Les Défis du CEA n°181 jui/aoû 2013
Les Défis du CEA n°181 jui/aoû 2013
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°181 de jui/aoû 2013

  • Périodicité : mensuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (200 x 297) mm

  • Nombre de pages : 24

  • Taille du fichier PDF : 2 Mo

  • Dans ce numéro : ça bouge chez les Mems !

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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grand angle ca bouge chez les mems ! Les différentes plateformes de Grenoble permettent de caractériser les composants des NEMS. Les MEMS en pleine rupture technologique Du premier capteur de force pour pèse-personne à la toute dernière plateforme inertielle regroupant sur un même support de quelques millimètres pas moins de trois accéléromètres, trois gyroscopes et trois magnétomètres, les chercheurs du CEA-Leti ont gravé les échelles microscopique des MEMS et nanométrique des NEMS avec succès. Ils parviennent aujourd’hui à une grande rupture technologique en combinant les deux dimensions dans les M&NEMS… Les MEMS sont partout : automobiles, téléphones mobiles et tablettes, manettes de jeux… Sans eux, comment la Wii pourrait-elle reconnaître les mouvements du joueur ou l’écran du smartphone s’orienter dans le paysage ? Minuscules et indispensables au fonctionnement de ces objets, à l’instar des microprocesseurs, les MEMS présentent cependant avec ces derniers une différence essentielle : ils ne calculent pas, ils bougent ! Ces microsystèmes électromécaniques comportent en effet une partie mobile. Dans les actionneurs, elle est commandée électriquement et réalise une fonction, par exemple l’ouverture d’une microvanne ; dans les capteurs, son mouvement résulte d’une influence extérieure (pression, champ magnétique, etc.) puis est transformé en un courant électrique mesurable. À Grenoble, un laboratoire du CEA-Leti se consacre essentiellement aux capteurs depuis plus de trente ans. Trois décennies jalonnées de brevets et de transferts réussis vers l’industrie qui se divisent en quatre périodes, correspondant à autant d’évolutions de la technologie des composants microélectroniques. Les MEMS sont en effet fabriqués avec les mêmes outils que ces derniers. Une des lignes de conduite du laboratoire a d’ailleurs toujours été de concevoir, fabriquer et caractériser ces capteurs selon les technologies dont disposent effectivement les « fondeurs » de silicium. « C’est la condition sine qua non d’un transfert rapide vers l’industrie » souligne Philippe Robert, chef du laboratoire composants microcapteurs. 16 Les défis du CEA Plus d’informations sur www.cea.fr P.F. Grosjean/CEA
Le succès d’un peigne La première époque, à la fin des années 1970, correspond à la fabrication des MEMS par dépôt de couches de matériau sur un support solide (verre ou silicium). C’est ainsi que naît un capteur de force pour pèse-personne, transféré à Terraillon en 1980, ou un hygromètre• développé pour CORECI en 1981 et toujours en production. Au début des années 1980, le laboratoire maîtrise une nouvelle technologie de fabrication, celle de la photolithographie• et de la gravure chimique• (humide) sur silicium massif. Cette deuxième époque commence alors, marquée par un brevet clé pour le CEA-Leti avec son « accéléromètre capacitif à peignes interdigités » : un capteur composé de deux éléments en forme de peignes, l’un fixe et l’autre mobile, disposés face-à-face de manière à ce que leurs dents s’imbriquent ; en cas d’accélération du support, l’intervalle entre les dents change ce qui modifie la capacité électrique de l’ensemble (les surfaces silicium en regard forment en effet les armatures d’autant de minuscules condensateurs•). « Il existait d’autres concepts d’accéléromètre à l’époque, mais les structures à peignes interdigités les ont supplantés. Actuellement, la quasi-totalité des accéléromètres commercialisés sont basés sur ce principe » précise Philippe Robert. Bien, mais pourquoi détecter une accélération ? Tout d’abord, et c’est encore une des applications les plus importantes, pour déclencher un airbag en cas de choc. Ensuite, pour