Plongée dans les mécanismes d'actionnement et de détection MEMS : Guide pour la conception avancée de capteurs

Résumé

Au cours des deux dernières décennies, l'avancement des dispositifs MEMS (systèmes microélectromécaniques) est fortement demandé pour intégrer des capteurs miniaturisés économiquement avec la technologie de fabrication. Un capteur est un système qui détecte et répond à de multiples entrées physiques en les convertissant en formes analogiques ou numériques. Le capteur transforme ces variations en une forme utilisable comme marqueur pour surveiller la variable du dispositif. Les MEMS présentent une excellente faisabilité pour la miniaturisation des capteurs grâce à leurs petites dimensions, leur faible consommation d'énergie, leurs performances supérieures et leur fabrication en série. Cet article présente les développements récents dans les mécanismes standards d'actionnement et de détection pour les dispositifs basés sur MEMS, qui devraient révolutionner presque de nombreuses catégories de produits à l'ère actuelle. Les principes d'actionnement, de détection et les applications réelles sont également discutés. Une bonne compréhension de ces mécanismes pour les dispositifs MEMS joue un rôle vital dans la sélection efficace pour la conception d'applications nouvelles et complexes.

Introduction

Les capteurs et actionneurs sont collectivement appelés transducteurs, qui transforment les signaux ou l'énergie d'un domaine à un autre. Une large gamme d'instruments de transduction convertit les signaux physiques en signaux électriques (capteurs), puis les signaux de sortie sont traités par des systèmes électroniques utilisant des circuits intégrés (CI), comme la conversion de signaux électriques en signaux physiques (actionneurs). Les capteurs détectent et surveillent des phénomènes physiques (vibration, pression, débit) ou des variations de composition (conductivité électrique, pH). Ils convertissent ces variations en une forme utilisable pour marquer ou contrôler les variables mesurées, tandis que les actionneurs produisent un mouvement et une force/couple mécaniques. La détection peut être définie comme des processus de transduction d'énergie aboutissant à la perception, tandis que l'actionnement produit des actions. Un capteur comprend trois parties : élément de détection, transducteur, et dispositif de lecture (ex. ordinateur).

Les performances des capteurs sont évaluées par divers paramètres : sensibilité, résolution, exactitude. La sensibilité détermine la concentration minimale détectable. La résolution est le rapport entre la magnitude maximale mesurée et la plus petite partie déterminable. L'exactitude est l'incertitude de mesure par rapport à une norme absolue, influençant l'analyse qualitative. La limite de détection (LOD) est la quantité la plus faible distinguable par le capteur. Le temps de réponse est la période où la concentration atteint une limite déclenchant un signal d'alerte ; le temps de récupération est la période après détection pour que le matériau retrouve son état de base.

Les avancées en technologies de fabrication microélectronique ont produit des systèmes de dispositifs compacts, précis et haute performance. La technologie a été poussée au point de fabriquer des dispositifs si minuscules qu'ils sont invisibles à l'œil nu. Les MEMS impliquent l'innovation de minuscules dispositifs fonctionnant comme capteurs ou actionneurs. Le développement continu promet des équipements électroniques miniaturisés optimisés et économiques. Les dimensions typiques des dispositifs MEMS se mesurent en dizaines ou centaines de microns. En utilisant les mêmes méthodes de fabrication que les microprocesseurs, capteurs et actionneurs peuvent être construits à une échelle similaire aux puces de microprocesseurs. Des fabrications en série de capteurs de pression, température, inertiels, etc., ont été démontrées. L'intégration précise d'un système sur puce permet le fonctionnement de systèmes complexes.

La technologie MEMS est fabriquée avec des matériaux semiconducteurs et intègre composants mécaniques, capteurs, actionneurs et éléments électroniques sur un substrat silicium avec des tailles de quelques millimètres à microns. Ces systèmes effectuent détection, contrôle et actionnement à l'échelle microscopique, individuellement ou en masse pour produire un effet macroscopique. La MEMS combine microélectronique et micromachinage sur wafer Si typique en dispositifs semiconducteurs à oxyde métallique. Récemment, la MEMS a considérablement progressé pour divers capteurs et actionneurs naturels, et est utilisée dans la fabrication de capteurs miniaturisés pour de nombreuses applications grâce à sa faible consommation, réponse rapide, fabrication en réseau, facilité, coût réduit et meilleure sensibilité. Le rapport surface/volume du matériau de détection a considérablement augmenté, réduisant la température de fonctionnement des capteurs à oxyde métallique et augmentant la demande de matériaux d'expansion.

Récemment, les capteurs à oxyde métallique comme TiO₂, SnO₂ et ZnO sont devenus les plus attractifs pour la détection de gaz. Le principe du semiconducteur à oxyde métallique (MOS) repose sur le changement de résistivité d'un MOS utilisé comme matériau accepteur lorsqu'il est exposé à un gaz analyte. Cependant, la haute sensibilité n'est atteinte qu'à températures élevées, avec des problèmes de sélectivité. Une alternative consiste à combiner avec d'autres composants, notamment des nanoparticules de métaux nobles (Au, Ag, Pd, Pt), pour surmonter ces barrières grâce à leurs avantages de sensibilisation chimique et électronique.

