spontanément réduit à la surface de la cathode 21 générant ainsi le signal de mesure.

Les figures 7a à 7e illustrent différentes étapes d'un procédé de fabrication de la plaque inférieure 16 du circuit intégré 12 et donc de la réalisation des électrodes 20, 21. Sur ces figures, une seule plaque est représentée en section, mais il est bien entendu que ces différentes étapes de réalisation sont réalisées de façon collective sur une pluralité de plaques 16 simultanément à partir d'une même plaquette de silicium de plus grande dimension (tranche de silicium ou "wafer").

Le substrat de silicium 33, d'environ 525 m d'épaisseur par exemple, est tout d'abord nettoyé à l'acide concentré, rincé et séché, puis fait l'objet d'un dépôt de nitrure (Si3 N4) par LPCVD (dépôt chimique en phase vapeur à basse pression), par exemple de 800 Â d'épaisseur. On réalise ensuite une gravure de cette couche de nitrure au format de la cavité électrolytique 17 à réaliser par un masque approprié réalisé par photolithographie. Cette gravure est, par exemple, une gravure RIE (gravure ionique réactive) au CF4 pendant trois minutes suivie d'un nettoyage à l'acétone et d'étapes de rinçage et de séchage. On réalise ensuite deux étapes successives de gravure chimique dans un bain d'hydroxyde de potassium (KOH) pour graver la cavité électrolytique 17. Dans la première étape de gravure, on grave la partie la plus profonde 44 recevant l'anode 20, en forme de U vu de dessus, sur une épaisseur par exemple de l'ordre de 40 m. Dans une deuxième étape de gravure, après avoir ôté le nitrure de silicium sur la partie centrale 43 destinée à porter la cathode 21, on réalise l'attaque chimique de cette partie centrale 43 par l'hydroxyde de potassium sur une épaisseur par exemple de l'ordre de 10 m. Une telle attaque chimique peut être réalisée par exemple par une solution d'hydroxyde de potassium à 30% dans l'eau, à une température de l'ordre de 85 C, et selon une durée qui permet d'obtenir la profondeur de gravure souhaitée. Chaque étape d'attaque chimique est suivie traditionnellement d'étapes de rinçage, de décontamination à l'acide et de séchage.

Une fois la forme de la cavité électrolytique 17 obtenue par ces gravures chimiques, on réalise une attaque à l'acide fluorhydrique (HF) pour enlever tout le nitrure de silicium résiduel sur la plaque et mettre à nu le noyau 23 de silicium gravé à la forme de la cavité électrolytique 17. On dépose alors à nouveau une couche homogène d'oxyde de silicium par LPCVD, par exemple sur 6000 À, sur toute la périphérie de la plaquette. On réalise ensuite sur toute la plaque un second dépôt de poly-silicium par LPCVD, par exemple de 6000 À d'épaisseur, puis un dopage N maximum de cette couche, afin de réaliser une couche conductrice. Le dépôt LPCVD de poly-silicium s'effectue à une température par exemple comprise entre 580 et 650 C sous SIH4, le dopage N s'effectue par exemple par diffusion thermique à 1100 C sous POC13. On enlève ensuite l'oxyde de silicium éventuellement créé lors du dopage à l'aide d'une attaque à l'acide fluorhydrique, puis on procède aux étapes de rinçage et de séchage. Grâce à un masque approprié, on réalise ensuite une gravure RIE de cette dernière couche conductrice en poly-silicium dopé N afin d'obtenir les pistes conductrices 24, 25 destinées à relier les électrodes aux plots 26, 27. On obtient alors la plaque représentée figure 7a.

On réalise ensuite un nouveau dépôt de nitrure de silicium par LPCVD, par exemple sur 800 À, pour recouvrir ces pistes conductrices 24, 25. On réalise ensuite par gravure RIE de la couche supérieure de nitrure de silicium, des puits 40, 41 communiquant avec les pistes 24, 25, et on obtient le résultat représenté figure 7b.

On dépose ensuite successivement les deux couches métalliques 32, 33, par exemple par évaporation sous vide. La première couche 32 est par exemple réalisée par environ 1000 À de titane et vient tout d'abord combler les puits 40, 41 puis former une couche homogène sur tout le fond 22 de la cavité électrolytique 17 et à la partie supérieure de la plaque 16. La deuxième couche 33 est par exemple formée d'environ 5000 À d'or et vient recouvrir toute la première couche 32. On réalise ensuite, à l'aide d'un masque approprié préalablement déposé, une attaque chimique de ces deux couches métalliques de façon à obtenir la forme souhaitée pour les électrodes 20, 21. La deuxième s couche 33 d'or est par exemple gravée dans une solution d'iodure de potassium et et de d'iode (KI + I2) pendant 30 secondes. Après rinçage et séchage, la première couche 32 de titane est gravée par une solution d'acide fluorhydrique à 50% jusqu'à l'apparition de bulles. Après rinçage et séchage, on obtient le résultat représenté figure 7c, les première et deuxième couches 32, 33 des électrodes 20, 21 étant réalisées.

