M.E.M.S

M.E.M.S
Micro-électronique Mécanique Système
Omar Cherif Lezzar
Omar Cherif Lezzar
I.
Introduction :
Imaginez une machine si petite qu'elle est imperceptible à
l'œil humain. Imaginez que vous travaillez avec une
machines de la taille d'un grain de pollen. Imaginez des
milliers de ces machines fabriqués sur une seule pièce de
silicium, pour seulement quelques centimes chacun.
Imaginez un monde où la gravité et l'inertie ne sont plus
importantes,
atomiques
mais
et
des
les
forces
sciences
de
surface dominent.
Imaginez une puce de silicium avec
des
milliers
de
miroirs
microscopiques de travail à l'unisson,
ce qui permet le réseau optique tous
et de supprimer les goulets d'étranglement de l'infrastructure mondiale des
télécommunications. Vous êtes maintenant dans le micro domaine, un monde
occupé par une explosion technologique connue sous le nom de MEMS. Un monde
de défis et d'opportunités, où les concepts d'ingénierie traditionnelle ont été
bouleversés, et le royaume du "possible" est totalement redéfini.
MEMS sont tranquillement changer la façon dont vous vivez, de manière que vous
ne pourriez jamais imaginer. Le dispositif qui détecte votre voiture a été dans un
accident, et les feux de l'airbag est un dispositif MEMS. La plupart des nouvelles
voitures ont plus d'une douzaine de dispositifs MEMS, rend votre voiture plus sûre,
plus économe en énergie, et plus respectueux de l'environnement. MEMS sont à
trouver leur chemin dans une variété de dispositifs médicaux et des produits de
consommation courante.
Un microsystème électromécanique est un microsystème comprenant un ou
plusieurs éléments mécaniques, utilisant l’électricité comme source d’énergie, en vue
de réaliser une fonction de capteur et/ou d’actionneur avec au moins une structure
présentant des dimensions micrométriques. et la fonction du système est en partie
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assurée par la forme de cette structure. Le terme systèmes micro électromécaniques
est la version française de l’acronyme anglais MEMS (Microelectromechanical
systems). En Europe, le terme MST pour MicroSystem Technology est également
d’usage, bien que nettement moins répandu.
Issus de la technologie de la micro-électronique, les MEMS font appel pour leur
fabrication aux micro technologies, qui permettent une production à grande échelle.
Ils sont utilisés dans des domaines aussi variés que l’automobile, l’aéronautique, la
médecine, la biologie, les télécommunications, ainsi que dans certaines applications
« de tous les jours » telles que certains vidéoprojecteurs, téléviseurs haute-définition
ou coussins gonflables de sécurité pour automobiles (« Airbags »).
II.
Historique :
Les MEMS ont été développés au début des
années 1970.
Le premier transistor MEMS a été fabrique
en 1967
Structure en or : grille mobile
Couche sacrificielle en Résine
Modulation du courant Id (MOS)
en tant que dérivés de la micro-électronique et leur première commercialisation
remonte aux années 1980 avec des capteurs de pression sur silicium qui
remplacèrent rapidement les technologies plus anciennes et constituent encore une
part importante du marché des MEMS. Depuis lors les MEMS ont connu un important
développement et restent encore en plein essor.
C'est un domaine de recherche relativement récent qui combine l'utilisation des
techniques électroniques, informatiques, chimiques, mécaniques, optiques. Les
MEMS sont le plus souvent à base de silicium, mais on utilise également d'autres
matériaux suivant
applications,
l'adéquation
comme
les
de
métaux,
leurs
les
propriétés
matériaux
physiques
à
certaines
piézoélectriques,
divers
polymères, etc.
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En 1997, grâce à l'expérience acquise dans d'autres secteurs, l'utilisation des MEMS
s'est
étendue
aux
communications
sans
fil
et
optiques.
La déclinaison des MEMS a donné de nouveaux termes, tels que, en matière optique
MOEMS, signifiant systèmes opto-électro-mécaniques, ou en matière médicale
biomes. Pour des raisons de simplicité, les spécialistes européens utilisent
également le terme générique de MST (technologie microsystèmes) pour désigner
les MEMS.
