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 ! • Attogramme : unité de mesure équivalent à 10 -18 gramme.• Chromatographie gazeuse : technique permettant de séparer les divers constituants chimiques d’un mélange. Note : 1. Les MEMS sont fabriqués sur des substrat silicium de 200 mm de diamètre. Prototype de détecteur de gaz basé sur un NEMS. Une aventure à l’échelle nanométrique En accédant à l’échelle nanométrique avec les NEMS, les chercheurs ont mis au point des capteurs capables de détecter la présence d’une infime quantité de matière comme un gaz. Les applications potentielles de ces dispositifs ultrasensibles sont nombreuses : contrôle de procédés industriels, analyses environnementales ou biomédicales… Un potentiel que la jeune start-up APIX, essaimée par le CEA-Léti, compte bien exploiter. « N ous avons commencé à travailler sur les NEMS, il y a une dizaine d’années, car nous avions la technologie pour atteindre cette dimension, mais sans trop savoir au début vers quelle application aller » se souvient Eric Ollier, du laboratoire composants microcapteurs du CEA-Leti. Mais à l’échelle nanométrique, les masses mobiles deviennent trop faibles pour élaborer des capteurs inertiels performants. Rapidement, émerge l’idée d’un capteur chimique qui jouerait des faibles masses accessibles à ces dimensions pour détecter la présence d’infimes quantités de matière. Les molécules gazeuses trahies par leur poids Au cœur du système se trouve un minuscule levier vibrant à très haute fréquence, partiellement recouvert d’une fine couche de matériau optimisant l’adsorption des molécules de gaz. Le mouvement de la structure mobile est suivi par des gauges piézorésistives qui traduisent le mouvement mécanique en signal électrique. Il suffit que quelques attogrammes• du composé à détecter se fixent sur la couche sensible pour modifier la masse du levier, et donc sa fréquence de résonnance ! Cette variation de fréquence est mesurée et permet de remonter à la concentration des gaz analysés. Une apparente simplicité qui n’a pas été sans difficulté : trouver le matériau sensible optimisant l’adsorption, mettre au point un procédé collectif pour déposer cette couche sur les dizaines de milliers de MEMS 1, développer un procédé permettant d’encapsuler le tout au niveau du substrat entier sans endommager la couche sensible… Des MEMS complètent le dispositif Le matériau adsorbant n’étant volontairement pas spécifique, il faut séparer les composés du mélange gazeux à analyser avant leur passage sur le capteur. Cela se fait à l’aide d’une microcolonne de chromatographie gazeuse•, elle aussi gravée dans le silicium. Le tout est alimenté par des injecteurs qui peuvent être des MEMS (des valves à actionnement piézoélectrique). Une partie microélectronique « traditionnelle » contrôle le tout et analyse les données. Au total, un dispositif d’une extrême sensibilité – jusqu’à la partie par million, voire par milliard – capable d’identifier et mesurer en quelques secondes ou minutes jusqu’à des centaines de composés présents dans un mélange gazeux. Une start-up pour exploiter cette technologie C’est à cette application que pense Philippe Andréucci lorsqu’il fonde Apix en 2011 avec ses collègues du CEA, Eric Colinet (électronicien) et Pierre Puget (chimie et biochimie). Objectif : produire et vendre des systèmes d’analyse multigaz avancés pour le contrôle de procédés industriels et de l’environnement, la détection de polluants dans l’air intérieur, la sécurité chimique ou encore l’analyse biomédicale… La jeune start-up a installé ses locaux dans les murs de Minatec. « Apix a la chance de pouvoir bénéficier de toutes les compétences et technologies sur un même site, avec une équipe pluridisciplinaire : NEMS, chromatographie gazeuse, injecteurs, chimie, packaging, électronique, technologies d’intégration… » souligne Eric Ollier qui dirige le laboratoire commun que la start-up a fondé avec le CEA- Leti. Occupant l’équivalent d’une douzaine de personnes à temps plein (au niveau du CEA-Leti), le laboratoire travaille à l’amélioration des performances et à l’intégration de ces capteurs. Selon un programme technique redéfini chaque année, et parfois bousculé par les aléas propres au développement d’une start-up… 20 Les défis du CEA Plus d’informations sur www.cea.fr CEA
