Micro-Electro-Mechanical Systems

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1 Micro-Electro-Mechanical Systems Contexte de l intégration des systèmes M. Denoual 1

2 Plan de l introduction Micro-electromechanical Systems (MEMS) 1. Qu est-ce qu un MEMS? définitions 2. Histoire 3. Marché 4. Enjeu de la miniaturisation 5. Références et liens pour en savoir plus 2

3 1. Qu est-ce qu un MEMS Micro Electro-Mechanical System MEMS (USA) MST (Europe) Microsystem, micromachines (Japon) «Les microsystèmes sont des dispositifs compacts miniaturisés, multifonctionnels, fabriqués collectivement, qui interagissent avec le monde non électrique par des capteurs et des actionneurs ; ils sont en mesure d échanger de l information et de la communication avec le monde extérieur ou avec d autres microsystèmes.» Techniques de l Ingénieur (E 2 305). 3

4 1. Qu est-ce qu un MEMS MEMS (Micro-systèmes électro-mécaniques) : 1, 2 ou 3 éléments de la chaîne suivante. Micro-capteur Traitement électronique (micro-électronique) Micro-actionneur Fonction capteur (transducteur d entrée) convertit une grandeur non électrique (pression, température) en un signal électrique (tension, courant, charge). Fonction traitement (analogique ou numérique) transforme le signal électrique issu du capteur souvent inexploitable car trop faible, déformé et bruité, en un signal utile par amplification, filtrage, modulations Fonction actionneur (transducteur de sortie) convertit un signal électrique en grandeur non électrique compréhensible par un opérateur (affichage ou enregistrement par exemple) ou en une action sur l environnement extérieur (mouvement moteur par exemple). 4

5 1. Qu est-ce qu un MEMS électronique RF RFMEMS Comme il fait intervenir des transducteurs d entrée et de sortie (capteurs et actionneurs), le domaine des MEMS ou microsystèmes est fortement pluridisciplinaire. optique mécanique électronique mécanique microcalorimétrie micromécanique micro-optique micromagnétisme microsystème chimie électronique biochimie microfluidique mécanique biologie microélectronique BIOMEMS 5

6 1. Qu est-ce qu un MEMS Abus de langage : Micro Electro-Mechanical System MEMS pour des micro-structures «simples» (pas des systèmes), MEMS pour des microsystèmes ne comprenant pas de parties électromécaniques (microcapteurs thermiques, chimiques, biomems, microfluidique), Technologies nouvelles non issues de l industrie semi-conducteurs. interdisciplinaire : mécanique, optique, chimie, biologie, sort de la technologie de la microélectronique technologie du 21ième siècle «Un MEMS est un dispositif constitué de parties extrêmement petites microparties (microparts).» 6

7 2. Historique 1995 développement rapide des BioMEMS 1992 première articulation micro-usinée 1988 première conférence MEMS 1982 procédé LIGA 2000 MEMS optiques deviennent un grand marché 1994 Deep-RIE brevetée 1993 DARPA crée le standard MUMPS, service de fonderie De nos jours Marchés en explosion Diversification des matériaux, des procédés et des applications 1979 tête jet d encre 1982 publication «Silicon as Structural Material» 1967 invention de l usinage en surface «couche sacrificielle» 1961 capteur de pression en silicium 1970 accéléromètre en silicium 1959 Richard Feynman CalTech «There s Plenty of Room at the Bottom» 1948 premier transistor 1950 jauge de contrainte en silicium 7

8 3. Marché Principaux domaines d application Automobile, (sécurité : airbag, systèmes anti-collisions, ) Technologie de l information, multimédia (stockage de données, ) Tête d impression jet d encre Tête lecture/écriture disque dur Défense, (navigation inertielle, surfaces actives et déformables, ) Médical, biologie, (puce ADN, puce à cellules, Lab-on-chip, ) Lab-on-Chip STmicroelectronics Industrie, (mesures de grandeurs physiques sur machines-outils, ) Micro-injecteur insuline Loisir, grand public, (équipements électroniques, ) Environnement, (détecteurs environnementaux, ) Accéléromètre angulaire ST L6671 : 2.5rad/sec2 ; 30$ 8

9 3. Marché Marché 8-9 Milliards $ [Isuppli 2009] Applications principales : têtes d imprimante capteur de pression accéléromètres/gyroscopes microdisplay microfluidique pour diagnostic MEMS RF : Croissance : 10.7% Marché dispositifs portables : 25.4% Marché industriel : croissance 18.1% [Yole Développement 2009] Marché global des semiconducteurs 2009 : 220 Milliards $ 9

10 3. Marché Acteurs du marché : Europe : Bosch, Siemens, Infineon, Temic, VTI-Hamlin, Philips, STMicroelectronics, SensoNor et HL-Planartechnik. Japon : Denso, Matsushita, NGK et Figaro. Etats-Unis : Delphi, Freescale (Motorola), Analog Devices, BEI Systems et Texas Instrument. Fabricant de MEMS dans le monde [Yole Développement 2008] 10% des fabricants représentent plus de 90% du marché mondial 10

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12 Plan de l introduction Micro-electromechanical Systems (MEMS) 1. Qu est-ce qu un MEMS? définitions 2. Histoire 3. Marché 4. Enjeu de la miniaturisation 5. Exemples de microsystèmes 6. Références et liens pour en savoir plus 12