III.
Composition :
Les MEMS sont composés de mécanismes mécaniques (résonateurs, poutres,
micromoteurs, etc.) réalisés sur silicium à l’échelle micrométrique. Ces différents
éléments mécaniques sont mis en mouvement (actionnés) grâce aux forces
générées par des transducteurs électromécaniques. Ceux-ci sont alimentés par des
tensions produites avec des circuits électroniques avoisinants. Les transducteurs
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électromécaniques jouent alors le rôle de
l’interface entre les domaines mécanique
et
électrique.
électrostatiques
Les
ou
transducteurs
capacitifs
y
sont
utilisés le plus souvent, bien que l’on
puisse
rencontrer
électromécaniques
phénomènes
des
basées
interfaces
sur
magnétiques
des
et
thermomécaniques.
IV.
De la recherche à la fabrication :
Une des premières applications des MEMS fut un transistor à effet de champ à grille
résonnant conçu par Westinghouse en 1969. Même si ce produit s'est avéré être
principalement un objet de curiosité, il a marqué la naissance d'une technologie
devenue omniprésente. Au début des années 1970, les fabricants utilisaient des
plaquettes de substrat gravé pour produire des capteurs de pression. Des
expériences furent ensuite menées au début des années 1980 avec la technique du
micro-usinage pour créer des actionneurs en silicium polycristallin utilisés dans les
têtes de lecture de disque. A la fin des années 1980, le potentiel des MEMS devint
largement reconnu et leurs applications commencèrent à pénétrer plus avant le
monde
de
la
microélectronique
et
du
biomédical.
Dans les années 1990, les MEMS reçurent l'attention toute particulière des EtatsUnis et des agences gouvernementales commencèrent à soutenir des projets
MEMS. C'est ainsi que le Bureau de recherche scientifique de l'Armée de l'Air
(AFOSR) donna son appui pour de la recherche fondamentale sur les matériaux,
tandis que l'Agence de projets de recherche avancée pour la Défense (DARPA) créa
son service de fonderie en 1993. Dans le même temps, le NIST (Institut national des
normes et de la technologie) commença son aide aux fonderies civiles pour des
dispositifs MEMS et des composants CMOS (complementary metal-oxyde
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semiconductor).
A la fin des années 1990, les dispositifs MEMS étaient en phase de production à
grande échelle dans le monde entier. Des usines de semi-conducteurs dédiés à la
production de MEMS furent construites par des entreprises telles que Bosch ou
Motorola. L'intérêt du gouvernement américain pour les MEMS est toujours vif, qui
continue à subventionner des agences telles que la DARPA. Récemment, toute une
série de systèmes miniaturisés pour la navigation, le contrôle, la détection, la
propulsion, la computation des données et le contrôle thermique ont été envoyés
dans l'espace pour des contrôles de performances sur la mission américaine Space
Shuttle.
Aujourd'hui, la production en volume de MEMS concerne des domaines aussi variés
que la défense, le médical, l'électronique, les communications et l'automobile.
Ces MEMS peuvent fonctionner individuellement ou en matrices pour analyser
l'environnement puis déclencher et contrôler des actions sur celui-ci.
V.
La fabrication des MEMS :
La fabrication des MEMS de nos jours utilise des systèmes de fabrication de circuits
intégrés par lots et en grande quantité. Il existe plusieurs manières de fabriquer les
MEMS, dont le micro-usinage de surface, le micro-usinage de substrats, le microusinage par électro-érosion (EDM) et les technologies HARM telles que LIGA (un
acronyme allemand signifiant lithographie, electro-deposition par bain d'electrolytes
et moulage). Le micro-usinage de surface du silicium utilise les mêmes équipements
et procédés que dans l'industrie du semi-conducteur. Pour cette raison, cette
technique fut un des premières à être largement adoptée pour la fabrication des
MEMS. Des applications typiques pour cette méthode comprennent les actionneurs
et les moteurs électrostatiques. Dans le micro-usinage de substrats de silicium, les
structures sont créées en utilisant les techniques de gravure sur substrats de
silicium. Les applications utilisant cette technologie vont des miroirs aux
accéléromètres, tels que ceux utilisés pour le déploiement des airbags. Le microusinage par électro-érosion est une approche assez récente qui utilise des
techniques de production des ateliers de construction mécanique et qui offre la
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possibilité de fabriquer des pièces dans la plupart des matériaux conducteurs. Dans
le procédé dit LIGA, le plastique polyméthacrylate de méthyle (PMMA) est exposé
aux radiations à travers un masque. Cette technique a pour conséquence de retirer
une partie du PMMA et de laisser des structures qui sont ensuite électrogalvanisées.
