Microsystèmes Daniel ESTÈVE Jean SIMONNE Les microsystèmes par l exemple Technologies de base des microsystèmes Fonctions de base des microsystèmes

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1 Microsystèmes par Daniel ESTÈVE Directeur de recherche au Centre national de la recherche scientifique (CNRS) Laboratoire d analyse et d architecture des systèmes (LAAS) et Jean SIMONNE Directeur de recherche au Centre national de la recherche scientifique (CNRS) Laboratoire d analyse et d architecture des systèmes (LAAS) 1. Les microsystèmes par l exemple... E Technologies de base des microsystèmes Micro-usinage de volume Micro-usinage de surface Interconnexions, assemblages et conditionnements Fonctions de base des microsystèmes Fonctions capteurs Fonctions actionneurs Applications des microsystèmes Filières d accès aux technologies à microsystèmes Perspectives de développement à moyen terme Pour en savoir plus... Doc. E 305 L e 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, capteurs, traitement du signal et actionneurs. L intégration de certains capteurs avec leur traitement de signal était déjà bien explorée depuis quelques années (capteurs thermiques, capteurs de vision, capteurs magnétiques de Hall...) ; la nouveauté tenait 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. Appelé MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) aux États-Unis, il s est appelé Micromachines au Japon et MST (Microsystèmes Technologies) en Europe. On utilise en France le terme de Microsystème. Les raisons de cet intérêt et de la mobilisation qui s en est suivie sont au moins au nombre de deux : du point de vue du chercheur, ce concept pose des questions nouvelles en termes de matériaux, de compatibilité technologique et de méthodologies de conception des systèmes ; du point de vue de l ingénieur, il y a, dans le concept, des perspectives d intégration et de fabrication collective de nouveaux produits qui, par leur faible coût, devraient rapidement pénétrer des marchés tenus par des produits assemblés de manière plus classique et même ouvrir de nouveaux marchés, ne serait-ce que par le côté attractif de la réduction des dimensions. En dix années, la situation a beaucoup évolué. De nombreux exemples de réalisations ont été explorés. Des premières générations de produits ont été commercialisées. On peut considérer aujourd hui que la faisabilité est acquise et que l on s engage dans une deuxième grande étape de recherche-développement de produits nouveaux en vue de leur industrialisation. Ce recul de dix ans nous permet aussi de mieux délimiter le champ des microsystèmes : Techniques de l Ingénieur, traité Électronique E 305 1

2 MICROSYSTÈMES les microsystèmes se situent dans le prolongement de la microélectronique à laquelle ils empruntent le matériau (le silicium) et les technologies de base (photolithographie, oxydation, implantation, diffusion, dépôts de couches isolantes et métalliques). Ils y introduisent de nouvelles opérations de microusinage (micro-usinage de volume, micro-usinage de surface, dépôts de couches actives sensorielles) ; les microsystèmes s interfacent avec de nombreuses méthodes et technologies développées dans d autres disciplines : micromécanique, micro-optique, chimie et biochimie, électromagnétique..., dans une démarche d intégration globale, hétérogène ; les technologies microsystèmes associent l approche monolithique tout silicium, qui en est le fondement stratégique, avec les assemblages hybrides qui apportent des solutions immédiates et efficaces à l intégration système. Cela permet d associer plus aisément des technologies diverses en ne résolvant que les problèmes d interconnexions électriques, fluidiques et optiques. Une représentation synthétique est celle de la figure A. Cette représentation donne un fil conducteur aux développements qui vont suivre. Un premier objectif sera de présenter les technologies de base des microsystèmes en montrant en quoi elles s inspirent d avancées de la microélectronique et sur quels points elles apportent de la nouveauté. Un deuxième objectif sera de présenter les fonctions de base actuellement disponibles en termes de capteurs (micromécaniques, chimiques et biochimiques, optiques, magnétiques...), et en termes d actionneurs (électrostatiques, piézoélectriques et électromagnétiques...). Les fonctions de base sont déjà très nombreuses et toujours en développement rapide. Notre choix a été de limiter cette présentation aux fonctions disponibles ou presque au niveau du marché. Un dernier objectif est de considérer les applications en cours et potentielles des microsystèmes telles que les études de marché les évaluent à ce jour pour conclure sur quelques axes de travail à privilégier pour les chercheurs et les ingénieurs. Mais avant d entrer dans ces développements, nous analyserons deux exemples historiques qui permettent de bien situer le concept, ses avantages et ses perspectives. Microcalorimétrie Micromécanique Micro-optique Micromagnétisme Microsystème Chimie Biochimie Microfluidique Microélectronique Figure A Multidisciplinarité dans la conception et la réalisation des microsystèmes E 305 Techniques de l Ingénieur, traité Électronique

3 MICROSYSTÈMES 1. Les microsystèmes par l exemple 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. Cette définition, parfaitement correcte, est trop générale pour bien illustrer la réalité. Deux exemples devraient être plus explicites. En 199, la société Analog Devices annonçait la mise sur le marché d un accéléromètre totalement intégré sur 10 mm de silicium pour la détection de choc automobile. La figure 1 donne une vue du circuit intégré correspondant. Il est exemplaire d un microsystème puisque l on y voit associés capteur, actionneur et traitement du signal. Le capteur est un accéléromètre capacitif et l actionneur utilise la même structure qui est actionnée électrostatiquement pour vérifier le bon fonctionnement d ensemble du microsystème qui se présente donc comme un accéléromètre autotestable. Cet exemple illustre bien l enrichissement fonctionnel du dispositif global qui devient plus autonome, plus «intelligent». Il illustre aussi ce que l on appelle la compatibilité technologique entre la technologie VLSI qui permet de réaliser des circuits analogiques et numériques de traitement du signal et la technologie capteur qui s ajoute, en fin de procédé, sous la forme d un micro-usinage de surface. Le deuxième exemple est celui du «jet d encre» développé par la société Hewlet-Packard. Cette innovation récente a bouleversé le marché des imprimantes en proposant un produit d excellente qualité à un prix très compétitif face aux autres techniques d impression. Elle se présente sous la forme d une matrice de points d éjection d encre dont la commande permet de former des lettres et des mots. L actuateur est thermopneumatique : l élévation de température d une résistance chauffante forme une bulle qui souffle l encre au travers d un trou micro-usiné. Ce deuxième exemple, mieux que le premier, illustre la multidisciplinarité qui s impose au concepteur entre la commande électronique et un principe thermofluidique. Il illustre aussi la diversité des microsystèmes potentiels et leur impact possible sur le marché où ils sont capables de bouleverser des positions considérées comme très solides : l innovation par les microsystèmes peut être très payante car elle apporte une amélioration ou un enrichissement technique en même temps qu une réduction des coûts qui rend très compétitif le produit final.. Technologies de base des microsystèmes Le matériau «Roi» des microsystèmes reste le silicium que nous connaissons bien dans ses caractéristiques de semi-conducteur appliqué à la microélectronique et que l on redécouvre avec d excellentes propriétés mécaniques et d innombrables possibilités de combinaisons pour réaliser des fonctions optiques, chimiques ou biochimiques. Le tableau 1 compare les propriétés mécaniques de l acier et du silicium. Ajoutons à cette comparaison chiffrée le caractère cristallin du silicium qui permet d assurer une totale reproductibilité de ses propriétés. SENSOR : capteur SENSOR LOAD RESISTOR : résistance de charge du capteur CARRIER CAPACITOR : actionneur capacitif OUTPUT AMP : amplificateur de sortie DEMODULATOR : démodulateur BUFFER : étage tampon OSCILLATOR : oscillateur CARRIER GENERATOR : générateur REFERENCE : témoin SELF-TEST : autotest PREAMP : préamplificateur BIAS : polarisation Élément ADXL-50 d Analog Devices, premier accéléromètre industriel micro-usiné en surface, avec conditionnement du signal intégré sur la puce. Figure 1 Vue du microaccéléromètre de la société Analog Devices [1] Tableau 1 Comparaison des propriétés physiques de l acier et du silicium Propriété licium monocristallin Acier inoxydable Limite d élasticité...(10 5 N/cm ) 7,0,1 Dureté Brinnel...(kg/mm ) Module d Young...(10 7 N/cm ) 1,9,0 Masse volumique... (g/cm 3 ),3 7,9 Conductivité thermique... (W/cm o C) 1,57 0,39 Dilatation thermique... (10 6 / o C),33 17,3 Techniques de l Ingénieur, traité Électronique E 305 3