Les dispositifs MEMS peuvent être fabriqués chez MEMSCAP US via les procédures MUMPs (Multi-User MEMS). MUMPs est un programme commercial offrant une création MEMS pratique pour la recherche industrielle et académique. MEMSCAP fournit trois procédures standards : PolyMUMPs (trois couches de polysilicium), MetalMUMPs (nickel électrolytique), et SOIMUMPs (silicium sur isolant). Les procédés MEMS découlent des technologies uniques de fabrication de dispositifs semiconducteurs : dépôt, structuration, gravure de couches. Malgré la technologie de fabrication, les capteurs MEMS sont largement utilisés comme instrumentation ou pour le confort humain dans applications industrielles et domestiques. En raison des conditions de travail diverses, différents capteurs MEMS ont été modélisés selon divers principes et matériaux. Les capteurs MEMS sont essentiels dans les systèmes de détection de gaz, incluant capteurs d'humidité et de gaz toxiques.

La MEMS est un domaine large couvrant presque tous les aspects de notre vie actuelle, comme capteurs et actionneurs. Les domaines émergents des microsystèmes électroniques, incluant presque toutes les catégories de produits sous forme miniaturisée, ont contribué au développement rapide des techniques d'actionnement et de détection. L'efficacité d'une application ciblée dépend critique de la sélection appropriée d'un actionneur spécifique. De plus, l'efficacité de base de l'actionneur dépend de facteurs comme l'alimentation et les méthodes de contrôle, la compatibilité, le degré d'encapsulation nécessaire et la rentabilité. Cet article fournit une analyse approfondie des technologies d'actionnement et de détection MEMS pour leurs applications fonctionnelles, en mettant l'accent sur de nombreuses formes courantes de transduction, pour promouvoir l'avancement de ce domaine émergent. Le reste de l'article est organisé comme suit : Section II présente les MEMS, Section III passe en revue les mécanismes d'actionnement (électrostatique, électrothermique, électromagnétique, piézoélectrique), Section IV présente les mécanismes de détection (piézorésistif, capacitif, optique), Section V discute les perspectives des dispositifs MEMS, et Section VI fournit conclusions et tendances futures.

Systèmes microélectromécaniques

La première apparition de la technologie MEMS remonte au 1er avril 1954, quand Smith publia un article aux Bell Telephone Labs décrivant les effets piézorésistifs dans le silicium et le germanium. MEMS n'est pas l'abréviation la plus raisonnable en raison de l'ampleur et de la variété des dispositifs miniaturisés, mais c'est le terme le plus couramment utilisé pour désigner l'ensemble du domaine. Différents noms existent : Microsystems Technology (MST) en Europe, Micromechanics en Asie. Les dispositifs MEMS couvrent un large éventail de domaines pour mesurer l'information de l'environnement et la convertir en signaux électriques utiles. Il existe six domaines d'énergie majeurs :

1. Domaine électrique : champ électrique, courant, tension, résistance, charge, capacité, inductance, constante diélectrique, polarisation, fréquence.
2. Domaine chimique : composition, taux de réaction, concentration, pH, potentiel d'oxydation/réduction.
3. Domaine mécanique : longueur, largeur, aire, dérivées temporelles (vitesse, accélération), débit massique, volume, force, pression, couple, longueur d'onde et intensité acoustiques.
4. Domaine thermique : température, flux, chaleur, chaleur spécifique, entropie, état de la matière.
5. Domaine radiatif : intensité, phase, polarisation, longueur d'onde, réflectance, transmittance, indice de réfraction.
6. Domaine magnétique : intensité de champ, perméabilité, densité de flux, moment magnétique.

L'énergie totale dans un système peut coexister dans plusieurs domaines et passer de l'un à l'autre sous les bonnes circonstances.

Selon l'opération de la puce conçue, les MEMS peuvent être divisés en différentes catégories : détection pour mesurer, surveiller, détecter des gaz dangereux ; dispositifs d'action agissant sur le corps ou avec des fluides corporels, ou à l'extérieur (systèmes d'administration de médicaments). Les dispositifs MEMS sont classés en quatre catégories selon les domaines d'application principaux : fluidique, radiofréquence (RF), optique, et bio-MEMS.

Pour la plupart des technologies actuelles, les capteurs MEMS sont un nouveau domaine privilégié pour de nombreuses applications pratiques, de l'électronique grand public à l'industrie aéronautique. La caractéristique la plus importante est la capacité à communiquer efficacement avec les composants électriques dans les puces semiconducteurs. L'industrie des capteurs a été révolutionnée par la MEMS en combinant fonctions électroniques et actions mécaniques, avec généralement faible consommation et haute sensibilité grâce à la petite taille. Les dispositifs capteurs MEMS ont de nombreux avantages : faible coût grâce à la fabrication en réseau, faible consommation, petite taille, légèreté, haute résolution, performance stable, facilité d'intégration. Les réductions dispositifs micromécaniques ont progressé dans de nombreux domaines : capteurs inertiels, chimiques, imprimantes à jet d'encre, gyroscopes, satellites, communications RF, smartphones, capteurs de pression, accéléromètres, instrumentation biomédicale, applications militaires, capteurs de mouvement et force. Le faible coût et la simplicité de fabrication jouent un rôle crucial dans la fabrication commerciale.

Selon le principe de fonctionnement, les dispositifs capteurs peuvent être divisés en deux catégories : modes statique et dynamique. En mode statique, aucun signal de fréquence n'est inclus ; le faisceau se déforme par adsorption de masse de surface, causant contraintes et déformations structurelles temporaires, détectables optiquement ou par changements piézorésistifs. En mode dynamique, une fréquence de résonance mécanique doit être stimulée pour une performance optimale. La fréquence de résonance est affectée par la constante de raideur du faisceau et sa masse effective. Le facteur de qualité doit être élevé pour obtenir la sensibilité et la résolution souhaitées. Il est nécessaire de comprendre et comparer ces mécanismes car ils sont la base du fonctionnement et de la détection du signal de sortie des dispositifs MEMS.

