Microsystèmes Électromécaniques

Un microsystème peut contenir un capteur de température, de l'électronique analogique pour la conversion des valeurs du capteur et de l'électronique numérique pour l'interfaçage avec d'autres puces, le tout intégré dans un seul composant électronique.

CHAPITRE I

Microsystèmes électromécaniques

8

Quand le microsystème comprend des parties mobiles, on emploie le terme de microsystème électromécanique.

I. 1.2. Microsystèmes électromécaniques (MEMs) :

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. Le terme microsystèmes électromécaniques est la version française de l'acronyme anglais MEMs (MicroElectroMechanical Systems). A l’origine, les MEMs sont issus de la microélectronique. C’est l’apparition de composants solides et miniaturisés (invention du transistor bipolaire en 1957 [3]) et de méthodes de fabrication des composants au silicium (procédé « planar » en 1960 [4]), qui a permis le développement des microsystèmes à partir des années 70 avec, par exemple, l’invention du premier MEMS en 1967 schématisé dans la figure I.1 (transistor MOS à grille résonante [5]).

Figure I.1 : Schéma du premier microsystème : un transistor MOS à grille résonante (1967) [5].

Les MEMs se différencient de la microélectronique par l’intégration des fonctions mécaniques. Ils représentent un assemblage, dans un même composant à faibles dimensions, d’un ou plusieurs capteurs et/ou actionneurs et de l’électronique associée au traitement de l’information. Les fonctions mécaniques présentes dans les MEMs peuvent être des membranes, des poutres, des ressorts,… réalisés sur silicium à l’échelle micrométrique afin de mesurer les

CHAPITRE I

Microsystèmes électromécaniques

9

paramètres environnementaux (capteurs) ou intéragissant avec le monde extérieur (actionneurs) grâce aux forces générées par des transducteurs électromécaniques. De manière générale, les microsystèmes électromécaniques sont des dispositifs dont on a réduit les dimensions à l’échelle micrométrique (approche top-down) intégrant ou combinant des éléments mécaniques et de l’électronique sur un même substrat.

I.1.2. Les atouts des microsystèmes :

L’intérêt suscite par les MEMs depuis les années 80 reposes sur leurs caractéristiques issues de la réduction des dimensions de ces dispositifs. D’un point de vue économique, la réduction des échelles (en masse et en volume) permet de limiter les encombrements et de multiplier les fonctionnalités sur un même substrat [6]. On peut, par exemple, intégrer en parallèle des capteurs capables de mesurer des paramètres d’environnement (pression, accélération,…) et des actionneurs (micromoteurs,…). De plus, leur mode de fabrication permet de les produire (facilement, rapidement et simultanément) en grande quantité et à faible coût. L’intérêt, pour les microsystèmes, suscite également, par leurs performances liées à la réduction des échelles avec des fréquences de résonance élevées, de faibles inerties, des sensibilités importantes, de faibles consommations,… Issus de la technologie de la micro-électronique, les MEMs font appel pour leur fabrication aux microtechnologies, qui permettent une production à grande échelle. 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. 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. Face au développement de ces domaines, on a vu apparaitre des termes dérivés pour désigner des MEMs spécialisés. Par exemple, dans le domaine optique on utilise le terme MOEMs (Micro Opto Electro Mechanical Systems) ou Optical MEMs, alors que 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.

CHAPITRE I

Microsystèmes électromécaniques

10

I.2. Intégration dans les domaines des microsystèmes :

Dans le domaine des microsystèmes, les mots composants et dispositifs sous-entendent non seulement les composants fondamentaux de la microélectronique mais aussi les capteurs, les actionneurs et des modules divers. Le champ des microsystèmes hybrides couvre l'ensemble des microsystèmes obtenus par assemblage de composants, de circuits et de microdispositifs divers. Ces dispositifs ont une caractéristique commune. Ils sont réalisables par les techniques classiques de la microélectronique sur silicium et par des techniques annexes compatibles : procédés couches minces, usinages chimiques de surface et de volume, électrodéposition, soudure atomique,... Ils se distinguent des composants électroniques par leur structure. En effet, en microélectronique, les formes sont invariablement planes. La mise en œuvre de techniques d'usinage, d'assemblage, d'électrodéposition ont pour finalité la fabrication de micro et nanostructures tridimensionnelles qui intègrent éventuellement des composants et des circuits microélectroniques. Les activités de recherche s'effectuent, d'une part dans les domaines des nouveaux dispositifs de détection et d'actionnement, et d'autre part sur le plan de l'intégration des systèmes (conception et réalisation), en centrant les préoccupations d'application sur quelques thématiques fortes telles que le génie biologique et médical, la domotique, l'aéronautique et l'espace, l'instrumentation. Ces activités couvrent un vaste champ d'investigation allant des technologies de base jusqu'à la modélisation comportementale du système et le traitement du signal. Elles reposent sur quelques points clés : les méthodologies de modélisation et simulation, les étapes et filières technologiques spécifiques au micro et nano technologies, les technologies d'assemblage, la caractérisation, et la conception de microdispositifs.

I.3. Principaux types de microsystèmes :

Afin de mieux illustrer ces considérations, nous allons abordés en détail le thème des principaux types de microsystèmes et microstructures électromécaniques intégrées et des applications qui en découlent. Il existe ainsi trois catégories générales : les microcapteurs, les micro-actionneurs et les microstructures passives.

CHAPITRE I

Microsystèmes électromécaniques

11

I.3.1. Microcapteurs mécaniques : .1.

En général, un capteu est un dispositif qui génère un signal électrique lorsqu'il est n capteur soumis à l'action d'une grandeur (objet de la mesure) appelée mesurande, dont la nature peut être physique, chimique ou biologique.

Figure I. 2 : Représentation schématique d'un capteur

Afin de classifier les capteurs, plusieurs critères peuvent être adoptés : En fonction des principes de transduction utilisés (physiques, chimiques ou biologiques). En fonction du type de mesurande (capteur de : force, pression, d'accélération, de gaz, etc…). En fonction de l'application visée (domaines de l'automobile, de l'aérospatial, du biomédical, etc…). ).

Traditionnellement, à travers l'ensemble de la littérature de spécialité, la classification des capteurs est faite sur la base de combinaisons entre le principe de transduction, le mesurande et l'application qui leur sont spécifiques.

Pourquoi des petits capteurs ?

Fonctionnalité : - Dispositif peu encombrant. encombrant - Discret et léger. - Perturbe moins par sa présence l'environnement qu'il est sensé analyser. Performances : - Consommation électrique réduite.

CHAPITRE I

Microsystèmes électromécaniques

12

-

Plus grande rapidité mécanique : Quand la longueur du microlevier diminue, le temps de la réponse mécanique diminua. Plus grande rapidité thermique : Quand la longueur du microlevier diminue, le temps de la réponse thermique diminua. Possibilités accrues de fonctionnement en réseaux de capteurs.

Economie : - Fabrication