4 MICROSYSTÈMES La technologie des microsystèmes 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 forts courants ou fortes tensions. Ce sont des technologies très complexes, combinant de nombreuses opérations successives d oxydation, d implantation, de diffusion, de dépôts de couches alternées avec des opérations de photolithographie qui déterminent les formes planaires des différents motifs. L ensemble de ces opérations se trouve détaillé dans la rubrique Microélectronique de ce traité. Deux idées devront toutefois être retenues. La mise en œuvre de ces technologies microélectroniques est si pointue qu il n est pas recommandé d en modifier les règles pour obtenir leur compatibilité avec les technologies microsystèmes. Il faudra, le plus souvent, se limiter à choisir des substrats différents, à leur appliquer sans modification le cycle technologique habituel de la microélectronique, et à compléter par des technologies nouvelles ne modifiant aucunement les caractéristiques des opérations microélectroniques déjà réalisées. Cela suppose de travailler à basse température (inférieure à 400 o C) et d utiliser des agents chimiques peu agressifs. Compte tenu des contraintes que l on vient d évoquer, la conception des microsystèmes se trouve toujours devant le choix d une option «monolithique» ou d une option «assemblée» dite hybride. L option monolithique est évidemment la plus attractive lorsque les contraintes de réalisation supplémentaire des opérations propres aux microsystèmes ne dégradent pas trop les rendements de production et n impliquent pas des augmentations de coûts prohibitifs par l accroissement des surfaces introduites par l insertion des composants microsystèmes. L option hybride s impose le plus souvent, au moins dans un premier temps. Elle permet de se libérer des contraintes technologiques et de réutiliser des savoir-faire déjà éprouvés avec, toutefois, des risques renforcés au niveau de la maîtrise des interconnexions et du conditionnement terminal. l on considère que les dépôts de couches nouvelles sont des procédés spécifiques à chaque application visée, le procédé technologique générique des microsystèmes est celui du microusinage du silicium. Il y a deux types de micro-usinage : le micro-usinage de volume, isotropique ou anisotropique, par voie liquide ou par bombardement ionique, qui réalise des formes dans la masse du substrat de silicium ; le micro-usinage de surface, qui réalise des structures suspendues dans les couches superficielles déposées sur le silicium sans affecter profondément le substrat. Le micro-usinage de surface nous donnera l occasion de revenir sur les matériaux constituant les couches et sur différents procédés d usinage. Parmi ces derniers émerge un procédé d usinage de couches épaisses de résines, lancé à la fin des années 1980 par les équipes de Karlsruhe, et connu sous le nom de LIGA (Lithographie Galvanoformung und Abformung ). Il s impose progressivement, avec quelques aménagements, dans la réalisation des pièces rapportées sur silicium d épaisseurs comprises entre 10 µm et 1 mm. À côté des technologies de micro-usinage, une autre spécificité des microsystèmes que nous détaillerons est celle de leur conditionnement et des assemblages de puces..1 Micro-usinage de volume.1.1 Usinage isotropique du silicium L usinage chimique est bien connu et largement utilisé en microélectronique dans la préparation des substrats de silicium. Le Masque O L < 111 > < 100 > mélange HNO 3 /HF est le plus utilisé. Il procède par un mécanisme cyclique d oxydation et d attaque de la couche formée. C est un usinage isotropique au sens où il est peu ou pas sensible à l orientation cristalline du silicium. Plus important pour les microsystèmes est l usinage anisotropique..1. Usinage anisotropique du silicium 54,7 < 100 > < 100 > < 100 > Figure Forme typique de cavité réalisée par gravure anisotropique dans la direction <100> C est un procédé par voie liquide utilisé ponctuellement depuis de nombreuses années : il avait, par exemple, été proposé dans les années 1970/1980 pour les réalisations de «V Grooves» en technologie MOS de puissance []. Les microsystèmes en font un procédé essentiel pour la réalisation des membranes ou de poutres en silicium massif. La figure montre un procédé classique d attaque anisotropique : sur une surface de silicium <100>, une ouverture est pratiquée dans une couche protectrice, le plus souvent O ou 3 N 4. L attaque s effectue par les radicaux () présents dans le mélange qui fragilise les liaisons, dans les directions de moindre densité. La face <111> apparaît la plus lente à attaquer et détermine la forme finale de la cavité. Le tableau donne les caractéristiques comparées des principaux produits utilisés pour la gravure anisotropique. On commence à bien connaître le mécanisme mis en jeu pour définir l anisotropie d attaque : le vecteur de dissolution du silicium dépend du nombre de radicaux () absorbés et donc de la configuration de surface [3]. Le tableau 3 présente toutes les configurations possibles et les énergies de dissolution qui peuvent bien être associées par comparaison avec les résultats expérimentaux. La figure 3 montre le diagramme de vitesses relatives d attaque selon les différentes directions cristallines <100>, <140> et <110> sur les 3 plans de simple coupe ϕ = 0 o, ϕ = 14 o et ϕ = 45 o. Les problèmes sont plus complexes qu il n y paraît si l on veut entrer dans les effets de concentration ou de température. Un dernier point pratique doit être évoqué avec la question de l arrêt d attaque. En effet, si les flancs d attaque sont d une extrême précision puisque définis par les propriétés cristallines, l arrêt de la profondeur d attaque reste un obstacle dans l industrialisation du procédé. Plusieurs méthodes sont possibles : parfaite maîtrise de la vitesse d attaque ; utilisation des couches très dopées P, en tirant parti de l abaissement de la vitesse d attaque au-delà du dopage de atomes de bore/cm 3 (figure 4, p. 6) ; utilisation de jonctions P-N comme indicateur de la limite d attaque, dont on mesure la présence par voie électrique. d E Techniques de l Ingénieur, traité Électronique