Techniques d'actionnement

La technique d'actionnement transforme l'énergie d'entrée en mouvement microstructurel. Différents principes existent pour actionner les dispositifs MEMS : actionnement électrostatique, électrothermique, électromagnétique, piézoélectrique. Les dispositifs CMOS-MEMS fonctionnent avec actionnement électrostatique (condensateurs à plaques parallèles) ou électrothermique (micro-réchauffeur). Les dispositifs PolyMUMPs et MetalMUMPs utilisent l'actionnement électrothermique avec micro-réchauffeurs intégrés.

Les dispositifs MEMS peuvent être actionnés en appliquant une force sinusoïdale F(t) via l'une de ces méthodes. L'équation générale du mouvement : Mÿ + bẏ + kγ = F(t), où M est la masse totale, b le coefficient d'amortissement, k la constante de raideur, F l'amplitude de la force externe, et ÿ, ẏ, γ l'accélération, vitesse et déplacement.

Les actionneurs électrostatiques sont très répandus, avec temps de réponse rapide et faible consommation. Les actionneurs électrothermiques sont populaires, offrant grande force et déplacement sous faible tension. Les actionneurs électromagnétiques ont réponse rapide et grand déplacement. Les actionneurs piézoélectriques ont haute sensibilité mais faible force et déplacement par volt. Une bonne compréhension du principe est essentielle pour obtenir un dispositif haute performance.

Actionnement électrostatique

La source principale est le champ électrique du condensateur, reposant sur la force attractive entre deux plaques parallèles à charges opposées. Basé sur la loi de Coulomb, c'est l'un des mécanismes les plus populaires pour actionner les MEMS. Ils ont un design simple, temps de réponse rapide, facilité de fabrication et faible consommation. Cependant, la non-linéarité et la tension de commande élevée sont les principaux inconvénients. Les formes prévalentes sont basées sur condensateur à deux plaques parallèles simples ou structure à peigne interdigité. La méthode conventionnelle est l'actionnement à plaques parallèles où la plaque mobile a une polarité et la plaque fixe l'opposée. Le déplacement dépend de la différence de tension. Lorsque les polarités sont similaires, répulsion ; quand différentes, attraction. L'actionnement résulte du changement périodique des charges sur la plaque mobile.

L'instabilité de pull-in est un problème majeur avec les plaques parallèles électrostatiques car la plaque fixe est sous le microfaisceau et la friction statique cause l'effondrement. Les actionneurs à peigne comportent deux ensembles de doigts interdigités. Placés en parallèle au substrat, un peigne est fixe, l'autre mobile via des structures flexibles (ressorts). Une tension différente appliquée entre les doigts attire les deux peignes. Les condensateurs à plaques parallèles sont plus forts par unité de surface, mais les concepteurs préfèrent les actionneurs à peigne pour leur plus grand déplacement (dizaines de micromètres) et leur force moins liée au déplacement. L'actionnement électrostatique trouve de larges applications : actionneurs micromécaniques, biosenseurs, détection d'humidité, détection de particules et masses, nanpositionnement MEMS, commutateurs RF MEMS, bruit en boucle fermée d'oscillateurs MEMS, navigation (GPS automobile), gyroscopes, détection de biomarqueurs dans l'haleine, capteurs de gaz massiques. Un modèle théorique de dispositif CMOS-MEMS à actionnement électrostatique et détection capacitive pour dépistage non invasif du diabète a aussi été rapporté (détection vapeur d'acétone dans l'haleine, polymère chitosane comme matériau sensible, sensibilité optimisée ~0,042–0,26 pm/ppm).

Pour exciter un dispositif MEMS en condition de résonance ou vibration, une tension alternative doit être appliquée entre les deux plaques. Les modes de commande standards : tension alternative simple (V₁sinωt), tension alternative avec polarisation DC (V₀ + V₁sinωt), et commande push-pull. Le push-pull est généralement la meilleure solution car des forces structurelles s'appliquent des deux côtés du rotor, idéal pour le schéma à peigne.

Actionnement électrothermique

Les techniques électrothermiques sontmostly utilisées dans les entraînements MEMS, rarement en détection. Elles conviennent aux configurations flexibles pour générer le mouvement souhaité. L'entraînement se fait par un courant AC appliqué aux bornes du micro-réchauffeur intégré, la force thermique résultant de la différence de température entre couches. Le micro-réchauffeur, fait de matériaux multicouches, fonctionne à températures élevées. Quand le courant AC passe, la température monte ; par inadéquation du coefficient de dilatation thermique (CTE) des matériaux, l'expansion cause une contrainte thermique qui courbe le dispositif. Le refroidissement se fait par conduction au substrat et convection vers l'air (ou liquide).

Ces changements de température affectent le dispositif de deux façons : (1) changements dimensionnels ou contraintes internes, (2) variation des propriétés matérielles avec la température. La technique nécessite un micro-réchauffeur compact. Le micro-réchauffeur génère la chaleur désirée par un courant spécifique dans une résistance, résultant en faible dissipation et réponse rapide. La force électrothermique : F_th = α_T A E (T - T₀), où α_T est le CTE, E le module de Young, A la section transversale, T la température finale, T₀ la température initiale. Plusieurs matériaux pour micro-réchauffeurs : platine et or pour meilleure performance, précision, gamme de température et stabilité, mais coûteux. L'aluminium est aussi bon pour la détection de température. La figure 6 montre les mécanismes courants : actionneur à U (bras chaud/froid), actionneur bimorphe (bi-matériau), actionneurs à flambage (V-beam ou poutres navette).

