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« Microsystème électromécanique » : différence entre les versions

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[[Fichier:Motorola Xoom - Kionix KXTF9-1171.jpg|vignette|Un accéléromètre MEMS.]]
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[[Fichier:Credits to brice le bihan.jpg|vignette|Un capteur de pression MEMS (sur une pièce qui donne l'échelle).]]
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Un '''microsystème électromécanique''' est un [[microsystème]] fabriqué à partir de matériaux [[semi-conducteur]]s. Il comprend un ou plusieurs éléments [[mécanique (industrie)|mécaniques]] et utilise l’[[électricité]] comme source d’[[énergie]], en vue de réaliser une fonction de [[capteur]] ou d’[[actionneur]], avec au moins une structure présentant des dimensions [[micromètre|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''' ({{lang|en|''Microelectromechanical systems''}}). En Europe, le terme '''MST''' pour {{lang|en|'''''MicroSystem Technology'''''}} est également d’usage, bien que nettement moins répandu.
Un '''microsystème électromécanique''' est un [[microsystème]] fabriqué à partir de matériaux [[semi-conducteur]]s. Il comprend un ou plusieurs éléments [[mécanique (industrie)|mécaniques]] et utilise l’[[électricité]] comme source d’[[énergie]], en vue de réaliser une fonction de [[capteur]] ou d’[[actionneur]], avec au moins une structure présentant des dimensions [[micromètre|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’[[Acronymie|acronyme]] anglais '''MEMS''' ({{lang|en|''Microelectromechanical systems''}}). En Europe, le terme '''MST''' pour {{lang|en|'''''MicroSystem Technology'''''}} est également d’usage, bien que nettement moins répandu.


Issus des techniques de la [[micro-électronique]], les MEMS font appel pour leur fabrication aux [[microtechnologie]]s, 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, [[téléviseur]]s haute-définition ou [[Airbag|airbags]] pour automobiles.
Issus des techniques de la [[micro-électronique]], les MEMS font appel pour leur fabrication aux [[microtechnologie]]s, 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, [[téléviseur]]s haute-définition ou [[Airbag|airbags]] pour automobiles.
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=== Métal ===
=== Métal ===
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.
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 [[Galvanoplastie|électrodéposition]], par [[Évaporation sous vide|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 ===
=== Céramique ===
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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 :
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 injecteurs pour imprimantes à [[jet d'encre]] ;
* les [[matrice de micro-miroirs|matrices de micro-miroirs]] qui définissent les pixels de certains modèles de [[vidéoprojecteur]]s ou les [[:en:Microscanner|micro-miroirs analogiques]]<ref>{{lien brisé|url=http://www.lemoptix.com/technology/innovation/micro-projector.html |titre=Lemoptix MEMS scanning Micromirrors }}</ref> ;
* les [[matrice de micro-miroirs|matrices de micro-miroirs]] qui définissent les pixels de certains modèles de [[vidéoprojecteur]]s ou les {{lien|lang=en|Microscanner|texte=micro-miroirs analogiques}}<ref>{{lien brisé|url=http://www.lemoptix.com/technology/innovation/micro-projector.html |titre=Lemoptix MEMS scanning Micromirrors }}</ref> ;
* la première projection [[cinéma numérique]] publique d'Europe (2000) réalisée par Philippe Binant reposait sur l'utilisation d'un MEMS optique<ref>[http://dumas.ccsd.cnrs.fr/docs/00/52/33/78/PDF/2010.TH16393.cuisset.vincent.pdf Instrumentation-Mesure (CNAM, 2010). I-1-3. Etat de l'art des microsystèmes, p. 11.]</ref>{{,}}<ref>''[[Cahiers du cinéma]]'', n°hors-série, avril 2000, p. 32.</ref> ;
* la première projection [[cinéma numérique]] publique d'Europe (2000) réalisée par Philippe Binant reposait sur l'utilisation d'un MEMS optique<ref>[http://dumas.ccsd.cnrs.fr/docs/00/52/33/78/PDF/2010.TH16393.cuisset.vincent.pdf Instrumentation-Mesure (CNAM, 2010). I-1-3. État de l'art des microsystèmes, {{p.|11}}.]</ref>{{,}}<ref>''[[Cahiers du cinéma]]'', n°hors-série, avril 2000, {{p.|32}}.</ref> ;
* les MEMS inertiels, comme les [[accéléromètre]]s et les [[gyromètre]]s, destinés à des domaines divers tels que l'[[automobile]] ou plus récemment le jeu vidéo, comme la manette à détection de mouvement des [[Console de jeux vidéo|console de jeu]]<ref>{{fr}} [http://www.st.com/stonline/stappl/press/news/year2006/fra/t2031.htm Annonce concernant la manette de la Wii sur le site de ST Microelectronics.]</ref> ou des [[smartphones]]<ref>David Larousserie, ''Les capteurs électromécaniques : un domaine technologique en plein essor'', Le Monde, 17 mars 2012</ref>{{,}}<ref>Martine Parésys, ''Gilles Delapierre, le père des Mems'', {{p.|38-39}}, Arts & Métiers Mag, Octobre 2014, {{Numéro|367}}</ref> ;
* les MEMS inertiels, comme les [[accéléromètre]]s et les [[gyromètre]]s, destinés à des domaines divers tels que l'[[automobile]] ou plus récemment le jeu vidéo, comme la manette à détection de mouvement des [[Console de jeux vidéo|console de jeu]]<ref>{{fr}} [http://www.st.com/stonline/stappl/press/news/year2006/fra/t2031.htm Annonce concernant la manette de la Wii sur le site de ST Microelectronics.]</ref> ou des [[smartphones]]<ref>David Larousserie, ''Les capteurs électromécaniques : un domaine technologique en plein essor'', Le Monde, 17 mars 2012</ref>{{,}}<ref>Martine Parésys, ''Gilles Delapierre, le père des Mems'', {{p.|38-39}}, Arts & Métiers Mag, octobre 2014, {{Numéro|367}}</ref> ;
* les vannes de contrôle microfluidiques ;
* les vannes de contrôle microfluidiques ;
* les [[micro-relais]], le plus souvent à actionnement capacitif<ref>[http://www.cnrs.fr/insis/recherche/faits-marquants/2011/Mems.htm micro-relais sur le site du CNRS]</ref> ;
* les [[micro-relais]], le plus souvent à actionnement capacitif<ref>[http://www.cnrs.fr/insis/recherche/faits-marquants/2011/Mems.htm micro-relais sur le site du CNRS]</ref> ;
* les émetteurs/récepteurs acoustiques, comme les cMUTs (capacitifs) ou les pMUTs (piézoélectriques) ;
* les émetteurs/récepteurs acoustiques, comme les cMUTs (capacitifs) ou les pMUTs (piézoélectriques) ;
* les [[Sonde de pression|capteurs de pression]] ;
* les [[Sonde de pression|capteurs de pression]] ;
* les filtres électromécaniques, qui isolent une fréquence du signal d'entrée en utilisant la résonance d'un système masse-ressort ;
* les filtres électromécaniques, qui isolent une fréquence du signal d'entrée en utilisant la résonance d'un [[système masse-ressort]] ;
* les commutateurs électro-holographiques utilisés en télécommunication optique pour isoler les longueurs d'onde, pour le démultiplexage fréquentiel ([[Multiplexage fréquentiel|FDM]]) ;
* les commutateurs électro-holographiques utilisés en télécommunication optique pour isoler les longueurs d'onde, pour le démultiplexage fréquentiel ([[Multiplexage fréquentiel|FDM]]) ;
* les [[Micropinces (MEMS)|micropinces]].
* les [[Micropinces (MEMS)|micropinces]].