On réalise ensuite un nettoyage par plasma 02 pendant 2 minutes, puis une déshydratation dans une étuve pendant 10 minutes.

On dépose ensuite par centrifugation, une résine inverse époxy de type SU8 permettant de protéger les flancs de la première et de la deuxième couches 32, 33 des électrodes précédemment réalisées. On réalise ensuite le motif formant l'isolant électrique par photolithographie. Dans le cas d'une résine SU-8, on peut réaliser par exemple une étape de pré-recuit, puis une étape d'exposition, puis une étape de recuit, puis une étape de révélation, puis une étape de rinçage et de séchage, et enfin un recuit final.

En fait, l'étape de dépôt lithographique de la résine isolante 36 est similaire à la réalisation d'un dépôt de résine par photolithographie permettant de réaliser un masque avant une étape de gravure ou d'attaque chimique ou de dépôt par évaporation ou de dépôt électrolytique. Cette étape est donc extrêmement simple, bien maîtrisée par les techniques industrielles de fabrication de circuits micro-électroniques.. On peut déposer la résine isolante avec une grande précision d'épaisseur et de dimensionnement -notamment par contrôle de l'accélération et/ou de la vitesse de centrifugation, et choix de la viscosité de la résine-. On obtient alors le résultat représenté figure 7d.

Après avoir réalisé un nouveau masque approprié, on dépose la dernière couche 39 formant la face active 38 de l'anode 20 de plomb par dépôt électrolytique de 5 m de plomb, de façon connue en soi. On obtient alors le résultat représenté figure 7e.

A titre d'exemple, l'épaisseur totale de la plaque inférieure 16 peut être de l'ordre de 525 m, et son format peut être de l'ordre de 10 mm x 10 mm. Sur une plaquette de silicium d'origine de 10 cm (4 pouces) de format, on peut réaliser 36 plaques inférieures 16 simultanément.

La membrane semi-perméable 19 peut être collée sur la plaque supérieure 18 réalisée collectivement à partir d'une autre plaquette de silicium, puis l'ensemble est collé, par exemple par une colle d'étanchéité et/ou une résine époxy sur la plaque inférieure 16. Un électrolyte liquide ou solide étant intégré entre les deux plaques 16, 18 avant, pendant ou après leur collage.

Ainsi, un circuit intégré 12 selon l'invention n'est en général pas purement électronique, mais constitue plutôt un circuit généralement qualifié de "microsystème" dans la mesure où il forme un système pouvant présenter des fonctionalités autres qu'électroniques (notamment électrochimiques) grâce à la présence d'électrode(s), et ses éléments constitutifs étant réalisés avec une précision de l'ordre du micromètre ou de quelques micromètres (bien que de dimensions globales bien supérieures au micromètre).

Dans l'exemple représenté et décrit ci-dessus, le circuit intégré 12 peut faire office de micro-capteur de mesure du taux d'oxygène dissous dans le milieu 3.

Le circuit intégré 12 ainsi réalisé est appliqué sur la plaque 10 de circuit imprimé et les connexions par les fils 28, 29 sont réalisées de façon traditionnelle ("bounding"). La périphérie du circuit intégré 12, à l'exception de son orifice 15 de communication avec le milieu de mesure 3, est enrobée de la résine d'étanchéité 13 de façon à protéger les parties latérales de ce circuit intégré 12 de toute communication avec l'extérieur, et en particulier avec des fuites éventuelles de milieu de mesure 3.

La plaque de circuit imprimé 10 est placée dans le connecteur femelle 9 approprié porté par le corps 4 de la sonde, puis le capot 5 est vissé pour serrer l'ensemble axialement par l'intermédiaire du joint 42.

Une telle sonde de mesure électrochimique est extrêmement simple dans son utilisation, son étalonnage, et sa maintenance. En effet, l'étalonnage peut être simplement réalisé à l'air, et est simple et rapide. A l'utilisation, il suffit de connecter le câble 6 à un ordinateur 7, au port série approprié, et de plonger la sonde dans le milieu de mesure 3. En cas de défaillance du circuit intégré 12, il est extrêmement facile de dévisser le capot 5 et de changer purement et simplement la plaque de circuit imprimé 10 portant le circuit intégré 12.

Il est à noter que la plaque de circuit imprimé 10 peut porter plusieurs circuits intégrés, notamment d'autres circuits intégrés que le circuit intégré 12 selon l'invention, par exemple un micro-capteur de température, ou autres. Elle peut également porter des circuits électroniques de prétraitement ou de traitement du signal.

La fabrication collective de tels circuits intégrés 12, fournissant des mesures parfaitement précises et fiables, permet d'en abaisser les coûts considérablement et de rendre ces technologies compétitives par rapport aux capteurs analogiques antérieurement connus.