Les actionneurs à U (bras chaud/froid) ont un bras étroit (chaud), un bras large (froid), ancrages et plots de contact. Utilisés pour l'excitation dans le plan. Le principe : tension différentielle sur les plots, courant traversant les bras, le bras chaud (résistance plus élevée) chauffe plus par densité de courant. Le bras chaud plus étroit s'étend plus que le bras épais. La contrainte thermique différentielle fait dévier le dispositif.

L'actionneur bimorphe (bi-matériau) consiste en deux matériaux à dilatation thermique différente collés. Utilisé pour l'actionnement hors plan. Le passage du courant augmente la température, produisant une plus grande expansion dans un matériau, causant contrainte thermique et courbure.

Les actionneurs à flambage thermique (V-beam ou navette) ont un V-beam ou poutre navette, ancrages et plots, utilisés pour l'actionnement dans le plan ou latéral. Le courant traversant la poutre cause une élévation de température et une expansion thermique par effet Joule, tendant à déplacer la navette ou pousser la poutre centrale.

En pratique, la majorité des dispositifs MEMS à actionnement thermique vibrent près de la fréquence naturelle, il est donc essentiel de la calculer. La technologie électrothermique prévaut grâce à sa grande force et déplacements par dilatation thermique de deux couches sous très faible tension d'excitation, inégalable par d'autres stratégies. Avantages : grand déplacement, facilité de fabrication, grande force, tension appliquée relativement faible. Inconvénients : besoin de courant élevé et amplificateur basse tension, consommation élevée par effet Joule, sensibilité à la température ambiante, température d'excitation et chaleur pouvant induire des inconvénients pour l'électronique voisine et l'encapsulation.

De nombreux types d'actionnement électrothermique ont été développés : bras chaud/froid, bimorphe/bi-matériau, actionneur à flambage thermique. Des travaux ont étudié les vibrations de micro-levier sous actionnement thermique (bimorphe), une procédure structurée pour l'actionnement thermique d'anneau micro en polysilicium (RTA) via MUMPs, un micro-levier basé sur actionnement thermique (système en vide ou fluide). Dennis et al. ont fabriqué un système CMOS-MEMS avec micro-réchauffeurs intégrés (40–80 °C) pour mesurer l'humidité avec nanoparticules TiO₂, actionnement électrothermique et détection piézorésistive (pont de Wheatstone). Tension de sortie de 0,585 à 30,580 mV pour humidité 35–95 % RH, sensibilité linéaire 0,102–0,501 mV/% RH (40–80 °C), hystérésis max 0,87 % RH à 80 % RH. Almur et al. ont modélisé un système de détection vapeur d'acétone MetalMUMPs par actionnement électrothermique et détection capacitive. Variation tension de sortie linéaire avec concentration acétone 100–500 ppm, sensibilité 0,65 mV/ppm. Masse élevée (4,7×10⁻⁸ kg) et faible sensibilité massique (0,118 MHz/pg) due à la couche nickel épaisse MetalMUMPs.

Actionnement électromagnétique

L'opération électromagnétique est utilisée depuis longtemps dans la détection et l'entraînement d'applications à grande échelle (haut-parleurs). Elle nécessite l'électricité pour stimuler l'effet magnétique. Elle utilise la force électromagnétique (force de Lorentz, d'après Hendrik A. Lorentz 1895) pour produire un champ magnétique au résonateur en appliquant un courant alternatif sur la bobine ou l'inductance intégrée. La force de Lorentz est la force sur une charge ponctuelle résultant des forces électriques et magnétiques combinées. L'actionnement électromagnétique a aussi guidé d'autres techniques (électrostatique, électrothermique). Quand un conducteur portant courant I est soumis à un champ magnétique externe B, une force de Lorentz F_L = L I × B est induite, où L est la longueur du conducteur. Le courant dans l'élément conducteur dans le champ magnétique génère une force électromagnétique perpendiculaire au courant et au champ, proportionnelle au courant, densité de flux magnétique et longueur du microfaisceau. L'interaction entre le courant, l'aimant et le champ magnétique génère un déplacement mécanique sur le microfaisceau. Exemples : stimulation de microfaisceau exposé à champ magnétique externe par courant traversant le microfaisceau (Fig. 7a) ; excitation de résonateur hors plan par courant alternatif sur microfaisceau (Fig. 7b) ; forces de Lorentz égales et opposées si bobine déposée sur structure de microfaisceau, s'annulant (Fig. 7c induit mouvement net).

L'actionnement électromagnétique présente de nombreux avantages : grand déplacement sans effet non-linéaire, tensions plus basses (basé sur courant pas tension), haute reproductibilité, réponse rapide, haute précision, contrôle facile. Pour MEMS, c'est le meilleur choix pour maximiser le rapport force d'entraînement/taille de dispositif. Inconvénients : courant énorme entraînant consommation élevée, fabrication compliquée (besoin pièces inductives pour flux magnétique, fabrication bobines, dépôt matériau magnétique). Ces difficultés ont limité les applications magnétiques. Exemples réussis : commutateurs MEMS, commutateurs optiques, micro-scanners, gyroscopes, relais. Recherches basées sur actionnement magnétique. Microsenseurs magnétiques avec processus CMOS 0,35 µm étudiés. Barba et al. ont conçu des micro-levriers MEMS actionnés électromagnétiquement pour minimiser phénomènes parasites avec silicium dopé bore. Un dispositif CMOS-MEMS actionné électromagnétique et piézoélectrique, détecté piézorésistivement pour détection humidité avec ZnO NRs (6 µm/chitosane SAMs) a été modélisé, sensibilité 83,3 ppm.

