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 ! • Transducteur : tout composant qui sous l’effet d’un stimulus (accélération, pression, champ magnétique…) va engendrer un signal électrique.• Peigne capacitif : composant dont le signal restitué met en jeu une variation de capacité en fonction du stimulus exercé.• Piézorésistif : propriété de certains matériaux, comme le silicium, de changer de résistivité électrique en fonction de la contrainte mécanique qu’ils subissent.• Capteur inertiel : dispositif mettant en jeu une masse d’inertie comme les accéléromètres et les gyromètres. Terme générique associant désormais les magnétomètres et tous les capteurs rentrant dans une centrale inertielle. Réseaux de capteurs NEMS destinés à la mesure multigaz. a poussé les chercheurs à créer des concepts inédits, dans deux grandes directions. Des capteurs purement nanométriques (NEMS) tirent parti des très faibles masses impliquées pour détecter la composition de mélanges gazeux (voir article page 20) ; tandis que des dispositifs hybrides combinent des composants micro et nanométriques selon un concept baptisé M&NEMS. Ce concept permet de relever deux challenges majeurs : la miniaturisation des MEMS pour abaisser les coûts de ceux destinés au marché grand public, et la possibilité de co-intégrer plusieurs capteurs différents sur une seule et même puce. En effet, il est rapidement apparu que les accéléromètres à peignes interdigités n’étaient plus en mesure de fonctionner de manière satisfaisante aux échelles visées : leur masse et leur capacité de détection devenant trop faibles pour fournir un signal exploitable. Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs ont « tout simplement » combiné les deux échelles avec le concept M&NEMS. Les masses mobiles restent micrométriques pour donner un signal fort, mais les transducteurs• deviennent nanométriques, ce qui augmente leur sensibilité et permet de diminuer notablement la taille de l’ensemble. Bien entendu, il a fallu imaginer des géométries totalement nouvelles. Exit les peignes capacitifs•, donc. Désormais, les accéléromètres sont constitués d’une masse mobile reliée au support par des filaments nanométriques en matériau piézorésistif•. Tout mouvement de la masse exerce une contrainte mécanique sur le nanofil (ou jauge de contrainte) et donc modifie sa résistance électrique. En combinant l’effet bras de levier amené par le design spécifique de ce type de capteur, et la très forte concentration de contrainte due à la géométrie des nanojauges, ces composants peuvent être miniaturisés d’au moins un facteur 2 par rapport aux capteurs inertiels• MEMS à peignes interdigités, sans détériorer les performances. Vers la standardisation des procédés Le concept s’est révélé très fécond puisque, avec une géométrie adéquate, il est possible de réaliser ainsi toutes sortes de capteurs : accéléromètres, gyroscopes, magnétomètres, etc. Tout cela pour chacune des trois dimensions de l’espace. Le laboratoire achève actuellement la validation d’un capteur de pression M&NEMS qui intéresse aussi bien le marché grand public que les secteurs de la défense ou de l’avionique. Un microphone, encore en développement, suscite déjà des convoitises. « Nous avons discuté avec l’un des leaders mondiaux des microphones MEMS. Avec la technologie actuelle, ils ne pourront guère aller plus loin en termes de performances et de miniaturisation. Quand je leur ai présenté le concept M&NEMS, j’ai vu leurs yeux s’allumer car ils voyaient là une réelle rupture ! » rapporte Philippe Robert. Le concept M&NEMS illustre parfaitement la stratégie du laboratoire qui s’oriente de plus en plus vers la mise en place de technologies génériques permettant de développer en parallèle différents capteurs sur la même base. Aujourd’hui encore, dans l’industrie, chaque capteur est conçu individuellement et fabriqué avec une filière technologie propre. Quand on sait qu’un téléphone mobile en comprend une dizaine, et une automobile plusieurs dizaines, on comprend l’intérêt de cette nouvelle démarche qui engendre d’importantes économies et raccourcit les cycles de développement. De plus, plusieurs capteurs peuvent être intégrés physiquement sur une même puce. Le laboratoire vient ainsi d’accorder à Tronics une licence non exclusive sur une plateforme inertielle à « neuf axes » comportant trois accéléromètres (un pour chaque dimension de l’espace), trois gyroscopes et trois magnétomètres, et le tout devant tenir dans moins de 5 mm 2 ! « Ils visent le marché grand public et avaient en effet besoin d’une rupture technologique pour pénétrer sur ce secteur très concurrentiel actuellement dominé par STMicroelectronics » révèle Philippe Robert. 18 Les défis du CEA Plus d’informations sur www.cea.fr CEA
