Qu'est-ce que le MEMS (système micro-électro-mécanique) ? Types et applications

Le système micro-électro-mécanique, ou MEMS, est un appareil ou une machine miniature composé à la fois de composants mécaniques et électriques, utilisant des techniques de microfabrication.

Le terme « MEMS » est souvent utilisé pour décrire à la fois une catégorie de systèmes micromécatroniques et la technologie de processus utilisée pour les fabriquer. Certains MEMS n'ont pas de composants mécaniques, mais comme ils convertissent certains signaux mécaniques en signaux électriques ou optiques, ils sont classés comme MEMS.

En Europe, les MEMS sont plus communément appelés technologie des microsystèmes, et au Japon, ils sont appelés micromachines.

Taille du MEMS

La dimension physique des dispositifs MEMS peut aller de 20 micromètres à un millimètre. Ils sont constitués de composants d'une taille comprise entre 1 et 100 micromètres.

Alors que les composants individuels peuvent être plus petits que la largeur d'un cheveu humain, plusieurs modules disposés en tableaux peuvent occuper une surface de plus de 10 centimètres carrés.

Les dispositifs MEMS contiennent généralement des unités centrales de traitement de données (telles que des microprocesseurs) et de minuscules instruments qui interagissent avec l'environnement (tels que des microcapteurs).

Types de MEMS

Il existe deux formes de technologie de commutation MEMS :ohmique et capacitive.

1. Ohmique Les commutateurs MEMS sont développés à l'aide de cantilevers électrostatiques. Étant donné que les porte-à-faux se déforment avec le temps, ces interrupteurs peuvent tomber en panne à cause de l'usure des contacts ou de la fatigue du métal.

2. Capacitif les commutateurs sont contrôlés par une plaque mobile ou un élément de détection qui modifie la capacité. En exploitant leurs caractéristiques de résonance, ils peuvent être configurés pour surpasser les dispositifs ohmiques dans des gammes de fréquences spécifiques.

Comment sont-ils construits ?

Alors que l'intérêt pour la production de MEMS s'est accru dans les années 1980, il a fallu près de deux décennies pour établir l'infrastructure de conception et de fabrication nécessaire à leur développement commercial. Les têtes d'impression à jet d'encre et les contrôleurs d'airbag ont été l'un des premiers appareils de ce type produits.

En utilisant cette technologie, les chercheurs ont pu construire un projecteur avec des micromiroirs (qui utilise des MEMS) à la fin des années 1990. Au fil du temps, les microcapteurs sont devenus plus populaires :ils ont été progressivement intégrés à différents types de capteurs, notamment des capteurs de rayonnement, de champs magnétiques, de température et de pression.

Aujourd'hui, les MEMS sont utilisés dans presque tous les appareils intelligents, et ils sont devenus beaucoup plus efficaces (en termes de performances et de consommation d'énergie) que leurs homologues plus grands. Ils sont composés de pièces telles que des microprocesseurs, des microactionneurs, des microcapteurs, plusieurs unités de traitement de données.

La fabrication de MEMS implique les mêmes techniques que celles utilisées pour créer des circuits intégrés et des dispositifs à semi-conducteurs. Les techniques de base sont

• Dépôt :De fines couches (entre 1 et 100 micromètres) de matériau sont déposées sur une surface spéciale.
• Motif  :un motif est transféré dans un matériau à l'aide d'un processus appelé lithographie.
• Gravure :Le matériau est dissous soit dans une solution chimique, soit à l'aide d'ions réactifs pour produire les formes requises.
• Préparation de la matrice  :Une fois que les dispositifs MEMS sont préparés sur une plaquette de silicium, les matrices individuelles sont séparées, puis la découpe de la plaquette est effectuée via un liquide de refroidissement ou un processus laser sec.

Le silicium est le matériau le plus couramment utilisé pour créer des MEMS. Il est facilement disponible, peu coûteux et présente des avantages substantiels, notamment dans le domaine de la microélectronique. Par exemple, le silicium subit très peu de fatigue et presque aucune dissipation d'énergie.