Actionnement piézoélectrique

L'effet piézoélectrique indique la capacité d'un matériau à produire une tension électrique en réponse à une contrainte mécanique. Découvert par les frères Curie en 1880, "piézo" vient du grec "presser". Un actionneur piézoélectrique convertit un potentiel appliqué en mouvement mécanique ou déformation par l'influence piézoélectrique. Matériaux : quartz, oxyde de zinc, titanate de zirconate de plomb (PZT, céramique piézoélectrique), polyvinylidène difluorure (PVDF), utilisés en capteurs et actionneurs macro et MEMS, mais détection limitée par absence de réponse DC. Les matériaux piézoélectriques agissent comme isolants électriques, devant être placés entre deux électrodes conductrices pour collecter la charge ou appliquer un champ électrique (électrodes interdigitées ou structure sandwich).

Dans les dispositifs MEMS, le principe de base de l'actionnement piézoélectrique utilise une fine couche piézoélectrique déposée comme partie du faisceau MEMS entre parties flexibles. Quand une tension est appliquée, le matériau piézoélectrique se dilate selon la polarisation, causant une flexion axiale le long du faisceau flexible.

En général, les actionneurs piézoélectriques ont de nombreux avantages : force de sortie élevée, bonne bande passante, taille très compacte, légèreté, faible consommation, réponse rapide. Leurs caractéristiques sont bien connues et utilisées depuis des décennies. La plupart des premiers capteurs utilisent l'actionnement piézoélectrique et sont encore utilisés. Cependant, les petits déplacements sont un inconvénient majeur, ainsi que la haute sensibilité à la température, la zone de fonctionnement non-linéaire et l'hystérésis limitant les applications. Les matériaux piézoélectriques sont très fragiles, rarement utilisés seuls, souvent connectés à une structure flexible pour actionnement et détection. Plusieurs travaux basés sur actionnement piézoélectrique ont étudié le potentiel de micro-levier piézorésistif pour applications environnementales, notamment détection humidité. Mahdavi et al. ont proposé une nouvelle classe de mesures précises du point de rosée avec résonateurs TPoS (Piézoélectrique-sur-Silicium mince) utilisant ZnO NRs (6 µm/chitosane SAMs), sensibilité 16,9–83,3 ppm (temps réponse 46 s/167 s). Sensibilité au chargement massique par excitation piézoélectrique pour détection chimique. Transduction piézoélectrique de résonateurs silicium mode flexion pour compensation température efficace. Capteur gaz à résonance MEMS piézoélectrique pour applications défense.

Discussion sur les techniques d'actionnement

Différents actionneurs MEMS nécessitent différentes électroniques de commande. Les principes principaux : électrostatique, électrothermique, électromagnétique, piézoélectrique. Les actionneurs électrostatiques sont traditionnels et populaires : design simple, réponse rapide, fabrication facile, faible consommation. Inconvénients : non-linéarité, tension de commande élevée. Les actionneurs électrothermiques offrent très faible résistance à leurs sources, nécessitent courants élevés plutôt que tensions. Les amplificateurs haute tension ne conviennent pas ; source faible tension, fort courant requise. Pour MEMS, la technologie électromagnétique est le meilleur choix pour maximiser le rapport force/taille. Inconvénients : courant énorme = consommation élevée, fabrication compliquée (pièces inductives, bobines, matériau magnétique). Les actionneurs piézoélectriques nécessitent aussi amplificateurs haute tension, mais utilisés pour résonance, besoins en tension généralement inférieurs aux autres actionneurs. Les recherches récentes sur dispositifs capteurs MEMS actionnés par ces quatre techniques montrent une tendance croissante dans le micro-assemblage et la micromanipulation. Aujourd'hui, large gamme d'applications identifiées pour dispositifs capteurs MEMS offrant haute sensibilité et résolution. Les systèmes de détection deviennent plus robustes et fiables grâce à l'intégration.

Mécanismes de détection pour le signal de sortie

Le mécanisme de détection perçoit la sortie des dispositifs MEMS. Le principe de base utilise un polymère déposé sur la couche de détection pour absorber un chimique créant une variation de contrainte, masse, caractéristiques électriques ou mécaniques du faisceau. Pour estimer le changement de masse, la fréquence de résonance peut être mesurée basée sur l'incrément de masse détecté. Alternativement, quand le polymère absorbe la masse, un piézorésistor sur la surface de l'élément de détection peut estimer la masse du faisceau. Une autre méthode : thermocouples pour mesurer les changements de température dus à la chaleur générée par l'absorption de l'analyte par le polymère.

Pour détecter la sortie, on utilise des méthodes piézorésistives, capacitives ou optiques. Chaque mécanisme a avantages et inconvénients. Par exemple, la détection optique a bonne faisabilité mais est très coûteuse comparée aux techniques capacitive et piézorésistive. Ces deux dernières sont les méthodes communes. Le dispositif CMOS-MEMS était conçu pour englober les deux techniques grâce aux caractéristiques du CMOS 0,35 µm. En revanche, PolyMUMPs et MetalMUMPs utilisaient seulement la détection capacitive.