Ces structures métalliques peuvent constituer le dispositif MEMS final ou peuvent
être utilisées comme des moules pour fabriquer des pièces avec d'autres plastiques.
Les dispositifs utilisant la technique LIGA comprennent les moteurs et les vitesses
électrostatiques.
VI.
Exemples d'application :
Si les laboratoires ont imaginé et produit un nombre immense de MEMS, avec des
applications
allant
de
l'électronique
à
la
biologie,
les
plus
importants
(industriellement) sont :
les injecteurs pour imprimantes à jet d'encre .
es micro-miroirs qui définissent les pixels de certains modèles de
vidéoprojecteurs .
la première projection cinéma numérique publique d'Europe (2000)
réalisée par Philippe Binant reposait sur l'utilisation d'un Optical MEMS
développé par TI1 .
les accéléromètres destinés à des domaines divers tels que
l'automobile ou plus récemment le jeu vidéo, comme la manette à
détection de mouvement de la console de jeu Wii de Nintendo2, ou le
téléphone iPhone d'Apple .
les vannes de contrôle microfluidiques .
les micro-relais, le plus souvent à actionnement capacitif.
les émetteurs/récepteurs acoustiques, comme les cMUTs (capacitifs)
ou les pMUTs (piézoélectriques) .
les capteurs de pression .
les filtres électromécaniques, qui isolent une fréquence du signal
d'entrée en utilisant la résonance d'un système masse-ressort.
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Les MEMS, ou systèmes micro-électro-mécaniques, ou encore microsystèmes, sont
des systèmes microscopiques, qui associent des éléments mécaniques, optiques,
électromagnétiques, thermiques et fluidiques à de l'électronique sur des substrats
semi-conducteurs. Ils assurent des fonctions de capteurs pouvant identifier des
paramètres physiques de leur environnement (pression, accélération …) et/ou
d'actionneurs pouvant agir sur cet environnement. Cette technologie permet
d'améliorer la performance des Produits, d'accroître la rapidité des systèmes, de
réduire la consommation d'énergie, de produire en masse, de miniaturiser et
d'accroître
la
fiabilité
et
l'intégration.
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La spécificité de la technologie MEMS tient donc à son paradoxe: celui d'offrir de
meilleures performances à de moindres coûts tout en miniaturisant.
Parallèlement, les MEMS, qui fournissent des solutions performantes dans les
applications quotidiennes, ont prouvé leur fiabilité inégalée de fonctionnement dans
des conditions extrêmes, et des environnements dits sévères. Ces derniers peuvent
être dûs à de violents chocs thermiques, à une pression importante, un milieu très
humide,
en
allant
du
corps
humain
à
l'espace.
Ces atouts font des MEMS le candidat idéal pour les solutions du futur d'un nombre
infini de marchés.
VII.
Une technologie qui a fait ses preuves dans le domaine
médicale :
les
progrès
récents
dans
les
systèmes
micro-électromécaniques
-
la
microélectronique, des technologies de microfabrication et de micro-usinage appelés
collectivement MEMS - est appliquée à des applications biomédicales et est devenu
un nouveau champ de recherche vers lui-même, connu sous le nom BioMEMS. La
technologie est à l'origine basée sur la même technologie qui a été utilisé pour
fabriquer des puces informatiques de plus en plus performantes et moins coûteuses.
la technologie des MEMS a permis à faible coût, des dispositifs à fonctionnalité
élevée dans certaines régions couramment utilisés. BioMEMS applique ces
technologies et concepts dans divers domaines de la recherche biomédicale et la
médecine clinique. BioMEMS est une technologie habilitante pour la fonctionnalité de
plus en plus grande et la réduction des coûts dans les petits dispositifs pour
améliorer les diagnostics médicaux et les thérapies.