5 MICROSYSTÈMES Tableau Quelques caractéristiques typiques des principales attaques (gravures) anisotropiques (1) Performances EDP K TMAHW TMAHP Vitesse de gravure du <100>...(µm/h) 30 à à Qualité de la gravure très bonne très bonne moyenne moyenne Sélectivité <111>/<100> 1/0 1/30 à 1/130 1/10 à 1/60 1/10 à 1/60 Vitesse de sous-gravure...(µm/h) 1,4 à,9 0,5 à 0, à 1,9 0,7 à,7 Compatibilité CMOS (face avant) oui non oui oui Sélectivité O / 1/10 4 1/100 à 1/400 1/10 à 1/10 3 1/10 à 1/10 3 Sélectivité 3 N 4 / 1/10 4 1/150 à 1/350 1/150 à 1/350 Gravure de l aluminium moyenne rapide lente avec dopé lente avec dopé Couche d arrêt de la gravure couche dopée bore couche dopée bore couche dopée bore Toxicité élevée faible faible faible Stabilité à long terme médiocre très bonne moyenne moyenne Coût élevé faible moyen moyen (1) EDP : éthyldiaminepyrocatéchol ; K : potasse ; TMAH : hydroxyde de tétraméthylammonium, W : avec eau, P : avec propanol. Tableau 3 Possibilités de rupture des liaisons et leurs diverses configurations possibles (1) Nombre de radicaux Possibilités de rupture par absorption des radicaux Configuration (équivalence en liaison ) Énergie associée () (ev) 1 P (3,4) 0, P (3,3) 0,65 P (,4) 0,68 P (3,) P (1,4) 0,56 P (3,1) P (,) 5 P (,1) (1) Les cas zéro (a) et six (b) ne sont pas pris en compte car concernant : (a) une liaison dans le volume du substrat ; (b) un doublet d atomes de silicium détaché de la surface. () Valeurs des énergies de liaison des configurations prédominantes. Vitesse (u.a) θ ( ) Figure 3 Détermination du diagramme polaire complet de la vitesse de dissolution dans toutes les directions de 0 à 90 à partir de la connaissance de la vitesse de dissolution pour certaines orientations (points expérimentaux [4] et selon modèles [5] [16]). Micro-usinage de surface ϕ = 0 ϕ = 14 ϕ = 45 Le principe est de réaliser des structures suspendues par le biais d une couche sacrifiée : l exemple le plus utilisé est celui qui consiste à sacrifier des couches de O pour réaliser des couches de silicium polycristallin suspendues comme le montre le procédé de la figure 5. Le principe est particulièrement bien illustré dans le cas du substrat SIMOX qui comporte une couche de cristallin sur une couche enterrée de O [8] [17]. L enlèvement de la couche de O au travers d une fenêtre pratiquée dans le silicium est un procédé très performant de réalisation de microcapteurs de pression (figure 6). Techniques de l Ingénieur, traité Électronique E 305 5

6 MICROSYSTÈMES Vitesse d attaque ( µm/h ) Couche sacrifiée Substrat a dépôt de la couche sacrifiée Couche de structure Couche sacrifiée Substrat b ouverture de la couche sacrifiée Microstructure libérée Concentration en K 10 % 4 % 4 % 57 % licium < 100 > 60 C Concentration en bore (cm 3 ) Substrat c dépôt de la couche de structure Substrat d attaque sélective de la couche sacrifiée La couche sacrifiée est de la silice ; la couche suspendue ou libérée est du silicium polycristallin. Figure 5 Micro-usinage de surface, basé sur les propriétés d attaque sélective des matériaux a attaque par K [6] Vitesse relative d attaque Concentration en TMAH 40 % en masse % 5 0 % 10 % 5 % Concentration en bore (cm 3 ) b attaque par TMAH (hydroxyde de tétraméthylammonium [7]) La vitesse d attaque est indépendante du type de dopants (P ou N) et de leur concentration jusqu à atomes/cm 3. Pour une concentration supérieure à atomes/cm 3, la vitesse chute rapidement. Figure 4 Influence de la concentration en dopants bore sur la vitesse d attaque de K et de TMAH [6] [7] Le procédé de la couche sacrifiée est général et peut s adresser à d autres matériaux et d autres combinaisons de couches. Il est à la base de la mise en relation du procédé LIGA et des technologies «silicium.» Figure 6 Capteurs de pression réalisés par couches sacrifiées et substrat SIMOX (source Leti) L intérêt du procédé LIGA (Lithographie Galvanoformung Abformung pour Lithographie-électrodé position-moulage) est de travailler sur des couches épaisses pouvant atteindre un millimètre. À l origine, cette possibilité était liée à l usage du rayonnement synchrotron (figure 7) [9]. De plus en plus, on développe des résines qui, exposées aux UV, sont capables de définir des géométries précises au micromètre près sur des épaisseurs excédant 1 mm. Deux axes applicatifs sont associés à ce procédé. L un consiste à fabriquer des micromoules et permettre la fabrication collective de micro-objets. L autre réalise la fabrication de micro-objets directement sur silicium. Ce procédé tend à se développer dans des directions très diverses : électronique, mécanique et optique ; des moteurs électrostatiques pas à pas, des bobinages, des réseaux optiques ont déjà été réalisés et proposés commercialement. E Techniques de l Ingénieur, traité Électronique