Détection piézorésistive

La détection piézorésistive est un principe courant en MEMS. Le principe : changement de résistance quand la contrainte change en réponse à une contrainte appliquée. Ce changement se voit dans la résistance électrique du matériau comme conséquence d'un changement de contrainte de surface par flexion. La résistance R = ρl/A (ρ résistivité, l longueur, A section). Le changement ΔR est proportionnel à la contrainte appliquée : ΔR = G ε R, où G est le facteur de jauge, ε la contrainte, R la résistance. Un élément piézorésistif se comporte différemment selon composantes longitudinale et transversale de la contrainte. Selon l'équation, la résistance peut varier par changements de géométrie (longueur, section) ou propriété matériau (résistivité). La détection piézorésistive dépend de la différence de résistivité quand une contrainte est appliquée. Dans un matériau piézorésistif, le changement de résistivité par contrainte a un effet bien plus grand sur la résistance que le changement par géométrie (capteurs basés sur géométrie = jauges de contrainte). La figure 10 montre différentes orientations de résistances et directions de chargement externe.

Le principal inconvénient est la forte dépendance de la résistivité à la température. Pour limiter cet impact, on utilise normalement un agencement de quatre piézorésistances formant un pont de Wheatstone, limitant la dépendance thermique. De plus, les petits changements de signal électrique sont traduits et mesurés en tensions via ce pont. Le pont de Wheatstone utilise quatre résistances dans les quatre bras. Selon le nombre de résistances actives (transducteurs), on a pont simple (simple transducteur), demi-pont (double), pont complet (quadruple). Le pont simple (quart de pont) utilise un seul composant actif changeant par ambiance physique (pression, force, température), les autres passifs. Les systèmes MEMS utilisés comme température, calorimètre, et avec pont de Wheatstone permettent de compenser les fluctuations de base. Le système de pont thermique est l'une des plates-formes de détection les plus connues en MEMS. Dans la configuration pont de Wheatstone à commande AC, on a utilisé la thermométrie par résistance pour analyser les changements de température avec résolution micro-Kelvin. En résumé, la moitié droite du pont comprend une résistance de détection sur la branche inférieure avec résistance associée sur la supérieure, le côté gauche étant le matching. Des résistances fixes à faible coefficient de température sont utilisées avec valeurs choisies pour améliorer stabilité et résolution.

Les piézorésistances en silicium et patches en polysilicium sont généralement utilisés en capteurs MEMS. La résistivité du silicium dépend de son dopage. Type N moins sensible que type P, limitant la fabrication. Dans ce cas, transversal dans le plan et longitudinal dans le plan sont les éléments les plus significatifs. Pour matériaux semiconducteurs comme le silicium, les facteurs de jauge longitudinal et transverse dus au changement de géométrie sont très petits comparés à ceux dus au changement de résistivité, donc le changement de géométrie peut être ignoré. Les facteurs de jauge dus seulement au changement de résistivité sont trouvés par G_L = π_L E et G_T = π_T E, où E est le module de Young, π_L et π_T les coefficients piézorésistifs longitudinal et transverse pour grains de polysilicium orientés arbitrairement.

Actuellement, l'effet piézorésistif est utilisé pour détection bio/chimique, humidité, commutateurs, détection biomarqueurs dans l'haleine, micro-scanners, détection pression, capteurs de gaz massiques. Zope et al. ont développé un résonateur piézoélectrique à détection résistive et entraînement thermique composé principalement de matériau CMOS pour détection massique, sensibilité massique 24,96 kHz/ng, résolution massique extraite 16,3 fg, grand potentiel comme capteur aérosol.

Détection capacitive

Le mécanisme capacitif mesure les changements de capacitance entre doigts stator/rotor ou entre plaque fixe et mobile. La détection capacitive est la méthode dominante pour applications micromachinées grâce à sa compatibilité avec toutes les approches de fabrication et sa rigidité. Avantages : haute sensibilité, faible consommation, design simple, faible dérive, faible dépendance thermique. La mesure du signal de sortie peut être facilement fabriquée sur puce PolyMUMPs par détection capacitive. Un seul condensateur à plaques parallèles peut détecter les variations de fréquence naturelle ou d'amplitude (CMOS-MEMS, PolyMUMPs) ou par doigt de peigne (MetalMUMPs).

Pour CMOS-MEMS et PolyMUMPs, sans actionnement (Fig. 12a), la capacitance statique initiale C_s0 entre plaque fixe inférieure et plaque mobile supérieure : C_s0 = ε A_s / z₀ (ε permittivité relative, A_s aire plaques, z₀ gap). Quand la plaque mobile se déplace de z (Fig. 12b), le gap change et la capacitance devient C_s(z) = ε A_s / (z₀ - z) = C_s0 z₀/(z₀ - z).

Pour MetalMUMPs, la sortie est détectée capacitivement par design à doigts de peigne différentiel. Deux ensembles de doigts de peigne fixes pour capacitance différentielle. Condition initiale (Fig. 13a) : capacitance statique C₀ = n ε l_f w_f / d (l_f, w_f longueur/largeur zone chevauchement, d gap, n nombre doigts vibrants). Quand le dispositif se déplace de y vers un doigt fixe (Fig. 13b), les capacitances C₁ et C₂ changent : C₁(x) = n ε l_f w/(d - y), C₂(x) = n ε l_f w/(d + y). Le signal de sortie est mesuré en tension par changement de capacitance de détection via circuit de lecture capacitive MS3110 traduisant le changement en variation de tension de sortie en réponse à la température des micro-réchauffeurs. Aujourd'hui, effets capacitifs utilisés en résonateurs MEMS, biosenseurs, capteur humidité, dépistage diabète, navigation GPS, accéléromètre bas bruit, commutateurs capacitifs RF MEMS.