Avec une forte tradition d'innovation et de recherche, la clinique de Cleveland est
stratégiquement positionnée pour étudier et développer BioMEMS. En outre,
l'environnement de recherche à l' Institut de recherche Lerner est unique car il offre la
collaboration multidisciplinaire nécessaires, qui seront nécessaires pour la mise en
œuvre de nouvelles idées en BioMEMS succès.
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Les caractéristiques intrinsèques de BioMEMS promesse de la production de
miniatures, intelligent, et à faible coût de dispositifs biomédicaux qui pourrait
révolutionner investigation biomédicale et la pratique clinique. Par conséquent, une
poussée principale est la recherche sur le développement des nanotechnologies
BioMEMS et associés pour les applications cliniques telles que les instruments
chirurgicaux, la réparation des tissus, les organes artificiels, outils de diagnostic, des
implants de chimiothérapie, visant directement la zone cancéreuse de l'intérieur. « Le tout est
de bien cerner les limites de l'application thérapeutique des MEMS et de prendre garde à ne
pas les dépasser » et les systèmes de délivrance de médicaments.
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Etude et analyse de la structure génétique par détection de séquence d’ADN
-Identification de l’origine et du contenu (alimentation)
-Identification multiple (Ex : 12000 gènes identifiable sur 1cm²)
-identification de modifications génétiques (multiples)
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VIII.
Capteurs inertiels vibrants miniatures :
La miniaturisation et l'intégration des Mems vibrants : il s'agit là de chercher à
réaliser des Unités de Mesures Inertielles intégrées et ultra-compactes (applications
drones, microdrones par exemple). Ces recherches s'appuient à la fois sur
l'utilisation de matériaux semi-conducteurs permettant l'intégration de l'électronique,
des concepts innovants de capteurs (capteurs multi-axes à structure plane), des
études de faisabilité d'électroniques intégrées et des filières technologiques
compatibles avec l'intégration de l'électronique
IX.
Aérodynamique des turbomachines
La turbomachine de taille millimétrique est un
concept nouveau qui pourrait trouver des
applications dans les domaines de la micro
propulsion (drones) ou encore celui des
batteries à faible encombrement (ordinateurs
portables). Les méthodes de fabrication employées dans l’industrie des semi
conducteurs assurent aujourd’hui une production à faible coût pour les technologies
de type MEMS (Micro Electro Mechanical System). L’ONERA est engagé dans une
étude de faisabilité d'une micro-machine thermique. En collaboration avec d’autres
départements (DEFA), l’équipe Turbomachine réalise une simulation aérodynamique
d'une micro-turbine centripète.
Cette turbine basée sur la technologie
MEMS est conçue et étudiée à l’aide
d’un code de calcul Navier-Stokes 3D
(code elsA). En raison des dimensions
mises en jeu (environ 20 mm), la
machine fonctionne à faibles nombres
de Reynolds (entre 5000 et 50 000). Ce
type de configuration entraîne des
frottements à la paroi importants et des
Figure 1 : vue de la géométrie de la turbine et lignes de
courant
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transferts thermiques plus élevés que dans une turbine conventionnelle. En outre, la
technologie employée contraint la géométrie à être 2D (fig. 1). Afin d’optimiser les
performances, il est nécessaire de mieux comprendre les effets bas Reynolds. En
particulier, une étude a permis d’analyser les effets aérothermodynamiques en
fonction de différentes configurations rotor/stator (fig. 2) et a montré que la turbine
est capable d’atteindre une puissance de 100W, ce qui correspond à l’objectif fixé.
X.
