Tribologie des couches minces appliquée au contact ohmique des microrelais MEMS

Depuis les années 1980, l'utilisation des microsystèmes électromécaniques ou « MicroElectroMechanical Systems (MEMS) » est de plus en plus répandue : les micro-miroirs pour les vidéoprojecteurs, les accéléromètres pour les airbags et les gyroscopes pour les consoles de jeux. De par leur performance et compatibilité de réalisation en microtechnologie silicium, de nouvelles fonctions sont visées telles que le relais ou commutateur.

Le microrelais MEMS ohmique n'est autre qu'un interrupteur d'une taille de l'ordre de la centaine de microns constitué de contacts métalliques. Une structure mobile permet de fermer ou d'ouvrir ce contact. Ainsi, le signal électrique peut transiter ou être interrompu. La réalisation d'un premier démonstrateur a mis en évidence leurs performances en termes de fréquences passantes et de miniaturisation devant les variantes conventionnelles en microtechnologies silicium (diodes ou transistors).

Cependant, après de très nombreux cycles d'ouverture-fermeture du contact électrique, les performances se dégradent. Les caractéristiques du contact électrique à une échelle submicrométrique sont complexes du fait des nombreux phénomènes interdépendants. En effet, lors de la fermeture du microrelais MEMS ohmique, les surfaces rugueuses entrent en contact, se déforment et un courant électrique les parcourt. Ainsi, la topographie, en lien avec les propriétés mécaniques locales et la composition chimique des surfaces de contact, module la résistance électrique du contact (RC). La surface de contact peut également être affectée thermiquement par le passage du courant et/ou la formation d'un arc électrique. De plus, ces propriétés évoluent au cours du fonctionnement du microrelais MEMS ohmique (plusieurs millions de cycles).

Dans ce contexte, la maîtrise de la tribologie des couches minces constituant les surfaces de contact des microrelais MEMS ohmiques sera source de progrès. C'est dans ce cadre que s'inscrit cet article dans lequel l'accent est mis sur l'aspect mécanique du contact, et ceci en lien fort avec l'évolution de la topographie. Après une présentation générale sur les microrelais MEMS ohmiques, les différents modes de dégradation de ces derniers sont présentés. Une approche multi-échelles est alors mise en œuvre pour rendre compte des évolutions topographiques à travers une description statistique puis discrète des nanorugosités ou aspérités constituant la surface de ces couches minces. L'aspect mécanique du contact est traité en particulier aux faibles forces, cas du fonctionnement et de l'actionnement des microrelais MEMS ohmiques. Cette approche s'appuiera sur des méthodes expérimentales utilisant le nano-indenteur et le microscope à force atomique (AFM) ainsi que sur une modélisation discrète du contact rugueux.