Détection optique

La détection optique dépend de la détection des changements de lumière transmise vs reçue. La détection d'espèces chimiques par stratégie de transmission spectrale est largement reconnue. Les capteurs optiques sont notables pour leur sélectivité car ne reposant sur aucune réaction chimique ni catalyseur. L'identification de polluants atmosphériques utilise les caractéristiques des espèces optiques (absorption, indice de réfraction, diffusion Raman, fluorescence, réflexion). Les capteurs optiques utilisent mesures d'émission et absorption via technologies : spectroscopie IR à transformée de Fourier (FTIR), résonance plasma de surface (SPR), spectroscopie d'absorption optique différentielle (DOAS), spectroscopie d'absorption laser diode (LDAS), spectroscopie à anneau cavité (CRDS), spectroscopie IR non dispersive (NDIR), détection et télémétrie par lumière (LIDAR), fluorescence UV, chimiluminescence pour détection polluants atmosphériques. Normalement, la lumière traverse, est modifiée ou réfléchie par un espace contenant le milieu pertinent. La loi de Beer-Lambert gouverne la détection optique : I = I₀ e^{-αl} (I lumière transmise, I₀ reçue, α absorbivité, l longueur parcours).

Bien que la majorité des applications MEMS optiques soient dans les communications, il existe divers usages. La littérature couvre de nombreuses tentatives pour détection optique de polluants. Certains capteurs reconnaissent des chimiques, montrant le rôle multifonctionnel. La spectrométrie IR est un exemple de technique pour détection optique. Huang et al. ont démontré la simulation d'un accéléromètre MEMS optique intégré : fréquence résonance 562,85 Hz, sensibilité mécanique 781,64 nm/g, sensibilité système optique 1,23, résolution 1,037 µg, faible sensibilité croisée. Proposé pour amélioration navigation inertielle MEMS. Autre modèle : capteur optique Fabry-Pérot. Principe : introduire gaz dans chambre, faire passer lumière. Par changements composition, lumière traversant diffère de sans gaz. Lumière analysée, confirmation sur type gaz. Test fructueux d'un capteur MEMS optique pour détection catéchol : mesure absorbance oxydation catéchol par lumière bleue (472 nm) via MEMS. Lumière transmise par laser bleu espace libre mode onde continue, focalisée sur fibre multimode manuellement alignée. Lumière reçue couplée par fibre optique à spectrophotomètre USB pour collecte informatisée.

Discussion sur les mécanismes de détection

Les mécanismes de détection peuvent être divisés en trois types : piézorésistif, capacitif, optique. Chacun a avantages et inconvénients. La détection optique a bonne faisabilité mais coûteuse vs capacitive et piézorésistive. Donc ces deux dernières sont les méthodes communes. Tout petit changement de contrainte détectable par technique piézorésistive. Inconvénient principal : forte dépendance de la résistivité à la température. Le tableau 3 présente les travaux récents (5 ans) incluant mécanismes actionnement/détection, matériaux sensibles, technologie fabrication, application. Le microprocesseur miniaturisé (tableau 4) peut être utilisé pour détection gaz/humidité, dépistage santé humaine, navigation inertielle avec bonne répétabilité, haute résolution, haute sensibilité, réponse rapide. De plus, les capteurs MEMS se sont avérés être un média efficace pour capteurs combinés avec circuitry électronique sur puce. Ils peuvent fonctionner non seulement comme puce capteur portable mais aussi comme partie d'un réseau IoT pour suivi humidité haute sensibilité temps réel et à distance.

Discussion

Les développements récents concernent de nouvelles technologies récoltant l'énergie de l'environnement, car les sources d'énergie micro/nano auto-suffisantes et durables sont un domaine émergent de la nanoénergie, impliquant nanomatériaux et nanotechnologie pour alimenter systèmes micro/nano. La charge triboélectrique est produite seulement en surface par friction physique entre deux matériaux séparés. Le nanogénérateur triboélectrique (TENG) transforme l'énergie mécanique en séparation de contact ou glissement relatif entre deux matériaux à polarités opposées. Le TENG repose sur l'effet de couplage entre triboélectricité et induction électrostatique, avec progrès et applications potentielles comme nouvelle technologie énergétique et capteurs actifs auto-alimentés. L'approche suggérée utilise le transfert d'énergie biomécanique en électricité depuis l'activité humaine. Une étude réussie a été investiguée pour conversion en énergie portable depuis dispositifs biométriques portables et capteurs auto-alimentés basés sur triboélectricité (charge produite surface de contact).

• Pour diminuer la consommation pendant le fonctionnement, des capteurs de réveil ou quasi zéro consommation doivent être proposés et investigués, signifiant qu'ils n'ont aucune consommation d'énergie. Avec ces composants MEMS, les capteurs MEMS peuvent fonctionner longtemps ou en auto-alimenté.
• Vers les capteurs orientés futur, les capteurs flexibles sont devenus sujets chauds de recherche récente grâce à leur polyvalence et grand potentiel en applications santé/êtres humains. Capteurs flexibles souvent combinés avec capteurs portables pour leurs avantages uniques. Plus qu'utiliser capteur flexible comme portable pour observation, ils peuvent servir d'interface homme-machine pour exigences supérieures. Avec l'amélioration de la qualité de vie, dispositifs portables et interfaces homme-machine sont reconnus comme directions importantes pour développer capteurs futurs avec flexibilité et capacités de détection polyvalentes. Dispositifs électroniques portables s'intègrent simplement au corps pour étendre nos capacités de perception. Fonctions capteurs : force, contrainte, électrophysiologie, moniteurs fréquence cardiaque, température, trackers fitness, etc. Avec divers dispositifs à positions anatomiques différentes, développement d'applications capteurs corps humain facilité : soins hospitaliers, fitness, bien-être, interfaces homme-machine, reconnaissance et évaluation états cognitifs.
• En combinant capteur MEMS avec intelligence artificielle (IA), la prochaine génération de capteurs fournira un impact évolutif clair et aidera les humains à interagir avec d'autres choses dans diverses circonstances. L'amélioration rapide de la société moderne a observé l'association croissante hommes-machines, exigeant d'énormes dispositifs intelligents homme-machine. Autour de données massives et détection hypersensible, capteur MEMS utilisant stratégie apprentissage automatique stimule dramatiquement l'expansion du système de détection intelligent next-gen. Ce système interactif avec capteurs next-gen offre aux consommateurs une expérience plus complète. Utilisable pour nombreuses applications pratiques : simulation entraînement sportif, divertissement, rééducation médicale, etc.