L'invention peut faire l'objet de très nombreuses variantes par rapport aux modes de réalisation représentés sur les figures et décrits ci-dessus. Elle peut également faire l'objet de très nombreuses applications autres que la mesure du taux d'oxygène dissous, non seulement pour l'obtention d'une sonde de mesure électrochimique, mais également dans toutes les applications où l'utilisation d'un circuit intégré incorporant au moins une électrode multicouche est utile.

Claims (17)

REVENDICATIONS

1/ Procédé de réalisation collective micro-électronique d'électrodes, dites électrodes multicouches (20, 21), dans lequel, pour former chaque électrode multicouche (20, 21), on superpose une pluralité hétérogène de couches (32, 33, 39) à partir d'une face de support (22), destinée à faire partie d'un circuit intégré électronique (12), chaque électrode multicouche (20, 21) présentant une face supérieure de matériau, dite face active (37, 38), destinée à io être le siège d'échanges électroniques et/ou chimiques avec un milieu extérieur (17) venant au contact de cette face active (37, 38), caractérisé en ce qu'on recouvre les flancs de chaque électrode multicouche (20, 21) ainsi réalisée d'un isolant électrique (36) de façon à empêcher les échanges électroniques et/ou ioniques via le milieu extérieur (17) avec les flancs des différentes couches (32, 33, 39) de l'électrode (20, 21) s'étendant entre la face de support (22) et la face active (37, 38).

2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour former ledit isolant électrique (36) recouvrant les flancs de chaque électrode multicouche (20, 21), on applique collectivement un matériau photosensible.

3/ Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on applique l'isolant électrique (36) avec une épaisseur à partir des flancs comprise entre 1 m et 100 m notamment est de l'ordre de 10 m.

4/ Procédé selon l'une des revendications 1 à3, caractérisé en ce que, pour au moins une électrode multicouche (20) du circuit intégré (12) : on réalise collectivement les couches successives superposées (32, 33) formant cette électrode multicouche (20), à l'exception de la 30 dernière couche (39) formant la face active (37), - on applique ensuite collectivement ledit isolant électrique (36) recouvrant les flancs des couches (32, 33) déjà préalablement réalisées, - on réalise ensuite collectivement la dernière couche (39) formant la face active (37) de cette électrode multicouche (20).

5/ Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que pour l'une au moins des électrodes, la dernière couche (39) est réalisée par dépôt électrolytique.

6/ Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que la dernière couche (39) est formée de plomb.

7/ Circuit intégré comprenant au moins une électrode, dite électrode multicouche (20, 21), formée d'une pluralité hétérogène de couches (32, 33, 39) superposées à partir d'une face de support (22) et présentant une face supérieure, dite face active (37, 38), destinée à être le siège d'échanges électroniques et/ou chimiques avec un milieu extérieur (17) venant au contact de cette face active (37, 38), caractérisé en ce que les flancs d'au moins une électrode multicouche (20, 21) sont recouverts d'un isolant électrique (36) adapté pour empêcher les échanges électroniques et/ou ioniques via le milieu extérieur avec les flancs des différentes couches (32, 33, 39) de l'électrode multicouche (20, 21) s'étendant entre la face de support (22) et la face active (37, 38).

8/ Circuit intégré selon la revendication 7, caractérisé en ce que les flancs de chaque électrode multicouche (20, 21) sont recouverts dudit isolant électrique (36).

9/ Circuit intégré selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que ledit isolant électrique (36) est en matériau pouvant faire l'objet d'un dépôt collectif.

10/ Circuit intégré selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que ledit isolant électrique (36) est en matériau photosensible.

11/ Circuit intégré selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que l'épaisseur d'isolant électrique (36) recouvrant les flancs de l'électrode multicouche est comprise entre 1 m et 100 m notamment et de l'ordre de 10 m.

12/ Circuit intégré selon l'une des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que ledit isolant électrique (36) couvre les flancs de toutes les couches pour au moins une électrode multicouche (20), à l'exception de celle (39) formant la face active (37).

13/ Circuit intégré selon la revendication 12, caractérisé en ce que la face active (37) est formée par une couche (39) de plomb.

14/ Circuit intégré selon l'une des revendications 7 à 13, caractérisé en ce que la face de support (22) est une face d'une cavité électrolytique (17) contenant un électrolyte au contact de la face active (37, 38) de chaque électrode multicouche (20, 21), de sorte que le circuit intégré constitue un micro-capteur de mesure électrochimique.

15/ Circuit intégré selon la revendication 14, caractérisé en ce que la cavité électrolytique (17) est refermée à l'opposé de la face de support (22) par une plaque (18) dotée d'un orifice (15) à perméabilité contrôlée de communication avec un milieu, dit milieu de mesure (3), à l'extérieur du circuit intégré (12).

16/ Circuit intégré selon l'une des revendications 7 à 15, caractérisé en ce que la face de support (22) est une face micro-usinée dans un substrat (23) de silicium.

17/ Sonde de mesure électrochimique de la teneur d'au moins un composé dans un milieu fluide, caractérisée en ce qu'elle comprend au 20 moins un circuit intégré (12) selon l'une des revendications 7 à 16. 10