7 MICROSYSTÈMES Rayons X issus du synchrotron Couche de polymère Masque pour les rayons X Base galvanoplastique Métal déposé par électrolyse Trous d injection Plaque de moulage Moule en plastique Matrice métallique Couche de libération Métal déposé par électrolyse Structure métallique copiée Un substrat, recouvert d un polymère, est exposé à un rayonnement UV émis par un synchrotron à travers un masque photolithographique Les zones du polymère exposées sont éliminées par voie chimique Un métal est ensuite déposé dans la cavité Le polymère résiduel est à son tour éliminé Du plastique est injecté par les trous d injection d une plaque de moulage La matrice métallique, réutilisable, est détachée du moulage en plastique Un métal est déposé par électrolyse dans le moulage La plaque métallique est libérée après élimination du moulage et du plastique Le procédé est répétitif Figure 7 Procédé LIGA pour la réalisation d objets sur silicium.3 Interconnexions, assemblages et conditionnements L expérience récente montre que le développement des microsystèmes est très lié à la résolution des problèmes d assemblage et de conditionnement. Par principe même, les microsystèmes sont l association de fonctions multiples, pluridisciplinaires, au-delà même de celles que la technologie «silicium» seule peut réaliser. Il faut donc procéder à des assemblages de puces silicium et de micro-objets, et réaliser les interconnexions qui s imposent, c est-à-dire électriques, le plus souvent, mais aussi fluidiques et optiques. Les approches qui se développent sont, une fois de plus, dérivées de solutions de la microélectronique et se définissent comme l approche hybride. Dans ce cas, un support d interconnexions, souvent multicouche, permet de relier les composants électroniques entre eux. Les composants sont en général préconditionnés et disposés à plat sur la plaque support. Une tendance récente est d utiliser des puces nues interconnectées à même le support. L objectif reste la réduction des coûts par la réduction des dimensions et du nombre d opérations. La figure 8 présente de manière synthétique les principales options actuelles dites MCM pour Multi Chip Modules. Les microsystèmes ne peuvent pas encore se prévaloir des standards d assemblages mais on peut dire qu ils s inspirent des avancées de l assemblage en microélectronique. Ils conservent le principe d un support d interconnexion électrique, complété par d autres niveaux d interconnexion fluidique, optique ou électrique comme l illustre la figure 9. Techniques de l Ingénieur, traité Électronique E 305 7

8 MICROSYSTÈMES Trou traversant métallisé Puce microcâblée Puce «Flip-Chip» Puce montée en «TAB» Scellement par adhésif Scellement sans apport Connecteurs (pointe, bossage ou broche) Substrat multipuce «MCM» Substrat multipuce «MCM -,5 D» Conduites fluidiques Microélectronique Microsystème TAB : Tape Automated Bonding Les connecteurs sont souvent de type BGA (Ball Grid Array) ou PGA (Pin Grid Array) Figure 8 Présentation des assemblages MCM D en microélectronique D et extension au microsystème MCM-,5D [10] Optique Microsystème hν Antenne intégrée Fibre optique Puce détectrice hν Interconnexion fluidique Circuit de lecture silicium Éclairement IR Interconnexion métallique gnal vidéo Connexions électriques et support mécanique Radiateur Connexions Figure 9 Assemblages électrique, fluidique et optique d un microsystème Substrat transparent (Cd Te) Jonction PN Couche photosensible (Cd Hg Te) Bille d indium CCD silicium Il est probable que bon nombre de réalisations des premières générations se présenteront sous cette forme d assemblage qui va au-delà de l assemblage plan sans être, à proprement parler, un assemblage 3D caractérisé par le fait que l on associe les puces par empilement de plusieurs couches. La technologie «Flip Chip», développée initialement pour les interconnexions de puces «mémoires» est une candidate importante pour les assemblages microsystèmes. La figure 10 illustre cette possibilité avec les matrices d imageurs IR qui associent un substrat de silicium pour le traitement du signal et une matrice de détecteur IR de type MCT (Mercury Cadmium Telluride ), par des microponts métalliques intégrés. Le projet expérimental BARMINT indique un autre chemin d assemblage sur la base du procédé breveté par Thomson et développé par la société 3D+. Les différentes puces sont empilées après avoir été, comme dans les assemblages D, placées sur un premier support d interconnexion. L originalité du procédé est de réaliser les interconnexions sur les flancs du cube ainsi formé par les usinages d un bloc de puces enrobées de résine. On observe sur la figure 11 que des zones étanches à la pénétration de résine Détecteur Cd Hg Te / multiplexeur CCD silicium Figure 10 Matrice de détecteurs infrarouges en tellurure de cadmium et de mercure (Leti) réalisent des microcavités enterrées où peuvent circuler des fluides liquides ou gazeux. Ces exemples montrent que, en matière de microsystèmes, il faut prendre en compte les parties d assemblage et de conditionnement dès le début de l étape de conception. Dans la mesure où capteurs, actionneurs, interconnexions, traitements du signal et systèmes de commande sont associés dans un même produit, il faut concevoir l architecture interne, les entrées-sorties et la relation à l environnement. Dans certains cas, c est l herméticité de l assemblage qui en fera la performance. Dans d autres, c est l ouverture à l extérieur et le contrôle des échanges chimiques (figure 1). E Techniques de l Ingénieur, traité Électronique

9 MICROSYSTÈMES Substrat de silicium avec cavité Capteurs physique et chimique Substrat de verre Câble d or Interconnexions électriques Figure 1 Exemple d assemblage et de conditionnement (SnO - Motorola-Sagem) 3. Fonctions de base des microsystèmes Micropompe LAAS Puce (Asic, convertisseur photovoltaïque, ) Puces de test (température, contrainte) NMRC TIMA TUB Film Alimentation Substrat époxy de silicium adhésif Figure 11 Schéma général du démonstrateur BARMINT,, Maillage en fils Enveloppe de nylon,,,,,,,,,,,, Filtre en charbon de bois Maillage en fils Fil d or Enveloppe métallique Puce (capteur) Support du boîtier en métal MGS 1100 La puce du capteur est soudée au boîtier métallique de type SENSEPACK. Une couche filtrante imprégnée de charbon de bois audessus du boîtier métallique est protégée par une enveloppe de nylon (le filtre réduit les effets des gaz qui peuvent interférer). Une structure maillée est maintenue dans la partie supérieure ouverte de l enveloppe en nylon. L objectif est, en microsystèmes comme en microélectronique, de pouvoir procéder à une conception descendante, c est-à-dire de partir des spécifications générales d un produit et d avancer par simulations d assemblages proposées par le concepteur. Les résultats des simulations donnent une évaluation précise des performances, de l encombrement et des procédés de fabrication afférents : c est la conception microélectronique qui permet de ne lancer les fabrications qu avec de très grandes chances de succès. En microsystèmes, les bibliothèques de composants sont encore insuffisantes, les modèles encore imprécis, et les technologies non encore standardisées. Il faut donc procéder à des essais expérimentaux intermédiaires pour rendre opérationnelles toutes les fonctionnalités d un produit. Toutefois, pour rester dans la perspective, à terme, d une conception descendante, nous avons choisi de présenter quelques composants de base avec leur modèle de fonctionnement, en attendant de présenter quelques applications pour illustrer les filières technologiques et la complexité de conception. Nous distinguons ici les microcapteurs des microactionneurs. 3.1 Fonctions capteurs Les capteurs sont nombreux et divers à pouvoir s intégrer dans une conception microsystème de type hybride. Mais nous resterons, ici, très proches des technologies silicium qui restent la voie principale d intégration monolithique, et nous ne présenterons que des principes bien établis par des réalisations effectuées au laboratoire ou dans l entreprise Capteurs mécaniques Ils sont à base de membranes ou de poutres micro-usinées dont le déplacement témoigne des forces qui s y exercent, forces dues à la pression ou à l accélération. Cette mesure peut s effectuer de deux manières : par la voie capacitive : on mesure alors la distance qui sépare la membrane ou la poutre mobile de l électrode placée sur la partie fixe ; par jauges de contraintes, judicieusement placées dans la poutre ou la membrane. Le plus souvent, ces jauges sont réalisées dans une couche mince de polysilicium par diffusion dans le silicium massif. Deux axes de réalisation sont couramment retenus : capteurs obtenus par usinage de volume et assemblage de deux puces réalisé de manière hermétique, sous vide par exemple, pour obtenir un capteur de pression absolue, ou encore réalisés avec un accès des deux côtés de la membrane pour obtenir un capteur différentiel ; capteurs réalisés par usinage de surface dont on a donné, déjà, deux exemples (cf. figure 1 et figure 6). La figure 13 détaille un exemple d accéléromètre de très grandes performances utilisant trois puces de silicium. La figure 14 présente les modèles les plus simples pouvant être utilisés pour les conceptions de systèmes plus complexes Capteurs optiques L intégration optique et optoélectronique sur puce de silicium est engagée depuis plusieurs années, principalement supportée par les besoins pour les télécommunications par fibre optique mais aussi par les applications en capteurs chimiques. On sait en particulier réaliser des fibres optiques intégrées sur silicium et y reporter une source de lumière réalisée en matériau III-V. Cela permet l obtention de différentes fonctions intégrées de couplage optique et ouvre la voie à l intégration de systèmes plus complexes d analyse optochimique par interféromètre de Mach-Zende et par spectrométrie. Les applications sont le sujet de nombreux travaux de recherche. La demande en applications optiques a été marquée ces dernières années par le développement des matrices pour imageurs dans le domaine du visible et du proche IR et dans le domaine de l IR lointain : 3 à 5 µm et 8 à 14 µm. Dans le domaine du visible, le fait marquant est l émergence des rétines intelligentes réalisées en technologie CMOS ou BICMOS classiques. La possibilité de mettre dans la même puce les éléments sensibles et un prétraitement analogique et numérique permet de réaliser des traitements en temps Techniques de l Ingénieur, traité Électronique E 305 9