Conclusions et tendances futures

Il est bien reconnu que les capteurs MEMS jouent un rôle clé dans la miniaturisation et les microcircuits électroniques. Il est nécessaire de comprendre et comparer ces mécanismes car ils sont la base du fonctionnement et de la détection du signal de sortie des dispositifs MEMS. Cet article passe en revue plusieurs mécanismes d'actionnement et de détection populaires liés aux dispositifs MEMS émergents ces dernières décennies. Il introduit un aperçu descriptif de l'avancement des mécanismes d'actionnement et de détection des dispositifs capteurs MEMS. Les tendances actuelles et restrictions sont présentées avec une perception précieuse du domaine des technologies d'actionnement et détection émergentes. Une discussion complète souligne l'importance des mécanismes, leur structure, principes, classification, fabrication et applications. La bonne compréhension des mécanismes d'actionnement et détection pour dispositifs capteurs MEMS joue un rôle vital dans leur sélection et application efficace dans diverses technologies innovantes. De plus, la sélection appropriée des techniques d'actionnement et détection dans les capteurs MEMS selon l'application désirée (sensibilité, fréquence résonance, tension entrée/sortie, température, etc.) mènera à commercialisation rapide et meilleure stabilité produit.

Pour effectuer diverses tâches pour différentes applications (industrie, équipement électronique), différents dispositifs MEMS avec différentes structures collaborant avec divers mécanismes d'actionnement et détection surgiront dans la vie réelle. Les dispositifs MEMS ne serviront pas seulement pour tâches simples mais aussi pour travaux plus complexes. En même temps, ils auront plus de liberté et pourront répondre aux besoins de diverses applications. Cependant, pour poursuivre haute précision et miniaturisation, la complexité de la conception MEMS continuera d'augmenter. Les produits MEMS ont une relation étroite avec le marché. On peut prédire que les dispositifs MEMS réaliseront plus de fonctions, miniaturisation et faible coût, défi énorme pour autres produits. Donc, dans les prochaines années, les approches de fabrication MEMS évolueront vers un niveau supérieur pour répondre à la demande du marché. Avec l'avancement des processus de fabrication, les fabricants de matériel unique chercheront des cycles de fabrication plus courts et vitesses plus rapides.

Un des domaines centraux de la tendance future est la recherche sur la fiabilité et méthodes d'amélioration. De nouveaux matériaux et techniques de fabrication rentables offriront d'importantes opportunités de développement. Il a été démontré que la capacité de conception n'est pas limitée aux principes standards et peut améliorer la performance qualitative. Malgré les avantages MEMS, quelques défis persistent :

• Les films minces MOS traditionnels par techniques MEMS montrent souvent une sensibilité médiocre aux gaz cibles due à la structure de surface compacte et faible cristallinité.
• Des études récentes ont essayé d'intégrer des nanomatériaux MOS haute performance sur micro-réchauffeurs. Mais il est difficile de contrôler et déposer les nanomatériaux MOS base slurry sur la zone chauffante suspendue des micro-réchauffeurs. Le faible rendement et la grande déviation dispositif-à-dispositif entravent la fabrication à grande échelle.
• Il est aussi compliqué d'améliorer l'adhérence entre micro-réchauffeurs et matériaux sensibles pour obtenir paramètres stables, surtout à hautes températures > 350 °C, résultant en performance de détection diminuée et faible stabilité.
• Fabriquer des films sensibles haute sensibilité par méthodes compatibles MEMS est un objectif urgent.
• Vers une nouvelle ère, différents défis attendent les capteurs MEMS en termes d'alimentation et intelligence pendant le fonctionnement : flexibilité applications portables, capacités interactives conviviales interfaces homme-machine, analyse données massives.

Disponibilité des données et matériaux

Non applicable.

Abréviations

MEMS :

Système microélectromécanique

pH :

Potentiel hydrogène

CI :

Circuits intégrés

LOD :

Limite de détection

MUMPs :

Multi-utilisateur MEMS

MST :

Technologie microsystèmes

RF :

Radiofréquence

CMOS :

Semiconducteur métal-oxyde complémentaire

CTE :

Coefficient de dilatation thermique

AC :

Courant alternatif

DC :

Courant continu

RTA :

Actionnement thermique annulaire

PVDF :

Polyvinylidène difluorure

GPS :

Système de positionnement global

FTIR :

Spectroscopie IR à transformée de Fourier

SPR :

Résonance plasma de surface

DOAS :

Spectroscopie d'absorption optique différentielle

LDAS :

Spectroscopie d'absorption laser diode

CRDS :

Spectroscopie à anneau de cavité

NDIR :

Infrarouge non dispersif

LIDAR :

Détection et télémétrie par lumière

IDE :

Électrodes interdigitées

PZR :

Piézorésistif

EFS :

Capteur champ électrostatique

IA :

Intelligence artificielle