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En anglais
Auteur(s)
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Daniel ESTÈVE : Directeur de recherche au Centre national de la recherche scientifique (CNRS) Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes (LAAS)
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Jean SIMONNE : Directeur de recherche au Centre national de la recherche scientifique (CNRS) Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes (LAAS)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le concept de Microsystème est né, à la fin des années 1980, aux États-Unis, des actions conduites à l’université de Berkeley pour intégrer, sur une même puce de silicium, capteurs, traitement du signal et actionneurs. L’intégration de certains capteurs avec leur traitement de signal était déjà bien explorée depuis quelques années (capteurs thermiques, capteurs de vision, capteurs magnétiques de Hall...) ; la nouveauté tenait à l’intégration des actionneurs électrostatiques sous forme de moteurs rotatifs ou linéaires. Ce concept a très rapidement suscité un vif intérêt dans le monde. Appelé MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) aux États-Unis, il s’est appelé Micromachines au Japon et MST (Microsystèmes Technologies) en Europe. On utilise en France le terme de Microsystème.
Les raisons de cet intérêt et de la mobilisation qui s’en est suivie sont au moins au nombre de deux :
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du point de vue du chercheur, ce concept pose des questions nouvelles en termes de matériaux, de compatibilité technologique et de méthodologies de conception des systèmes ;
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du point de vue de l’ingénieur, il y a, dans le concept, des perspectives d’intégration et de fabrication collective de nouveaux produits qui, par leur faible coût, devraient rapidement pénétrer des marchés tenus par des produits assemblés de manière plus classique et même ouvrir de nouveaux marchés, ne serait-ce que par le côté attractif de la réduction des dimensions.
En dix années, la situation a beaucoup évolué. De nombreux exemples de réalisations ont été explorés. Des premières générations de produits ont été commercialisées. On peut considérer aujourd’hui que la faisabilité est acquise et que l’on s’engage dans une deuxième grande étape de recherche-développement de produits nouveaux en vue de leur industrialisation.
Ce recul de dix ans nous permet aussi de mieux délimiter le champ des microsystèmes :
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les microsystèmes se situent dans le prolongement de la microélectronique à laquelle ils empruntent le matériau (le silicium) et les technologies de base (photolithographie, oxydation, implantation, diffusion, dépôts de couches isolantes et métalliques). Ils y introduisent de nouvelles opérations de micro-usinage (micro-usinage de volume, micro-usinage de surface, dépôts de couches actives sensorielles) ;
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les microsystèmes s’interfacent avec de nombreuses méthodes et technologies développées dans d’autres disciplines : micromécanique, micro-optique, chimie et biochimie, électromagnétique..., dans une démarche d’intégration globale, hétérogène ;
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les technologies microsystèmes associent l’approche monolithique tout silicium, qui en est le fondement stratégique, avec les assemblages hybrides qui apportent des solutions immédiates et efficaces à l’intégration système. Cela permet d’associer plus aisément des technologies diverses en ne résolvant que les problèmes d’interconnexions électriques, fluidiques et optiques.
Une représentation synthétique est celle de la figure 1.
Cette représentation donne un fil conducteur aux développements qui vont suivre.
Un premier objectif sera de présenter les technologies de base des microsystèmes en montrant en quoi elles s’inspirent d’avancées de la microélectronique et sur quels points elles apportent de la nouveauté.
Un deuxième objectif sera de présenter les fonctions de base actuellement disponibles en termes de capteurs (micromécaniques, chimiques et biochi-miques, optiques, magnétiques...), et en termes d’actionneurs (électrostatiques, piézoélectriques et électromagnétiques...). Les fonctions de base sont déjà très nombreuses et toujours en développement rapide. Notre choix a été de limiter cette présentation aux fonctions disponibles ou presque au niveau du marché.
Un dernier objectif est de considérer les applications en cours et potentielles des microsystèmes telles que les études de marché les évaluent à ce jour pour conclure sur quelques axes de travail à privilégier pour les chercheurs et les ingénieurs.
Mais avant d’entrer dans ces développements, nous analyserons deux exemples historiques qui permettent de bien situer le concept, ses avantages et ses perspectives.
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Applications des microsystèmes
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3. Fonctions de base des microsystèmes
L’objectif est, en microsystèmes comme en microélectronique, de pouvoir procéder à une conception descendante, c’est-à-dire de partir des spécifications générales d’un produit et d’avancer par simulations d’assemblages proposées par le concepteur. Les résultats des simulations donnent une évaluation précise des performances, de l’encombrement et des procédés de fabrication afférents : c’est la conception microélectronique qui permet de ne lancer les fabrications qu’avec de très grandes chances de succès.
En microsystèmes, les bibliothèques de composants sont encore insuffisantes, les modèles encore imprécis, et les technologies non encore standardisées. Il faut donc procéder à des essais expérimentaux intermédiaires pour rendre opérationnelles toutes les fonctionnalités d’un produit. Toutefois, pour rester dans la perspective, à terme, d’une conception descendante, nous avons choisi de présenter quelques composants de base avec leur modèle de fonctionnement, en attendant de présenter quelques applications pour illustrer les filières technologiques et la complexité de conception. Nous distinguons ici les microcapteurs des microactionneurs.
3.1 Fonctions capteurs
Les capteurs sont nombreux et divers à pouvoir s’intégrer dans une conception microsystème de type hybride. Mais nous resterons, ici, très proches des technologies silicium qui restent la voie principale d’intégration monolithique, et nous ne présenterons que des principes bien établis par des réalisations effectuées au laboratoire ou dans l’entreprise.
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Ils sont à base de membranes ou de poutres micro-usinées dont le déplacement témoigne des forces qui s’y exercent, forces dues à la pression ou à l’accélération. Cette mesure peut s’effectuer de deux manières :
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par la voie capacitive : on mesure alors la distance qui sépare la membrane ou la poutre mobile de l’électrode placée sur la partie fixe ;
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par jauges de contraintes, judicieusement placées dans la poutre ou la membrane. Le plus souvent, ces jauges sont réalisées dans une couche...
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Fonctions de base des microsystèmes
Ces données sont tirées des études réalisées par l’organisation européenne NEXUS (tableau et tableau ).
Le marché total est aujourd’hui de 60 milliards de francs et sera de 240 milliards de francs en 2004, ce qui suffit à montrer l’importance de la dynamique et l’intérêt d’y consacrer des efforts de développement importants.
HAUT DE PAGE
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