Certains MEMS sont fabriqués en métal par des procédés de galvanoplastie, d'évaporation et de pulvérisation cathodique. Les métaux qui présentent des degrés de fiabilité élevés sont l'or, le platine, l'argent, le tungstène, le cuivre, le titane et l'aluminium.

Les polymères peuvent également être utilisés pour fabriquer des dispositifs MEMS, car ils peuvent être produits en grandes quantités, avec diverses caractéristiques matérielles.

En quoi les MEMS sont-ils différents des NEMS ?

Les NEMS (abréviation de nano-electro-mechanical systems) sont une classe de dispositifs présentant des caractéristiques électriques et mécaniques à l'échelle nanométrique. Les NEMS constituent la prochaine étape logique de miniaturisation des MEMS.

En termes simples, les NEMS sont similaires aux MEMS mais plus petits :ils ont des éléments structuraux critiques à ou en dessous de 100 nanomètres (échelles atomiques ou moléculaires).

Bien que NEMS et MEMS soient considérés comme des technologies distinctes, ils dépendent l'un de l'autre. Par exemple, un microscope à pointe à effet tunnel, qui détecte les atomes, est un appareil MEMS.

Dans la technologie MEMS, les forces produites par la dynamique des fluides et l'électromagnétisme ambiant jouent un rôle important. Alors que dans la technologie NEMS, le mécanisme de détection basé sur la surface et les effets mécaniques quantiques importants sont également cruciaux.

Contrairement aux MEMS, la technologie NEMS utilise des matériaux à base de carbone, en particulier le diamant, les nanotubes de carbone et le graphène. En raison des progrès substantiels en matière de croissance, de manipulation, de connaissance des propriétés électriques et mécaniques du graphène, les chercheurs s'intéressent davantage au graphène pour les appareils NEMS, tels que les capteurs de pression, les résonateurs, les accéléromètres, etc.

Exemples et applications

À mesure que les MEMS deviennent plus efficaces et moins coûteux à construire, ils devraient jouer un rôle crucial dans l'IoT (Internet des objets) et la domotique. Les applications commerciales courantes des MEMS sont :

L'accéléromètre dans un smartphone | YouTube

• Accéléromètres dans les véhicules à diverses fins, telles que le contrôle électronique de la stabilité et le déploiement des airbags
• Systèmes de refroidissement et de chauffage pilotés par capteurs pour les systèmes de gestion technique des bâtiments
• Le commutateur optique utilisé pour la technologie de commutation et l'alignement pour les communications de données
• Capteurs de pression artérielle jetables et capteurs de pression de véhicule en silicone
• Micro récupérateurs électrostatiques, électromagnétiques et piézoélectriques (utilisés pour la récupération d'énergie)
• Petits microphones, baromètres et gyroscopes pour prendre en charge les applications pour smartphones
• Microbuses utilisées dans les imprimantes à jet d'encre pour contrôler le flux d'encre.

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Marché mondial

De nombreuses entreprises travaillent sur des projets MEMS. Les petites entreprises offrent de la valeur dans des solutions innovantes et gèrent les dépenses de fabrication personnalisée avec des marges de vente élevées. Les grandes entreprises fabriquent principalement des pièces peu coûteuses en grand volume ou des solutions emballées pour les marchés finaux, tels que l'électronique, le biomédical et l'automobile. En règle générale, les petites et les grandes entreprises investissent dans la recherche et le développement pour créer une nouvelle technologie MEMS.

Selon Grand View Research Inc, la taille du marché mondial des MEMS devrait atteindre 28,84 milliards de dollars américains d'ici 2024. En 2015, elle s'élevait à près de 12 milliards de dollars américains. Compte tenu de la popularité croissante des modes de vie connectés, l'électronique grand public devrait être le segment dominant (avec plus de 40 % de la part des revenus mondiaux).

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Les problèmes d'étalonnage et de précision peuvent ralentir la croissance du marché. Mais une concurrence intense obligera les acteurs de l'industrie à maintenir des prix bas dans les années à venir.