13 4. Enjeu de la miniaturisation Miniaturiser des systèmes existants par exemple micro-réacteur chimiques. Bénéficier des avantages des micro-technologies pour créer de nouveaux systèmes et utiliser de nouveaux phénomènes, par exemple : actionneurs électrostatiques, nouveaux capteurs, travailler à l échelle des cellules biologiques, de l ADN, des molécules. micromonde 13

14 4. Enjeu de la miniaturisation Intérêts de la miniaturisation sur un exemple : Gains en : Poids, Dimensions, Puissance consommée, Robustesse, Coût. /160 /300 /3500 *3000 /40 C est mieux et moins cher!! 14

15 4. Enjeu de la miniaturisation Intérêts de la miniaturisation: Faibles dimensions, faible poids portabilité, fréquence plus élevée Faible consommation autonomie, portabilité Performances nouvelles ou accrues Production collective, de masse (technologie µelec) faible coût, grand volume Intégration d électronique systèmes complexes et performants, smart sensors, amélioration de la fiabilité, des performances (immunité au bruit) et de la rapidité par l intégration sur support unique. Systèmes multicapteurs redondance, matriçage (ex : micro-écrans), dispositifs multicapteurs, milliers de détections en parallèle. Revers et limites de la miniaturisation: Limite physique, dimension minimum pour détecter une grandeur physique (surface ou volume d interaction suffisant) sinon problèmes de sensibilité et répétitivité, Force atomique, stiction, Packaging, connections 3D, Beaucoup de paramètres, de domaines différents Conception, simulation (mécanique, thermique, optique, ) Fiabilité à long-terme, test Réticence des utilisateurs (moins de contrôle, de visibilité), «petit=fragile» 15

16 4. Enjeu de la miniaturisation ce n est pas que de la miniaturisation passage au micromonde Pb (inconvénients) Solutions (avantages) avantage inconvénient Thermodynamique Dissipation de chaleur plus grande refroidissement Transport de chaleur Mécanique Friction plus importante que l inertie rapidité frottement Mécanique des fluides Capillarité, écoulement laminaire, rapport surface/volume écoulement de liquide mélange Électro-magnétisme Force électrostatique supérieure au forces électro-magnétique Actionneurs électrostatiques Mise en œuvre d actionneurs électro-magnétiques Optique Travail aux dimensions des longueurs d ondes, de la taille de pixels Manipulation individuelle de pixel Diffraction, optique nonlinéaire Théorie, pratique Propriétés des matériaux et théories mécaniques changent Tout? à revoir. Effets de bords, couches minces. Intégration avec IC Possible Difficile miniaturisation Tout peut ne pas pouvoir se réduire de la même façon X Conception et test Pas direct ni simple. X, cosimulation Coût Moins de matière première. Fabrication de masse X 16

17 4. Enjeu de la miniaturisation L L Facteur d échelle (scaling laws) : Van der Waals : L 1/4 ; Diffusion : L 1/2 ; Distance : L; Vitesse : L; Tension de surface : L; Force électrostatique : L 0 ; Friction : L 2 ; Dissipation thermique : L 2 ; Piézo-électricité : L 2 ; Alliage à mémoire de forme : L 2 ; Masse : L 3 ; Gravité : L 3 ; Magnétisme : L 3 ; Couple : L 3 2 ; F LlV Puissance : L d 10mm 1m 1m 0.1mm 1µm 0.1mm 17

18 4. Enjeu de la miniaturisation Il faut être capable de miniaturiser : outils de la micro-électronique (gravure, photolithographie) connus, éprouvées : technologie fiable, faible coût pour la production de masse nouveaux outils pour technologie silicium (ex : ICP-RIE) adaptation aux micro-dimensions de techniques macro (ex : stéréolithographie, plasturgie) conception, simulation (co-simulation) : outils CAO nouveaux (MEMSCAP, Coventor, ANSYS, FEMlab) personnel pluridisciplinaire avec connaissance des technologies de fabrications 18

19 Amplitude en V III. MEMS 4. Enjeu de la miniaturisation SIMULATION Design REALISATION Process OBSERVATION Simulation COVENTOR du déplacement du résonateur soumis à une excitation mécanique. Vue SEM du résonateur et de ses peignes de transmission en épitaxie sélective. CARACTERISATION, UTILISATION CARACTERISATION Amplitude du signal sur le peigne mobile 2,5 2 1,5 1 peigne entier peigne casse 0,5 0 1,0E+01 1,0E+02 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07 Fréquence Tests du résonateur électrostatiques, confirmation de l action du peigne suspendu. Relevé topographique de la zone de transfert électrostatique. 19

20 4. Enjeu de la miniaturisation Environnement propre : salle blanche («clean room») profilomètre photolithographie hotte chimie 20

21 4. Enjeu de la miniaturisation Environnement industriel 21

22 5. références et liens Références : «Microsensors; principles and Applications», Julian W. Gardner, edition John Wiley & Sons, «Fundamentals of Microfabrication», Marc Madou, edition CRC Press, «Sensors technology and devices», editor Ljubisa Ristic, «Microsystem design», Stephen D. Senturia, Kluwer Academic publisher, «capteurs microélectroniques» A. Permuy, Techniques de l ingénieur E 3 093, Liens : bsac.eecs.berkeley.edu