10 MICROSYSTÈMES a élément actif Gamme : ± 1 à 100 g Stabilité de la polarisation : < ± 10 mg Stabilité du facteur d échelle : ± 0,5 % Erreur de linéarité : < 0, % Largeur de bande : 0 à 00 Hz Gamme de température opérationnelle : 40 à 100 C Vibrations : 30 g (écart-type) b caractéristiques du produit Figure 13 Vue en coupe de l accéléromètre de Sextant Bordure Poutres Métal Y a matrice de microbolomètres intégrés (30 x 40) 50 m Métal X Figure 15 Imageur thermique Rayonnement IR B E b vue schématique d un pixel Nitrure de silicium et oxyde de vanadium 0,5 m,5 m Transistor bipolaire monolithique Poutres Masse a capteur inertiel Bordure Masse z x y x y réel : extractions de contour, poursuite d objets, détection de mouvements très performants. Dans le domaine de l infrarouge lointain, nous avons déjà signalé des réalisations exemplaires associant des matrices de points sensibles en MCT et des puces silicium (cf. figure 10). Mais le plus illustratif de l approche microsystème est l apparition des premiers imageurs thermiques par intégration de microbolomètres. La figure 15 donne un descriptif de l imageur. L utilisation des bolomètres «suspendus» réduit les pertes thermiques et permet de détecter des énergies extrêmement faibles. L assemblage direct sur substrat de silicium permet d aboutir à un ensemble très compact et très peu coûteux qui, au-delà des applications militaires bien évidentes, ouvre la voie aux applications civiles pour des questions sécuritaires, notamment dans l automobile. Le tableau 4 donne, à titre d exemple, un résumé des performances actuelles d un de ces nouveaux dispositifs. b accéléromètre z Tableau 4 Performances de la matrice bolométrique U3000 Boeing Ω z c gyroscope x Figure 14 Différents modèles de capteurs simples y Format TV RS-170 Dimension d un pixel : 51 µm Bande spectrale : IR 8 à 14 µm Différence de température équivalente au bruit (ouverture F/1) : 85 mk Interface de sortie : CMOS Robustesse Intégré en boîtier sous vide faible coût Stabilisateur de température intégré Matrice microbolométrique monolithique dans le plan focal Détecteur microbolométrique infrarouge non refroidi Format image TV pixels E Techniques de l Ingénieur, traité Électronique

11 MICROSYSTÈMES Capteurs magnétiques On a assisté ces dernières années à de nombreux exemples d intégration monolithique sur silicium de capteurs de Hall avec leur électronique de traitement [19] [0]. Ce sont des dispositifs bien adaptés à la mesure industrielle. Pour des mesures plus fines, il faut signaler : les capteurs magnétiques géants (figure 16) ; l intégration des microbolomètres sur silicium (figure 17) Capteurs chimiques et biochimiques Les capteurs chimiques à l état solide sont le plus souvent basés sur la modification d un des paramètres électriques de dispositifs d absorption, introduite par des molécules que l on désire détecter et mesurer. L exemple le plus ancien et certainement le plus étudié est celui de la variation du travail de sortie d un cristal en fonction de la nature de l espèce chimique absorbée. Dans le domaine des capteurs de gaz, le dispositif le plus répandu est le capteur à l oxyde d étain (SnO ). Porté à température élevée, il est légèrement conducteur et voit sa résistance varier lorsqu il est exposé à différents gaz : O, CO, CO, H O... Il peut être traité par dopage métallique, pour réaliser une certaine différenciation des espèces. Bien que cette différenciation soit relativement faible, il est possible, par fusion multisensorielle, de détecter des espèces précises et même de faire une certaine quantification : c est le nez électronique illustré par la figure 18. Les composants étaient initialement réalisés par frittage. Ils sont aujourd hui réalisés en couches minces et illustrent parfaitement l émergence des technologies microsystèmes. La couche mince de SnO est placée sur une membrane fine micro-usinée sur silicium et chauffée par un thermoélément. La réduction des dimensions permet de réaliser des mesures en transitoires thermiques qui sont plus reproductibles et plus fiables que les mesures statiques, notamment en présence de plusieurs espèces en compétition [18]. Figure 18 Nez électronique V drain-source V grille ou V REF Solution Membrane sensible aux ions Électrode de référence Encapsulant O N + type P Figure 16 Exemples de têtes de lecture (Leti) (Crédit photo PHS) Figure 19 Schéma de principe du capteur ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor ) Figure 17 Microbolomètres sur silicium (Crédit photo PHS) On a pensé, avec la découverte des ISFET par J. Bergveld en 197, avoir trouvé le chemin d obtention d un capteur universel, compact et bon marché. Le principe se fonde sur la variation des charges incidentes à la surface d un semi-conducteur par l absorption des espèces chimiques. Cette variation est mesurée par le courant de canal d un transistor MOS «sans grille» (figure 19). Utilisé en milieu aqueux, l ISFET est devenu un dispositif aux performances comparables à celles des électrodes de verre. Il mesure le ph, par le potentiel de la couche limite de Helmoltz définie par l équilibre des absorptions des radicaux H +, sur la surface du semiconducteur. De nombreux systèmes dérivés ont été réalisés pour être spécifiques d autres espèces en phase liquide ou gazeuse. Nous en avons inventorié quelques-uns dans le tableau 5. Ils jouent sur la nature différente des membranes interposées entre la surface du semi-conducteur et l environnement. Techniques de l Ingénieur, traité Électronique E