interview Philippe Robert, chef du laboratoire composants microcapteurs du CEA-Leti M&NEMS, un marché d’avenir ! D’abord réservés à quelques applications de pointe, les MEMS sont désormais partout. À la tête du laboratoire composants microcapteurs du CEA-Leti, Philippe Robert revient sur leurs nombreuses applications et les évolutions de ce marché en pleine croissance. À quels marchés sont destinés les MEMS ? Au début, ils étaient « réservés » à l’aéronautique, à l’industrie spatiale et à la défense. Autant dire des marchés de niche, très exigeants mais où le coût unitaire n’était pas un problème majeur. Vers les années 1990, les MEMS, devenus moins chers, ont fait leur apparition dans l’automobile. Aujourd’hui, il se construit environ 70 millions de véhicules par an, comportant chacun plusieurs dizaines de capteurs (essentiellement de mouvement ou de pression) selon la gamme. Car, outre un coût modéré, l’industrie automobile insiste sur la fiabilité et la durabilité. Enfin, au milieu des années 2000, les MEMS ont atteint les marchés grand public des téléphones mobiles, des manettes de jeu (la Wii de Nintendo par exemple), des tablettes… C’est un nouveau changement d’échelle puisqu’il se produit aujourd’hui plus d’un milliard de téléphones par an, pouvant contenir dans le cas des smartphones plus d’une dizaine de MEMS chacun ! Les contraintes : dimension, consommation électrique et coûts minimaux. Qui sont les acteurs et que se partagent-ils sur ces marchés ? Un capteur vaut maintenant de quelques dizaines de cents à un euro. Étant donné les volumes produits, cela représente un marché total de plus de dix milliards d’euros, en croissance de 13% par an (jusqu’à 20% dans le domaine grand public), qui devrait atteindre 16 milliards en 2015. C’est certes considérable, mais sans commune mesure avec les 400 milliards d’euros de la microélectronique ! Si l’on excepte quelques grands généralistes comme Bosch, Analog Devices ou Freescale (pour l’automobile principalement) et STMicroelectronics (pour les appareils grand public) qui produisent de gros volumes, le marché reste très fragmenté. Les entreprises, souvent spécialisées, ne commercialisent qu’un ou deux types de composants. Par exemple, Knowles ne fait que des microphones. Quelles sont les évolutions prévisibles ? Aujourd’hui, chaque MEMS est fabriqué selon une technologie propre ce qui multiplie les coûts. Or un MEMS est rarement seul : il y en a plusieurs dizaines dans une voiture, nous l’avons vu. L’avenir est donc d’aller vers plus d’intégration, c’est-à-dire combiner plusieurs MEMS sur un même composant, avec une seule technologie. C’est précisément la stratégie développée dans notre laboratoire, notamment avec notre plateforme M&NEMS qui, outre le gain en dimensions, permet d’adresser d’ores et déjà un large panel de capteurs (inertiel, magnétique, pression), ou avec notre plateforme NEMS qui est son pendant dans le domaine chimique et biologique (capteurs multigaz, des spectromètres de masse pour espèces biologiques, capteurs de force cellulaire, etc.). En termes de marché, les applications grand public vont continuer à croître. Avec le vieillissement des populations des pays développés, nous voyons aussi augmenter les utilisations médicales pour la surveillance de maladies chroniques, l’aide au diagnostic ou l’instrumentation de dispositifs implantés tels que les pacemakers. Propos recueillis par Patrick Philipon CEA Juillet/Août 2013 N°181 21



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