Dernière version du 30 décembre 2023 à 17:37

Un accéléromètre MEMS.
Un capteur de pression MEMS (sur une pièce qui donne l'échelle).

Un microsystème électromécanique est un microsystème fabriqué à partir de matériaux semi-conducteurs. Il comprend un ou plusieurs éléments mécaniques et utilise l’électricité comme source d’énergie, en vue de réaliser une fonction de capteur 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 des techniques 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 airbags pour automobiles.

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 techniques plus anciennes et constituent encore une part importante du marché des MEMS[1],[2]. 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[3], informatiques[4], chimiques, mécaniques[5], optiques[6]. 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.[7]

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 nanométrique.

Matériaux pour la fabrication de MEMS

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

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. Des 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.

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.

Technique de fabrication

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Les techniques 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 dépôt de résine, de photolithographie et d'attaque sèche ou humide.

Les principales spécificités des techniques 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

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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

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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 :

Notes et références

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  1. capteurs sur le site de ST microelectronique
  2. Terry, Stephen Clark. "A gas chromatography system fabricated on a silicon wafer using integrated circuit technology." (1975).
  3. balance en MEMs sur le site esiee.fr
  4. microinformatique sur le site futura-sciences
  5. MEMs mécanique sur le site industrie.com
  6. micro-système optique sur le site chollet-han
  7. accéléromètre en papier sur le site etsinnovation.
  8. « Lemoptix MEMS scanning Micromirrors »(Archive.orgWikiwixArchive.isGoogleQue faire ?)
  9. Instrumentation-Mesure (CNAM, 2010). I-1-3. État de l'art des microsystèmes, p. 11.
  10. Cahiers du cinéma, n°hors-série, avril 2000, p. 32.
  11. (fr) Annonce concernant la manette de la Wii sur le site de ST Microelectronics.
  12. David Larousserie, Les capteurs électromécaniques : un domaine technologique en plein essor, Le Monde, 17 mars 2012
  13. Martine Parésys, Gilles Delapierre, le père des Mems, p. 38-39, Arts & Métiers Mag, octobre 2014, no 367
  14. micro-relais sur le site du CNRS

Articles connexes

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Bibliographie

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Liens externes

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