12 MICROSYSTÈMES Tableau 5 Caractérisation des membranes ionosensibles Ion détecté Nature de la membrane sélective Sensibilité (mv/unité de ph) Ions interférents H + Hexabutyltriamidophosphate 55 / K + Verre aluminosilicate 50 Na + K + Valinomycine 57 à 59 + NH 4 Na + Verre aluminosilicate 56 à 58 K + Na + Calix [4] arèneéthylester 59 / Na + Films Langmuir - Blodgett 5 / Ag + Ag S 58 à 59 / Ag + Verre chalcogénide (Ag - As - Se - Te) 59 / + NH 4 tetrakis [4] Borate de potassium 54 à 55 / F LaF 3 58 à 59 Cl Br AgBr 49 à 59 Ag + Cl Sel de tétracétylammonium 55 halogénures NO 3 Nitrate de tétradodécylammonium 55 / Cr 4 PbSO 4 9 / Cu + As Se 3 9 / Cd + Verre chalcogénide (Ag - As - Cd - S) 5 / Ca + Dioctylphénylphosphate de calcium 4 à 6 / Ca + Films Langmuir - Blodgett 3 / Figure 0 Vue en coupe de la pile de Hersch intégrée Plaquette de silicium Puce de N x 18 électrodes Électrodes en or Électrode en plomb Membrane poreuse Plaques de silicium micro-usinées et assemblées Malgré des années d effort, cette filière est encore, pour la plupart des espèces, au stade de recherche-développement à cause d effets d empoisonnement (espèces absorbées non désorbables), d instabilités de mesures à long terme et de non-sélectivité. Les capteurs électroniques ont, plus récemment, été étendus dans la perspective de leur intégration sur silicium : nous prendrons ici l exemple de la cellule de Hersch pour la mesure de l oxygène : d autres espèces sont mesurables lorsque l on fait varier la tension appliquée entre deux électrodes placées dans un milieu électrolytique (cellule de Clarke). La figure 0 donne une vue en coupe de la cellule : une membrane perméable à l oxydant est emprisonnée entre deux puces de silicium micro-usinées. La partie active comporte une cavité remplie de l électrolyte et de deux électrodes de la cellule réalisées en Au pour la cathode et en Pb pour l anode. Toute trace de O diffusant jusqu à l électrode d or déclenche le passage d un courant proportionnel à la concentration de O en surface de l électrode. Les capteurs chimiques peuvent aussi être utilisés pour mesurer des espèces biologiques dans la mesure où ces espèces peuvent, dans les réactions propres et sélectives favorisées par la présence d enzymes, modifier l équilibre de l espèce sensible. En l occurrence, la présence de l enzyme glucooxydase dans la membrane conduit à une mesure possible du glucose, par la réaction : O + glucose glucooxydase + gluconolactone + H O D autres espèces peuvent être mesurées par le même principe (tableau 6). Figure 1 Biochip réalisé par électrodéposition (CEA-Leti) En restant dans ce domaine de la mesure biologique, il faut signaler l émergence d une approche multisensorielle qui est en train de révolutionner le domaine de l analyse et du diagnostic médical. Cette approche se dénomme «Biopuce» pour Biochip en anglais. L idée consiste à réaliser une matrice de points de mesure où chaque point est rendu spécifique par fixation d une espèce biochimique particulière : un segment d ADN par exemple. Le point ne sera réactif qu à l espèce qui lui correspond (hybridation) de sorte que, si l on expose la matrice de points à un milieu inconnu, on pourra, en une seule exposition, connaître la présence ou non de toutes espèces correspondant aux points sensibles. On peut faire ainsi, très vite, un séquencement génétique et établir un diagnostic à partir des points ayant réagi ou n ayant pas réagi. Le principe s applique aussi bien à l analyse biologique qu à l analyse chimique. Il tire parti de deux concepts : 1) la spécification des points sur une matrice ; ) la détection point par point de la réactivité au milieu inconnu. Le point 1 est nécessairement long et délicat mais, s il est réalisé collectivement sur un grand nombre de matrices, le coût ramené à une expérience peut être très faible. Les initiateurs de cette approche ont, aux États-Unis, choisi de fixer l espèce détectrice par voie d excitation optique (photolithographique), ce qui permet de réaliser des matrices très denses (plus de points). CIS.Bio en France utilise des fixations par voie d électrodéposition (figure 1). E Techniques de l Ingénieur, traité Électronique

13 MICROSYSTÈMES Tableau 6 Exemples de mesures microchimiques à partir de cellules électrochimiques (1) Substrat Enzyme Électrode Immobilisation Adénosine Adénosine désaminase pnh 3 Enzyme soluble 5 -AMP AMP désaminase pnh 3 Enzyme soluble Chloroforme (Pseudomonas putida ) hydrolase Cl GA + BSA Créatininase pnh 3 BSA Créatinine Créatininase pnh 3 GA + BSA Créatine désaminase pnh 3 Collagène activé ou intestin de porc Glutamate déhydrogénase + créatinine désaminase pnh 3 Adsorption sur PVC humide FAD Alcaline phosphatase + adénosine désaminase pnh 3 Enzyme soluble BSA + GA Fluorure Uréase pnh 3 GA + polypropylène Glucose GOD Électrode de verre Gel de polyacrylamide GOD + HRP I Matrice de PVC GOD + catalase Pt Gel de polyacrylamide Glucose déshydrogénase Pt Gel de polyacrylamide GOD Pt/graphite/polymère Enzyme soluble Lactate déhydrogénase Membrane redox Lactate (PVC + ferrocène) Gel de gélatine Lactate oxydase + HRP F Gélatine + GA Maltose Glucoamylase + GOD + HRP F Gélatine + GA Oxalate oxidase pco Enzyme soluble Oxalate Oxalate décarboxylase pco Enzyme soluble ou glutamine + BSA Oxaloacétate Enzyme artificielle pco Enzyme soluble Pénicilline Pénicillinase Sb/Sb O 3 Carbodiimide Gel de polyacrylamide BSA + GA Pesticides Butyrylcholine estérase Électrode de verre GA + HSA Salicylate Salicylate hydroxylase pco Enzyme soluble Acide urique Uricase pco Enzyme soluble BSA + GA (1) AMP : adenosine monophosphate (monophosphate d adénosine) BSA : bovin serum albumin (albumine sérique bovine) FAD : flavine-adénine dinucléotide GA : glutaraldéhyde GOD : glucose oxydase HRP : horseradish peroxidase (peroxydase de raifort) HSA : human serum albumin (albumine sérique humaine). Le point utilise le plus souvent un marqueur fluorescent et une mesure globale par caméra optique. Mais le domaine de la lecture est ouvert et devrait bénéficier des avancées de la nanoélectronique et de la lecture par microsonde à force atomique. 3. Fonctions actionneurs Les microactionneurs intégrés sont un concept récent de la fin des années 1980, bien préparé il est vrai par un effort continu en miniaturisation des objets mécaniques et optiques. La mobilisation s est faite autour des actionneurs électrostatiques, à la suite de la réalisation du premier micromoteur rotatif décrit dans le traité Génie électrique des Techniques de l Ingénieur. En effet, il a été démontré [11] que, pour de petites dimensions, l énergie électrostatique devient plus intéressante que l énergie électromagnétique. Ainsi, si l on regarde comment varie le couple électrique C m dans les machines électromagnétiques comparativement [1] à celui des systèmes électrostatiques C e lorsque les dimensions géométriques diminuent de façon homothétique selon un facteur d échelle α : dans le domaine électromagnétique, on obtient dans le meilleur des cas : C = α 3,5 m C m dans le domaine électrostatique, pour le pire cas : C e = α C e Dans l exemple de la micropompe de la figure, on peut dire qu aux petites dimensions, de l ordre du micromètre, les forces électrostatiques deviennent extrêmement intéressantes à condition de ne nécessiter que de très faibles déplacements. C est une voie qui s est beaucoup développée en actionneurs linéaires. Techniques de l Ingénieur, traité Électronique E

