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RÉSUMÉ
Cet article traite de la naissance du concept de microsystème à partir de la microélectronique, et des évolutions depuis les débuts jusqu’aux applications récentes autour des systèmes de capteurs intelligents et connectés. Après quelques définitions, les méthodes de conception d’un microsystème sont données, en s’appuyant sur l’exemple typique de la micro-poutre. Les principes de fonctionnement en mode capteur ou actionneur sont présentés et illustrés par des exemples. Ensuite, les technologies de fabrication de ces microsystèmes sont décrites, en insistant sur les spécificités liées au couplage mécanique-électronique des dispositifs à réaliser, et jusqu’aux problématiques d’interconnexion et mise en boîtier.
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Gaëlle LISSORGUES : Professeure ESIEE Paris - Laboratoire ESYCOM, université Gustave Eiffel, Noisy-Champs, France
INTRODUCTION
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, des capteurs, le traitement du signal associé et des actionneurs. La nouveauté tenait à l’époque 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 industriel avec des perspectives d’intégration et de fabrication collective à moindres coûts. De nombreux exemples de réalisations ont été explorés, et plusieurs générations de produits ont été commercialisées à partir des années 1990-2000, depuis les accéléromètres des airbags de voiture en passant par les têtes d’impression à jet d’encre, les micromiroirs des vidéoprojecteurs, puis les microcommutateurs et les filtres pour les télécoms ou les puces microfluidiques.
Ces nouveaux dispositifs se sont appelés MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) aux États-Unis, micromachines au Japon et MST (MicroSystems Technologies) en Europe, ou simplement microsystèmes en France. Un atout majeur est de combiner la microélectronique et les technologies de fabrication dans une conception unique.
L’article qui suit commence par des éléments de contexte autour de la naissance de ce concept de microsystèmes, avec quelques exemples illustratifs, puis donne les définitions et les principaux principes de fonctionnement permettant leur conception. Il décrit les fonctions de base disponibles en termes de capteurs (micromécaniques, chimiques et biochimiques, optiques, magnétiques…), et d’actionneurs (électrostatiques, piézoélectriques et électromagnétiques…). Il présente ensuite les procédés de fabrication, en particulier ceux spécifiques aux microsystèmes, jusqu’aux aspects de mise en boîtier. Il décrit les technologies de base de fabrication en explicitant en quoi elles s’inspirent de la microélectronique et sur quels points elles apportent de la nouveauté. Un certain nombre d’applications sont proposées pour illustration tout au long de l’article.
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- Version archivée 1 de août 2000 par Daniel ESTÈVE, Jean SIMONNE
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Conclusion3. Technologies des microsystèmes
Le matériau « roi » des microsystèmes est le silicium (Si) que nous connaissons pour ses caractéristiques de semi-conducteur appliqué à la microélectronique. Il possède également d’excellentes propriétés mécaniques et d’innombrables possibilités de combinaisons pour réaliser des fonctions optiques, chimiques ou biochimiques. De plus, le caractère cristallin du silicium permet d’assurer une très bonne reproductibilité des propriétés des composants.
La technologie des microsystèmes MEMS est héritière de toutes les technologies mises au point pour la réalisation de composants électroniques, de circuits intégrés numériques ou analogiques et de dispositifs de puissance. Ces technologies combinent de nombreuses opérations successives d’oxydation, d’implantation, de diffusion, de dépôts ou de croissance de couches minces alternées avec des opérations de photolithographie qui déterminent les formes planaires des différents motifs. Nous présentons successivement les matériaux phare des technologies MEMS, les procédés élémentaires puis spécifiques (micro-usinage, micromoulage, exemples industriels) et enfin l’assemblage (souvent hybride) et la mise en boîtier.
3.1 Matériaux et substrats
Les microsystèmes sont fabriqués selon un procédé collectif, afin de diminuer le coût du composant final.
Les substrats utilisés pour les microsystèmes se présentent, comme pour ceux utilisés en microélectronique, sous forme de plaquettes ou wafers. Les wafers sont généralement des tranches très fines de silicium monocristallin dont les dimensions répondent aux normes internationales SEMI (Semiconductor Equipment and Material International).
Ainsi, les équipements utilisés pour la fabrication des microsystèmes sont très proches de ceux utilisés pour la fabrication des semiconducteurs. La taille des wafers sur lesquels sont réalisés les microsystèmes est le plus souvent 100 mm (4 pouces) en recherche, 150 mm (6 pouces) ou 200 mm (8 pouces) en production industrielle, soit nettement plus faible qu’en microélectronique (qui propose des substrats de 300 mm), car les marchés MEMS représentent des volumes plus limités.
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Technologies des microsystèmes
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - AMENDOLA (G.), POULICHET (P.), et al - Les capteurs MEMS – Principes de fonctionnement. - Techniques de l’ingénieur, [R 430] (2011).
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(2) - LÉVY (R.), JANIAUD (D.), et al - A 50 nano-g resolution quartz Vibrating Beam Accelerometer. - 1st IEEE International Symposium on Inertial Sensors and Systems, ISISS 2014 – Proceedings, p. 6-9 (2014). https://doi.org/10.1109/ISISS.2014.6782532
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(3) - ALI (W.R.), PRASAD (M.) - Piezoelectric MEMS based acoustic sensors : A review. - Sensors and Actuators, A : Physical, vol. 301 (2020). https://doi.org/10.1016/j.sna.2019.111756
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(4) - DUQUESNOY (M.), AOUST (G.), et al - Quartz enhanced photoacoustic spectroscopy based on a custom quartz tuning fork. - Sensors, 19, n° 6, p. 1-10 (2019). https://doi.org/10.3390/s19061362
-
(5) - VEERAMANI (P.), VIMALA (A.), et al - Design and fabrication of temperature sensor for weather monitoring system using micro electro mechanical system technology. - Oriental Journal of Chemistry, vol. 34, n° 5,...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1 Autres références générales sur le sujet des microsystèmes
Silicon Sensors ; Middelhoek S., Audet S.A. (London Academic Press, 1989) – ISBN 10 : 0124950515 / ISBN 13 : 9780124950511.
Microsensors : Principles and Applications ; Gardner J.W. (Wiley, 1994) – ISBN 10 : 0471941360 / ISBN 13 : 9780471941361.
Semiconductor Sensors ; Sze S.M. (Wiley, 1994) – ISBN : 978-0-471-54609-2.
Sensor Technology and Devices ; Riscti L. (Artech House, 1994) – ISBN : 9780890065327.
Microsensorss MEMS and Smart devices ; J.W Gardner, (Wiley, 2001) – Print ISBN : 9780471861096 | Online ISBN : 9780470846087 | DOI : 10.1002/9780470846087.
MEMS and MOEMS : Technology and Applications ; P. Rai-Choudhury (SPIE Press 2001) – ISBN 10 : 0819437166 ISBN 13 : 9780819437167.
Fundamentals of Microfabrication, Madou, CRC Press – ISBN 0-8493-9451-1.
Microsystem Design, Senturia, Kluwer (Springer 2000) – ISBN 10 : 0792372468 ISBN 13 : 9780792372462.
K.E. Petersen, “Silicon as a Mechanical Material”, Proc. IEEE, vol. 70, n° 5, p. 420-457 (1982) – https://doi.org/10.1109/PROC.1982.12331
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