contrôler une trajectoire, par exemple, en mesurant les accélérations latérales. La licence de ce principe de capteur, véritable best-seller, a été accordée à de nombreux industriels dont Freescale, Bosch, Analog Devices ou Denso. D’autres MEMS suivent bientôt, comme un accéléromètre en quartz de guidage des missiles ou des fusées Ariane pour la défense et l’industrie spatiale, ou encore un capteur de pression pour déterminer l’altitude et la vitesse des hélicoptères. Une gravure toujours plus fine Le passage à une autre technologie de gravure 1 et à l’arrivée de substrats de type SOI (silicium sur isolant) marque, au milieu des années 1990, la troisième époque. Ces avancées technologiques permettent de s’affranchir des contraintes de design imposées par la gravure humide et d’avoir des composants MEMS optimisés en termes de taille et de performances. La start-up Tronics Les MEMS : comment ça marche ? Microsystems est ainsi créée en 1996 par le CEA-Leti pour industrialiser les « nouveaux » capteurs : accéléromètre pour pacemaker, capteur de pression pour applications médicales, géophone… Ce dernier mesure les vibrations sismiques artificielles émises par les géologues à la recherche de gisements pétroliers. Un capteur important puisque, comme l’explique Philippe Robert, « il est devenu le « fond de commerce « de Tronics qui le fabrique pour la compagnie de géophysique CGGVeritas ». Une nouvelle dimension Aujourd’hui, le laboratoire vit sa quatrième rupture technologique. « En 2004, nous avons commencé à utiliser la plateforme de photolithographie DUV (Deep UV) du CEA-Leti : nous accédions alors à l’échelle nanométrique » se souvient l’ingénieur. Cette opportunité Un MEMS est essentiellement un dispositif qui traduit le mouvement d’une masse de silicium en un courant électrique, si c’est un capteur, ou inversement dans le cas d’un actionneur. Il repose sur une partie mobile (masse, levier…) partiellement détachée du support pour posséder un degré de liberté. Le passage d’un mouvement à une grandeur électrique suppose un mécanisme de transduction. Dans les actionneurs, plusieurs phénomènes peuvent être utilisés pour déplacer l’élément mobile du dispositif : forces électrostatique ou électromagnétique, effet piézoélectrique• voire dilatation des matériaux sous l’effet de la chaleur (cas des buses d’imprimantes à jet d’encre). Dans les capteurs « physiques », réagissant directement à une action mécanique (accélération, rotation, pression) qui déplace la partie mobile, la transduction se fait en utilisant les surfaces conductrices ou semiconductrices en regard des pièces en mouvements. Il est également possible de capter et mesurer des variables d’une tout autre nature. Par exemple, en dotant la partie mobile d’une couche aimantée, le dispositif devient une boussole qui réagit au champ magnétique (transduction électromagnétique). De même, l’ajout d’une couche de fonctionnalisation (matériau adsorbant) pour tel ou tel composé chimique permet de détecter ce composé par la variation de masse induite. La transduction se fait alors par mesure de la fréquence de vibration : c’est le modèle Apix (voir page 20). CEA• Hygromètre : instrument de mesure du degré de l’humidité dans l’air.• Photolithographie : technique de transfert d’un motif sur un substrat (par exemple de silicium) par l’illumination d’une résine photosensible au travers d’un masque.• Gravure chimique : technique de gravure d’un matériau via une solution liquide qui attaque la surface du matériau.• Condensateur : appareil constitué de deux surfaces conductrices (armatures) séparées par un isolant. Sa propriété principale est de pouvoir stocker des charges électriques opposées sur ses armatures. Note : 1. Technologie de gravure profonde anisotrope par plasma du silicium. Vue dans le détail des composants d’un MEMS.• Piézoélectrique : propriété de certains matériaux comme le quartz de se polariser sous l’effet d’une pression mécanique ou, inversement, de se déformer sous l’effet d’un courant électrique. Juillet/Août 2013 N°181 17



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