14 MICROSYSTÈMES Entrée du fluide Isolant Électrode Sortie du fluide Cale Microvalve Chambre de mesure a image MEB de la partie supérieure (miroir et ressorts) Puce multicapteur Figure Vue en coupe d une micropompe électrostatique 3..1 Actionneurs électrostatiques Les actionneurs électrostatiques sont couramment appliqués pour la mise en mouvement de membranes et pour faire pivoter des poutres. On bénéficie ainsi de forces de rappel mécaniques qui viennent contrebalancer les forces électrostatiques qui font que les électrodes s attirent et se rapprochent, quelle que soit la polarité des tensions appliquées aux électrodes. Pour illustrer le fonctionnement, nous prendrons le cas de la pompe électrostatique (figure ) et du miroir orientable (figure 3) qui sont des applications récentes des actionneurs électrostatiques. b image MEB de la partie inférieure 3.. Autres actionneurs intégrables sur silicium La petitesse des dimensions autorise d utiliser l énergie thermique comme actionneur avec des temps de réponses inférieurs à la seconde. Deux voies ont été explorées : les actionneurs thermopneumatiques : on place la membrane comme face d une cavité dans laquelle on réalise un échangeur thermique qui chauffe le gaz. Ce principe peut être appliqué à la réalisation d une micropompe (figure 4) ; la loi de fonctionnement dynamique s écrit [13] : P tp = P 0 exp( L 0 /RT ) avec P tp élévation de pression à la température T, P 0 pression initiale, L 0 chaleur latente de vaporisation, R constante molaire des gaz, T température. Elle traduit les pertes qui fixent la vitesse de retour à l équilibre. C est un principe simple et fonctionnel mais relativement coûteux en énergie ; les actionneurs thermiques bimétalliques : on utilise là les contraintes thermomécaniques en chauffant deux lames ou deux plaques ayant des coefficients de dilatation thermique différents (figure 5). L équation de fonctionnement est [14] : P bm = (γ a γ b ) T avec γ a γ b différence des coefficients d expansion thermique du matériau bimétallique et de la membrane, T différence de température. C est un actionneur très compact mais délicat à mettre en œuvre. Les actionneurs piézoélectriques sont des actionneurs puissants qui ont été utilisés dès l origine des microsystèmes pour réaliser des actionneurs de membranes ou de fonctions de contrôle de position. c micromiroir assemblé par technique CMS Figure 3 Système de déflexion électromagnétique d une microcaméra 3D (LAAS) Ils étaient constitués de longs bâtonnets pour des déplacements faibles. La tendance actuelle est d utiliser un empilement de disques piézoélectriques qui semble la solution efficace pour obtenir des déplacements plus importants et exercer des forces importantes avec un encombrement réduit. D autres types d actionneurs entrant dans la panoplie des microsystèmes sont les micromoteurs, puisque, nous l avons souligné dans notre introduction, ce sont eux qui ont à Berkeley vraiment lancé l ère des MEMS aux États-Unis. le procédé LIGA, mis au point par la suite, est un outil précieux pour réaliser des microobjets par dépôts électrochimiques, on a vu qu il nécessitait un appareillage lourd pour mettre en œuvre des gravures profondes à partir de photolithographie faisant appel à des résines du type PMMA poly(méthacrylate de méthyle), irradiées à l aide d un synchrotron. Ce handicap a suscité l émergence de nouveaux procédés, parmi lesquels, le «LIGA du pauvre» qui utilise une source UV pour E Techniques de l Ingénieur, traité Électronique

15 MICROSYSTÈMES Tube d entrée Tube de sortie Contacts électriques Colle Alumine Résistance chauffante Ta N Cavité Capteur de pression Microvalve Capteur chimique Capteur de température Figure 6 Microstructures (LAAS) réalisées avec résine SU-8 (CIPEC) Figure 4 Vue en coupe d une micropompe thermopneumatique Entrée du fluide Couche métallique Sortie du fluide Couche magnétique (Ni-Fe) Isolant (O) Résistance diffusée Spire (Cu) Microvalve Chambre de mesure Vue en perspective Puce multicapteur d c W c Figure 5 Vue en coupe de la configuration bimétallique d une micropompe t m t c Couche magnétique Isolant Spire t l Vue en coupe reproduire l image d un masque sur des résines à partir des outils de photolithographie conventionnels de la microélectronique. Les progrès faits dans les résines ont permis d atteindre, avec des résines positives, des épaisseurs de l ordre de 100 µm en une seule insolation UV, et même 00 µm en alternant les phases d insolation et de révélation. En résine négative (SU-8), on a atteint jusqu à 1 00 µm (figure 6). Les moteurs électromagnétiques restent candidats potentiels à l intégration sur silicium. Les recherches s orientent aujourd hui sur la maîtrise des matériaux magnétiques en couches minces et sur la réalisation de bobinages : pour les matériaux, la tendance est à l utilisation des dépôts électrolytiques de Fe/Ni ; pour les bobinages, deux voies sont possibles : entourer les couches de Fe/Ni par des conducteurs, ou inversement entourer le conducteur de matériaux magnétiques. Les technologies sont pour l instant relativement coûteuses et envisagées pour des usages à grande diffusion comme les microconvertisseurs de petite puissance (< 1 W). La figure 7 donne deux exemples de réalisations actuelles. a bobine sandwich planaire Spire Noyau en bandelette b bobine intégrée de type «toile» Figure 7 Microbobinages sur silicium Techniques de l Ingénieur, traité Électronique E

