Microsystème électromécanique

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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 ; 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 de la technologie 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 coussins gonflables de sécurité pour automobiles (« Airbags »).

Histoire[modifier | modifier le code]

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 technologies plus anciennes et constituent encore une part importante du marché des MEMS[1]. 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[2], informatiques[3], chimiques, mécaniques[4], optiques[5]. 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 polymèresetc.[6].

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 sub-micrométrique.

Matériaux pour la fabrication de MEMS[modifier | modifier le code]

Silicium[modifier | modifier le code]

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, disponibilité des matériaux de haute qualité à bas prix et de la capacité d'incorporer la fonctionnalité électronique font silicium attrayant pour un large éventail d'applications MEMS. Le silicium a également des avantages significatifs engendrés par ses propriétés matérielles. Dans la forme de monocristaux, le silicium est un matériau de Hooke presque parfait, ce qui signifie que, quand il est fléchi il n'y a pratiquement pas d'hystérésis et par conséquent pratiquement aucune dissipation d'énergie. En plus de mouvement pour répétable, ce qui rend également du silicium très fiable car il souffre très peu de fatigue et peut avoir des durées de vie des services dans le domaine de milliards de milliards de cycles sans rupture.

Polymère[modifier | modifier le code]

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. 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[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

Technologie de fabrication[modifier | modifier le code]

Les technologies 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 résinage, de photolithographie et d'attaque sèche ou humide.

Les principales spécificités des technologies 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[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

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 ;
  • les matrice micro-miroirs qui définissent les pixels de certains modèles de vidéoprojecteurs ;
  • les micro-miroirs analogiques [1] développés par Lemoptix[7] qui remplaçent la matrice de micro-miroirs digitaux pour la vidéo projection
  • la première projection cinéma numérique publique d'Europe (2000) réalisée par Philippe Binant reposait sur l'utilisation d'un Optical MEMS[8] développé par TI[9] ;
  • les MEMS inertiels, comme les accéléromètres et les gyroscopes, 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 Nintendo[10], ou les smartphones[11],[12] ;
  • les vannes de contrôle microfluidiques ;
  • les micro-relais, le plus souvent à actionnement capacitif[13];
  • 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.
  • les commutateurs électro-holographiques utilisé en télécommunication optique pour isoler les longueurs d'ondes, pour le démultiplexage fréquantiel (FDM).

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. sensor sur le site de ST microelectronique
  2. balance en MEMs sur le site esiee.fr
  3. microinformatqiue sur le site futura-sciences
  4. MEMs mécanique sur le site industrie.com
  5. micro-systeme optique sur le site chollet-han
  6. accelerometre en papier sur le site etsinnovation.
  7. Lemoptix MEMS scanning Micromirrors
  8. Instrumentation-Mesure (CNAM, 2010). I-1-3. Etat de l'art des microsystèmes, p. 11.
  9. Cahiers du cinéma, n°hors-série, avril 2000, p. 32.
  10. (fr) Annonce concernant la manette de la Wii sur le site de ST Microelectronics.
  11. David Larousserie, Les capteurs électromécaniques : un domaine technologique en plein essor, Le Monde, 17 mars 2012
  12. Martine Parésys, Gilles Delapierre, le père des Mems, p. 38-39, Arts & Métiers Mag, Octobre 2014, no 367
  13. micro-relais sur le site du CNRS

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]