Freescale/CEA-LETI : Des MEMS sous le capot ! Initiée il y a treize ans, la collaboration entre le CEA et l’entreprise américaine Freescale Semiconductor a donné le jour à toute une série de microcapteurs d’accélération pour l’industrie automobile. Depuis 2010, les chercheurs travaillent au sein d’un laboratoire commun pour intégrer, sur une même puce, plusieurs capteurs. Une longue expérience en transferts industriels, une plateforme technologique à l’état de l’art, une expertise reconnue sur les accéléromètres MEMS, l’invention des transducteurs à peignes interdigités… Autant de raisons qui ont naturellement conduit Freescale Semiconductor à se rapprocher du CEA-Leti, dans les années 2000, afin de développer ses nouvelles générations de capteurs inertiels. « Freescale Semiconductor fabrique toujours un capteur que nous leur avons transféré en 2005 » annonce Sophie Giroud, du laboratoire composants microcapteurs du CEA-Leti. Un accéléromètre pour airbag Le capteur en question est un accéléromètre, utilisé aujourd’hui dans bon nombre d’airbags présents dans les automobiles. La firme américaine (ancienne division semi-conducteurs de Motorola, l’un des leaders mondiaux dans le domaine des MEMS), s’était rapprochée du CEA- Leti en 2001. Elle produisait alors ses accéléromètres avec une technologie relativement « ancienne » – le dépôt de couches minces de silicium polycristallin de quelques microns d’épaisseur sur support isolant – offrant des caractéristiques assez limitées ; alors que le laboratoire grenoblois maîtrisait la gravure des MEMS dans du silicium cristallin de forte épaisseur (inférieure à 20 microns), permettant d’accroître sensiblement les performances de ces capteurs. Ce gain en performance touchant aussi bien les caractéristiques électriques du transducteur que ses caractéristiques mécaniques… Sensible, mais pas trop ! Le premier résultat de la collaboration Freescale/CEA-Leti se présente sous la forme de l’accéléromètre « HARMEMS » qui se distingue par son rapport signal/bruit élevé. En clair, grâce à un fort amortissement mécanique, il est peu sensible aux vibrations et aux chocs parasites. Un atout important dans un environnement aussi agité qu’une automobile en marche. Cela signifie que l’airbag se déclenchera en cas de collision et non à cause des vibrations du moteur, des pavés ou d’une portière claquée trop brutalement… Rapidement, la même technologie est utilisée pour produire des capteurs de sensibilité différente, réagissant à des accélérations de moindre intensité et destinés à d’autres aspects de la sécurité automobile : détection de l’accélération latérale pour les dispositifs de contrôle électronique de la stabilité (ESC), détection de faibles accélérations pour le contrôle actif de la suspension, etc. Un laboratoire commun En 2010, le CEA-Leti et Freescale formalisent leur longue collaboration en instituant un laboratoire commun qui bénéficie de l’accès aux plateformes technologiques du centre de Grenoble. « Schématiquement, le travail se répartit ainsi : ils assument la R&D sur la partie électronique et nous prenons en charge tout ce qui concerne le capteur en silicium » explique Sophie Giroud. Mais puisque tous les capteurs sont fabriqués avec la même technologie, autant les intégrer sur une même puce… Voici donc le principal axe de travail de la collaboration. Une première « plateforme » inertielle de ce type est transférée à Freescale en 2011. Une manière pour l’industriel d’abaisser ses coûts de production, et donc de pouvoir proposer des systèmes multicapteurs pour les automobiles. Pendant ce temps, le travail se poursuit à Grenoble sur de nouvelles générations de capteurs qui seront commercialisés dans 3 à 5 ans. Freescale Une automobile peut embarquer jusqu’à une centaine de MEMS. Juillet/Août 2013 N°181 19



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