16 MICROSYSTÈMES 4. Applications des microsystèmes Cette rapide évocation des technologies et des composants suffit à donner une idée des applications nombreuses des microsystèmes. Cette approche complète celle de la microélectronique en y ajoutant un objectif de système complet comportant les capteurs et les actionneurs. Elle oblige à une plus grande spécialisation des réalisations, à un traitement cas par cas des produits. Elle s impose chaque fois qu un produit à fort volume de vente est identifié : nous verrons quelques exemples de produits de ce type, déjà commercialisés. Mais beaucoup d espoirs sont placés dans des produits de petites séries à forte valeur ajoutée pour des applications médicales, aéronautiques, spatiales et militaires. Il est donc probable que les microsystèmes, comme la microélectronique, représenteront une technologie qui se répandra dans tous les secteurs d application. Le tableau 7 permet de comparer les modes de fonctionnement et les performances des différents types d actionneurs. Au stade actuel, si la faisabilité technique des microsystèmes est bien établie, bien des problèmes restent à résoudre et, notamment, le problème industriel. Qui conçoit le produit? Qui le fabrique? Dans les exemples connus nécessitant de forts volumes de production, des chaînes complètes de fabrication ont été mises en place dans des entreprises. C est le cas des fournitures automobiles ou des fournitures informatiques. Pour les séries plus petites, les solutions restent ouvertes et les pouvoirs publics, en Europe et dans le monde, tentent de trouver les procédures facilitant l accès des PME/PMI aux technologies à microsystèmes. 4.1 Filières d accès aux technologies à microsystèmes La difficulté pratique du développement des microsystèmes est liée à l importance des investissements qu il convient de réaliser pour des productions encore réduites. Cet inconvénient peut, en partie, être surmonté par l utilisation d investissements déjà réalisés pour la microélectronique et adaptés aux besoins de la recherche et de la production des microsystèmes. Deux autres voies ont été ouvertes : l une est d utiliser les unités de production des circuits intégrés et d y associer, dans une deuxième étape, des procédés complémentaires de micro-usinage, notamment pour réaliser les puces, avant conditionnement. On bénéficie aussi des performances des unités de fabrication de circuits intégrés et des pratiques bien connues de la procédure CMP (Chip MultiProjet ), qui permet de partager le coût de la plaque entre plusieurs utilisateurs. Des initiatives dans ce sens ont été prises par le laboratoire TIMA à Grenoble ; l autre est de distinguer le capteur et l actionneur du traitement du signal en travaillant sur des microsystèmes par assemblage de puces. L idée est de standardiser un procédé de base capable de réaliser une variété de dispositifs. À ce jour, deux exemples peuvent être mis en avant : en France, le procédé SIMOX se prête bien à une standardisation du procédé de micro-usinage de surface avec l avantage de disposer d une couche suspendue en silicium cristallin : différents types de capteurs mécaniques peuvent être réalisés sur cette base, aux États-Unis, on assiste au développement de la procédure MUMPS (Multi-User MEMS Process). Elle associe des couches alternées de silicium polycristallin, des couches superficielles de O et des couches métalliques. Autour de ce procédé de base se construisent des outils de conception et de simulation dont l efficacité a déjà été prouvée par plusieurs dizaines de réalisations différentes. La figure 8 illustre ce procédé. À côté de ces approches structurées sur le long terme, il reste possible, et c est le cas le plus fréquent, de faire des études spécifiques sur des produits spécifiques. La plupart des produits existant sur le marché ont procédé de cette manière. Le tableau A en [Doc. E 305] donne quelques exemples d actualité sur le marché mondial [15]. 4. Perspectives de développement à moyen terme Nous nous référons ici principalement aux études réalisées par l organisation européenne NEXUS. Tableau 7 Tableau comparatif des différents actionneurs Mode d actuation Disponibilité Force ou pression développée (1) Fréquence Commentaires Électrostatique Oui P α εε 0 [V /e ] qq khz Magnétique Oui F α µ 0 Bi qq khz Bilame thermique Oui P α (γ 1 γ ) qq Hz Compact, simple et très efficace en faibles déplacements Intégration en cours ; couches magnétiques et bobinages Compact, simple, efficace, très énergétique Thermopneumatique Oui P α k T qq Hz Très énergétique Piézoélectrique Oui P α V qq khz En cours de compactage (1) V : tension e : distance interplaque V/e : champ électrique interplaque B : induction magnétique i : courant de bobine. E Techniques de l Ingénieur, traité Électronique

17 MICROSYSTÈMES,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, Nitrure,1,,, er oxyde, e oxyde Métal Polysilicium 0 Polysilicium 1 Polysilicium,,, Couche photorésistante Étapes du processus technologique (vues en coupe) utilisant trois couches de polysilicium et des couches d oxyde sacrifiées (représentation schématique d un micromoteur) Figure 30 Matrice de miroirs (Texas Instr.) Les microsystèmes devraient se positionner sur un marché en croissance moyenne de 17 %, étant entendu que, le plus souvent, il s agit de produits totalement nouveaux dont le marché se crée avec le produit. Quelques exemples de réussites potentielles répertoriées pour les six prochaines années ( ) sont : les microsystèmes pour l analyse médicale ; les systèmes d administration de médicaments ; les écrans de projection et les écrans plats. Figure 8 Procédé MUMPS Anode Ag Réservoir contenant la solution de réhydratation Na +, Cl 1 Module de commande, alimentation, contrôle NaCl 1 Cathode Ag/AgCl Peau Nous avons déjà donné un exemple des potentialités du diagnostic médical par matrices biochip sur la figure 1. Nous présentons, sur les figures 9 et 30, un exemple de chacune des deux autres catégories. Administration de médicaments C est un secteur important d application car il constitue une voie privilégiée sur une base donnée de produits actifs : en gérer l administration et en obtenir ainsi la plus grande efficacité (chronologie de l administration, précision de dosage, combinaison des produits actifs...). La figure 9 donne un exemple d étude en cours utilisant un microactionneur à poudre pour réaliser une vanne monocoup et pour vider le contenu d un réservoir sur un système d injection, en l occurrence par voie transdermique. Isolant électrique Électrode Ag-Ag/AgCl Matériau poreux contenant le principe actif déshydraté Système de réhydratation Figure 9 Exemple de patch transdermique Projection d images par matrice de miroirs Des matrices de miroirs commandables ont été réalisées qui permettent de projeter une image d excellente qualité et de bon contraste. La simplicité du système et son coût devraient ouvrir à la technique de très importants marchés. Les perspectives de développement du marché, établies par l étude NEXUS, sont resumées dans le tableau B en [Doc. E 305]. Techniques de l Ingénieur, traité Électronique E

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