Etude de l’actionnement électrostatique d’une membrane en Silicium-Contrôle du volume injecté par une micro pompe

L’industrie de la microélectronique augmente sans cesse la densité d’intégration de transistors par puce, dans le but d’améliorer les performances des circuits intégrés. La loi de Moore énoncée des 1965 par Gordon Moore, ingénieur de Fairchild Semiconductor (cofondateur d’Intel), indiquait que la densité d’intégration sur silicium doublerait tous les 18 mois, ce qui implique la réduction de taille des transistors. A ce jour, cette prédiction s’est révélée exacte, avec pour conséquences l’apparition sur le marche de systèmes électroniques de moins en moins couteux et de plus en plus performants. Cette évolution quasiexponentielle est le fruit de progrès fulgurants de la recherche en micro électronique tant aux niveaux des procédés, des techniques de conception que des architectures. Cependant des limites technologiques semblent se profiler à l’horizon comme la finesse de la gravure, l’inter connexion, la densité de composants…

Depuis l’apparition du premier transistor en 1947, et du premier circuit intégré inventé en 1958 par Jack Kilby (Ingénieur à Texas Instrument) [INTEL99], les technologiques n’ont cessé d’évoluer, et placent aujourd’hui l’industrie du semi-conducteur au premier plan du marché de l’électronique. Les technologies silicium comme les technologies CMOS (Complementary Metal Oxide Semi-conductor) ont été très largement instaurées, et  représentent aujourd’hui environ 75% du marché du semi conducteur. Cette évolution est largement cofinancée par l’explosion de la micro-informatique, des multimédias et systèmes de communication pour qui les besoins sont de plus en plus grands en termes de performances. Ces quinze dernières années ont été les témoins d’un effort constant visant l’intégration de fonctions de plus en plus complexes. Pour situer cette évolution, on peut s’intéresser tout particulièrement à l’évolution des processeurs et des mémoires, . On s’aperçoit que l’on est passé de quelques dizaines de milliers de transistors pour les premiers processeurs (8086 en1982), à plusieurs dizaines de millions de nos jours, avec la sortie du Merced en 1999. Pour information, le premier processeur a été inventé par INTEL en 1972. Il s’agit du 4004, composé de 2300 transistors et capable de traiter 60000 opérations par seconde à une fréquence de 108KHz.

Les microsystèmes:

L’histoire des microsystèmes commence par une conférence donnée par le professeur Feynman   au CALTECH lors de la réunion annuelle de l’American Physical Society en décembre 1959. Le titre de son allocution « There’s Plenty of Room at the Bottom », que l’on peut interpréter par : Il y a plein d’espace en bas de l’échelle. Feynman voulait attirer l’attention sur l’intérêt de la miniaturisation, non pas en terme de taille ou de volume, mais sur le fait que la miniaturisation d’un système rend possible la multiplication des fonctions réalisées par ce système ou de la quantité d’informations stockée par ce dernier. [1].

C’est Feynman qui parla le premier de micromachines et qui comprit leur intérêt et les problèmes soulevés par la physique et la mécanique des petites dimensions. C’est quelques années après l’apparition des premiers circuits intégrés en 1958, par le récent Prix Nobel Jack Kilby, que l’on découvrit la possibilité de fabriquer des structures mécaniques avec des technologies dérivées de la micro-électronique et notamment la lithographie et le dépôt de couches minces. Les développements de la micromécanique ont été motivés par le fait que les matériaux de la micro électronique comme le silicium et le silicium polycristallin (appelé également polysilicium) possédaient des propriétés mécaniques intéressantes pour les applications visées. En effet, le silicium et le polysilicium ont de très bonnes propriétés mécaniques (par exemple de modules d’Young très élevés (respectivement 190 et 160 Gpa)). Ils fonctionnent le plus souvent dans le domaine élastique et non plastique. La technologie MEMS est utilisée partout. Elle est la plus populaire pour le marché automobile des capteurs (airbag, système de sécurité, suspension, échappement). Elle est utilisée aussi pour le marché industriel (détection de tremblement de terre, perception de choc, robot…) le marché domestique (ordinateur, portable, système de navigation…) et militaire (chasse avion, équipement des soldats…). Le domaine le plus promoteurs concerne les applications biomédical. Les capteurs peuvent être utilisées pour mesurer la pression, on les contraintes comme dans les instruments chirurgicaux. Les actionneurs comme les micro-pompes sont utilisées en dosage des médicaments et les analyseurs d’ADN .

Familles des MEMS

« MEMS » est un acronyme anglais pour ’Micro Electro-Mechanical Systems ‘ qui peut se traduire par « micro-systèmes électro-mécaniques ». Il y a plusieurs familles de MEMS : les MOEMS (pour l’Optique), les RF-MEMS (switchs Radio Fréquences), les BIO-MEMS (pour la biologie avec les ‘lab-on-chip’) et les MAGMAS Micro- Actionneurs et Générateurs MAgnétiques, ou MAGnetic Micro-Actuators & Systems), chacune pouvant comporter des actionneurs ou des capteurs. C’est une très grande famille mais qui se partage pour le moment un très faible nombre de produits industriels ou grand public. Parmi eux, il faut noter : les têtes d’imprimantes, les capteurs d’air bag, les matrices actives de µ-miroirs dans les vidéo- projecteurs, les boussoles et altimètres intégrés dans les montres sportives, les têtes de disques durs… Ce secteur reste très proche de la recherche car il y a encore beaucoup de progrès à faire afin de découvrir et de stabiliser de nouveaux procédés, de développer de nouveaux matériaux ou encore de créer de nouveaux logiciels de simulation.

La dénomination « MEMS » provient de l’abréviation anglaise de « Micro-Electro Mechanical Systems » (systèmes micro-électro-mécaniques). Sous cette abréviation, il y a trois définitions relativement équivalentes :

➤ Définition américaine (MEMS) :
Le terme MEMS (Micro Electro Mechanical System) est le plus utilisé. Il s’agit d’un micro dispositif ou d’un système intégré qui combine des composants électriques ou mécaniques fabriqués avec les techniques de la micro-électronique conventionnelle (croissance d’oxyde, dépôt de matériaux, lithographie…), et avec certaines techniques spécifiques telles que la gravure. Leurs dimensions varient en taille du micromètre au millimètre. Ces systèmes réunissent le traitement de l’information avec la capture et l’action afin de pouvoir changer la façon avec laquelle on perçoit et on contrôle le monde physique.

➤ Définition européenne (MS) :
Les microsystèmes sont des systèmes miniaturisés intelligents qui combinent de manière monolithique ou non des capteurs et des actionneurs à des fonctions de traitement du signal et de l’information.

➤ Définition japonaise :
Au Japon l’accent est donné aux micromachines qui sont composées d’éléments fonctionnels de la taille de quelques millimètres et capables de réaliser des opérations microscopiques complexes.