Efficacité et Sécurité :
Alors qu'une des premières applications des MEMS ne consistait qu'en un simple
capteur de pression des pneus, les MEMS font désormais partie intégrante des
systèmes automobiles où ils remplissent des fonctions allant de l'accéléromètre pour
airbag aux capteurs de niveau de carburant, en passant par le contrôle de la
puissance de freinage et du moteur, et la réduction du bruit dans l'habitacle. Parmi
les dernières innovations en matière automobile figurent également les " pneus
intelligents " indiquant au conducteur qu'un des pneus est dégonflé 80 kilomètres
avant
XI.
que
ce
pneu
ne
doive
être
remplacé.
Fiabilité en conditions extrêmes :
Les applications d'environnements sévères, telles les sciences du vivant ou la
défense et l'aérospatiale, ont en commun des exigences accrues de fiabilité, de
sécurité et de miniaturisation, auxquelles la technologie des MEMS a su répondre
depuis
XII.
ses
débuts. Ces
marchés
sont
aujourd'hui en pleine
expansion.
Performance et miniaturisation :
Les MEMS peuvent assumer des fonctions
mécaniques, telles que des moteurs, des
pivots, des maillons ainsi que des composants
électriques
et
optiques,
comme
des
commutateurs, le tout sur une seule puce
d'une taille allant d'une douzaine de microns à
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une douzaine de millimètres. Ces capacités permettent aux solutions MEMS de
simplifier la conception, de réduire les coûts, d'améliorer les performances, réduire la
consommation énérgétique ainsi que de rétrécir la taille des systèmes et
composants.
Grâce à ces avantages, les MEMS sont en train de devenir une technologie de choix
pour le secteur des communications optiques et sans fil où les exigences rigoureuses
de performance, de coût et de fiabilité conduisent les sociétés à rechercher un
déploiement étendu des technologies de remplacement dans leurs réseaux optiques
et sans fil.
XIII.
La force des MEMS :
Les MEMS possèdent une capacité unique à recueillir l'information et à la traiter, à
déterminer le cours d'une action et à agir ensuite comme déclencheur en
communiquant au moyen d'une interface électronique. Ces capacités permettent aux
MEMS de fournir aux dispositifs dit "intelligents", les bases nécéssaires à leur
fonctionnement. C'est ainsi que l'on trouve des MEMS dans les systèmes de
prévention de collision et les systèmes téléphonique "mains libres". Les dispositifs
MEMS ne fonctionnent pas seuls : il s'agit avant tout de systèmes intégrés qui
permettent à un composant de remplir des fonctions plus évoluées (par exemple le
contrôle
du
mélange
air-carburant
dans
le
moteur
d'une
voiture).
Une caractéristique frappante de cette technologie est sa capacité à intégrer à la fois
des dispositifs MEMS et CMOS sur une même puce, que l'on appelle souvent un
MEMS intégré (IMEMS). Cette intégration de fonctions mécaniques, électriques et
optiques à la fois passives et actives sur une même puce est reconnue comme étant
la prochaine étape logique de solutions de systèmes complets sur puce unique.
Pourquoi une puce unique ? L'intégration de circuits électro-mécaniques, optiques et
électroniques sur une même puce simplifie la conception et la fabrication, tout en
améliorant la fiabilité en raison d'un nombre plus faible d'interconnexions et de
composants. Ainsi, cette approche peut offrir un coût plus faible que les autres
technologies, telles que les modules multipuces (MCM). Cette intégration avancée
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améliore également les performances de l'ensemble du système, car un nombre plus
faible d'interconnexions réduit les parasites du circuit.
XIV.
Conclusion :
Les MEMS sont une réalité…
Ils couvrent de nombreux domaines d’applications Pluridisciplinaire
Très fortes industrialisations pour les Capteurs «Microsystèmes»
Ils promettent des performances accrues pour les applications types RF ou
Optiques
Ils ont permis de très forte innovation pour le domaine de l’analyse «biomédico-chimique» qui est le secteur clé!!
Ils constituent l’étape intermédiaire qui mènera vers les nanotechnologies…
les NEMS…
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