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Microsystème électromécanique

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Un accéléromètre MEMS.
Un capteur de pression MEMS (sur une pièce qui donne l'échelle).

Un microsystème électromécanique est un microsystème fabriqué à partir de matériaux semi-conducteurs. Il comprend un ou plusieurs éléments mécaniques et utilise l’électricité comme source d’énergie, en vue de réaliser une fonction de capteur ou d’actionneur, avec au moins une structure présentant des dimensions micrométriques ; la fonction du système étant en partie assurée par la forme de cette structure. Le terme systèmes microélectromécaniques 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 des techniques de la micro-électronique, les MEMS font appel pour leur fabrication aux microtechnologies, 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 airbags pour automobiles.

Histoire

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Les MEMS ont été développés au début des années 1970 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 techniques plus anciennes et constituent encore une part importante du marché des MEMS[1],[2]. 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[3], informatiques[4], chimiques, mécaniques[5], optiques[6]. Les MEMS sont le plus souvent à base de silicium, mais on utilise également d'autres matériaux suivant l'adéquation de leurs propriétés physiques à certaines applications, comme les métaux, les matériaux piézoélectriques, divers polymères, etc.[7]

Face au développement de ce domaine, on a vu apparaître des termes dérivés pour désigner des MEMS spécialisés :

  • dans le domaine optique on utilise le terme MOEMS (Micro Opto Electro Mechanical Systems) ou Optical MEMS ;
  • dans le domaine biologique on utilise bioMEMS.

On notera aussi un nouveau terme, NEMS (Nano Electro Mechanical Systems), Nanosystèmes en français, désignant des structures semblables aux MEMS mais de taille nanométrique.

Matériaux pour la fabrication de MEMS

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Silicium

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Le silicium est le matériau utilisé pour créer des circuits intégrés les plus utilisés dans l'électronique grand public dans l'industrie moderne. Les économies d'échelle, la disponibilité des matériaux de haute qualité à bas prix et la capacité d'incorporer la fonctionnalité électronique font du silicium un matériau attrayant pour un large éventail d'applications MEMS. Le silicium a également des avantages significatifs engendrés par ses propriétés matérielles. Sous la forme de monocristaux, le silicium est un matériau de Hooke presque parfait, ce qui signifie que, quand il est fléchi il ne subit pratiquement pas d'hystérésis et par conséquent pratiquement aucune dissipation d'énergie. De plus ce mouvement est répétable, ce qui rend également le silicium très fiable car il souffre très peu de fatigue et peut avoir des durées de vie de l'ordre de plusieurs milliards de milliards de cycles sans rupture.

Polymère

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Bien que l'industrie électronique fournit une économie d'échelle pour l'industrie du silicium, le silicium cristallin est encore un matériau complexe et relativement coûteux à produire. Les polymères d'autre part peuvent être produites en grandes quantités, avec une grande variété de caractéristiques des matériaux. Des dispositifs MEMS peuvent être fabriqués à partir de polymères par des procédés tels que le moulage par injection, le gaufrage ou la stéréolithographie et sont particulièrement bien adaptés à des applications microfluidiques tels que des cartouches d'analyse de sang jetables.

Métal

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Les métaux peuvent également être utilisés pour créer des éléments de MEMS. Bien que les métaux ne jouissent pas de tous les avantages mécaniques du silicium, ils peuvent présenter, dans les limites d'utilisation des MEMS, un degré de fiabilité très élevé. Les métaux peuvent être appliqués par électrodéposition, par vaporisation sous vide ou par pulvérisation cathodique. Les métaux couramment utilisés comprennent l'or, le nickel, l'aluminium, le cuivre, le chrome, le titane, le tungstène, le platine et l'argent.

Céramique

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Technique de fabrication

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Les techniques de fabrication des microsystèmes dérivent assez largement de celles de la microélectronique. Des Wafers de silicium sont généralement utilisés comme substrat, et les microsystèmes sont produits par une succession d'étapes d'épitaxie, de dépôt de résine, de photolithographie et d'attaque sèche ou humide.

Les principales spécificités des techniques de microsystèmes, comparées à la microélectronique, sont liées à la réalisation de parties mobiles, donc relativement détachées du substrat, ce qui s'obtient généralement par recours à une couche sacrificielle.

Composition

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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 électromécaniques jouent alors le rôle de l’interface entre les domaines mécanique et électrique. Les transducteurs électrostatiques ou capacitifs y sont utilisés le plus souvent, bien que l’on puisse rencontrer des interfaces électromécaniques basées sur des phénomènes magnétiques et thermomécaniques.

Exemples d'application

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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 :

Notes et références

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  1. ↑ capteurs sur le site de ST microelectronique
  2. ↑ Terry, Stephen Clark. "A gas chromatography system fabricated on a silicon wafer using integrated circuit technology." (1975).
  3. ↑ balance en MEMs sur le site esiee.fr
  4. ↑ microinformatique sur le site futura-sciences
  5. ↑ MEMs mécanique sur le site industrie.com
  6. ↑ micro-système optique sur le site chollet-han
  7. ↑ accéléromètre en papier sur le site etsinnovation.
  8. ↑ « Lemoptix MEMS scanning Micromirrors »(Archive.org • Wikiwix • Archive.is • Google • Que faire ?)
  9. ↑ Instrumentation-Mesure (CNAM, 2010). I-1-3. État de l'art des microsystèmes, p. 11.
  10. ↑ Cahiers du cinéma, n°hors-série, avril 2000, p. 32.
  11. ↑ (fr) Annonce concernant la manette de la Wii sur le site de ST Microelectronics.
  12. ↑ David Larousserie, Les capteurs électromécaniques : un domaine technologique en plein essor, Le Monde, 17 mars 2012
  13. ↑ Martine Parésys, Gilles Delapierre, le père des Mems, p. 38-39, Arts & Métiers Mag, octobre 2014, no 367
  14. ↑ micro-relais sur le site du CNRS

Voir aussi

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Articles connexes

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Bibliographie

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Liens externes

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Analogique
Numérique
Opto-électronique
Microélectronique MEMS
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