Comprendre les MEMS : Systèmes micro-électro-mécaniques, types et applications

Un Système Micro-Électro-Mécanique, ou MEMS, est un dispositif ou une machine miniature composé de composants à la fois mécaniques et électriques, fabriqué en utilisant des techniques de microfabrication.

Le terme « MEMS » est souvent utilisé pour décrire à la fois une catégorie de systèmes mécatroniques microscopiques et la technologie de processus employée 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 couramment connus sous le nom de technologie des microsystèmes, et au Japon, on les appelle micromachines.

Taille des MEMS

La dimension physique des dispositifs MEMS peut varier de 20 micromètres à un millimètre. Ils sont constitués de composants entre 1 et 100 micromètres de taille.

Alors que les composants individuels peuvent être plus fins qu'un cheveu humain, de multiples modules disposés en réseaux 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 microsenseurs).

Types de MEMS

Il existe deux formes de technologie de commutateur MEMS : ohmiques et capacitifs.

1. MEMS ohmiques : Les commutateurs ohmiques sont développés en utilisant des cantilevers électrostatiques. Comme les cantilevers se déforment avec le temps, ces commutateurs peuvent tomber en panne par usure de contact ou fatigue métallique.

2. Commutateurs capacitifs : Ils sont contrôlés par une plaque mobile ou un élément de détection qui modifie la capacitance. En exploitant leurs caractéristiques résonantes, ils peuvent être configurés pour surpasser les dispositifs ohmiques dans des gammes de fréquences spécifiques.

Comment sont-ils construits ?

Si l'intérêt pour la production de MEMS a grandi dans les années 1980, il a fallu près de deux décennies pour établir l'infrastructure de conception et de fabrication requise pour leur développement commercial. L'un des premiers dispositifs produits étaient les têtes d'impression à jet d'encre et les contrôleurs d'airbag.

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 microsenseurs sont devenus plus populaires : ils ont été progressivement intégrés dans différents types de capteurs, notamment pour les radiations, champs magnétiques, température et pression.

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

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

• Dépôt : De fines couches (entre 1 et 100 micromètres) de matériau sont déposées sur une surface spéciale.
• Structuration : Un motif est transféré dans un matériau en utilisant un processus appelé lithographie.
• Gravure : Le matériau est dissous soit dans une solution chimique, soit en utilisant des ions réactifs pour produire les formes requises.
• Préparation du die : Une fois les dispositifs MEMS préparés sur une tranche de silicium, les dies individuels sont séparés, puis le sciage de tranche est effectué à travers un liquide de refroidissement ou un processus laser à 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 faits de métal par électrodéposition, évaporation et pulvérisation cathodique. Les métaux qui présentent un haut degré de fiabilité incluent 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 grands volumes, avec diverses caractéristiques de matériaux.

En quoi les MEMS diffèrent-ils des NEMS ?

Les NEMS (pour nano-systèmes électromécaniques) sont une classe de dispositifs présentant des caractéristiques électriques et mécaniques à l'échelle nanométrique. Les NEMS forment l'étape logique suivante de miniaturisation après les MEMS.

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

Bien que les NEMS et MEMS soient désignés comme des technologies distinctes, ils dépendent l'un de l'autre. Par exemple, un microscope à effet tunnel à pointe de balayage, qui détecte les atomes, est un dispositif 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, les mécanismes de détection basés sur la surface et les effets quantiques mécaniques à grande échelle sont également cruciaux.

Contrairement aux MEMS, la technologie NEMS utilise des matériaux à base de carbone, spécifiquement le diamant, les nanotubes de carbone et le graphène. En raison des avancées substantielles dans la croissance, la manipulation, la connaissance des propriétés électriques et mécaniques du graphène, les chercheurs s'intéressent davantage au graphène pour les dispositifs NEMS, tels que capteurs de pression, résonateurs, accéléromètres, et plus.

Exemples et applications

À mesure que les MEMS deviennent plus efficaces et moins chers 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 pour divers usages, tels que le contrôle électronique de stabilité et le déploiement d'airbags
• Systèmes de chauffage et refroidissement pilotés par capteurs pour la gestion technique des bâtiments
• 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 pour véhicules en silicium
• Micro-récupérateurs d'énergie électrostatiques, électromagnétiques et piézoélectriques (utilisés pour la récupération d'énergie)
• Petits microphones, baromètres et gyroscopes pour supporter les applications smartphone
• Micronozzles utilisés 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 firmes offrent de la valeur dans les solutions innovantes et gèrent les coûts de fabrication personnalisée avec des marges de vente élevées. Les grandes firmes fabriquent principalement des pièces bon marché à haut volume ou des solutions packagées pour les marchés finaux, tels que l'électronique, le biomédical et l'automobile. Généralement, les petites et grandes entreprises investissent dans la recherche et le développement pour construire de nouvelles technologies MEMS.

Selon Grand View Research Inc, la taille du marché mondial des MEMS est estimée à 28,84 milliards USD d'ici 2024. En 2015, elle était d'environ 12 milliards USD. 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 de revenus mondiale).

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