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 2 Omar Cherif Lezzar 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. 3 Omar Cherif Lezzar 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 4 Omar Cherif Lezzar 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 5 Omar Cherif Lezzar 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 6 Omar Cherif Lezzar 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. 7 Omar Cherif Lezzar 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. 8 Omar Cherif Lezzar 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. 9 Omar Cherif Lezzar 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. 10 Omar Cherif Lezzar 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) 11 Omar Cherif Lezzar 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 12 Omar Cherif Lezzar 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 13 Omar Cherif Lezzar 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 14 Omar Cherif Lezzar 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… 15