Les microsystèmes électromécaniques (MEMS)

Généralités sur les microsystèmes MEMS et capteurs.

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 en 1965 par Gordon Moore, ingénieur de Fairchild Semiconductor (cofondateur d’Intel) [1], 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 conséquences par l’apparition sur le marché 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 microélectronique 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’interconnexion, 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), 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. Actuellement, en exploitant les propriétés électriques et mécaniques des semiconducteurs, nous avons été conduits à concevoir des dispositifs capables d’explorer tout ce qui nous entoure et de mesurer tous les phénomènes physiques de l’univers. Ces nouveaux dispositifs composés d’une partie électrique et d’une partie mécanique ou autre, est appelée microsystème. La conception des microsystèmes requiert des compétences multidisciplinaires nécessitant la collaboration de plusieurs groupes de différentes spécialités. Ces groupes ont leurs propres méthodologies de travail et leurs langages de modélisations qui sont spécifiques à un domaine particulier.

Les microsystèmes électromécaniques (MEMS) : En1959 lors d’une présentation durant le meeting annuel de la société américaine de la physique au CALTECH, Richard Feynman (1918-1988) (figure 1.16) a dit : « 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. C’est Richard 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, [1] que l’on découvrit la possibilité de fabriquer des structures mécaniques avec des technologies dérivées de la microélectronique et notamment la lithographie et le dépôt de couches minces. Ces technologies de fabrication permettront de concevoir, simuler, fabriquer, assembler et tester des structures de l’ordre du micromètre.

Les développements de la micromécanique ont été motivés par le fait que les matériaux de la microélectronique comme le silicium et le poly-silicium possédaient des propriétés mécaniques intéressantes pour les applications visées. En effet, le silicium et le polysilicium ont des modules d’Young très élevés (respectivement 160 et 169 GPa) et ils fonctionnent le plus souvent dans le domaine élastique et non plastique (pas d’hystérésis). L’évolution des microsystèmes dans l’histoire de la microélectronique est largement développée. L’historique des microsystèmes est très important, le tableau (1.1) suivant est illustré le chemin de la réalisation des microsystèmes : Enfin, les premiers microsystèmes intégrés avec l’électronique (Figure 1.22), apparurent vers les années 1980, [1] dans le cas des capteurs de pression. Les années 1990 virent ensuite l’explosion des applications industrielles et l’apparition de technologies standardisées utilisées pour différentes applications. Puis, ce fut l’intégration monolithique avec l’électronique et l’apparition des premiers outils de CAO. C’est dans les années 90 également qu’apparurent les initiatives telles que la fabrication multiutilisateurs, qui permirent l’accès à faible coût à ces technologies.

Micro-usinage en surface (ou surface micromachining) :

Le micro-usinage en surface (Surface micromachining) est la technique de gravure sélective consistant à enlever sélectivement une des couches pré-déposée appelée couche sacrificielle (souvent des oxydes ou des résines). Le terme « surface » vient du fait que la gravure dans ce cas n’attaque pas le silicium du substrat qui n’est qu’un support. Une illustration de cette gravure est donnée sur la figure (2.1). Le principe consiste d’abord à déposer sur le substrat une couche sacrificielle (souvent des oxydes ou des résines) qui sera enlevée par la suite. Une couche de matériau destinée à la réalisation de la partie mécanique, appelée couche structurelle (couche en polysilicium, métal, polymère ou isolants non oxydes tels que le nitrure de silicium), est ensuite déposée sur la couche sacrificielle. Finalement la couche sacrificielle est enlevée par micro-gravure pour laisser la partie mécanique suspendue. La couche sacrificielle est choisie en fonction de la couche qui constituera la structure mécanique [13]. Cette technique est utilisée pour la production de nombreux MEMS. Les capteurs ainsi obtenus sont le plus souvent basés sur la détection capacitive. La structure obtenue est insensible aux variations de température.

Cette technique permet l’utilisation d’une électronique intégrée monolithique. ce principe est illustré à la figure (2.6). L’accéléromètre à détection piézorésistive utilise les jauges piézorésistives en silicium monocristallin ou polycristallin. La résistance des jauges piézorésistives change avec l’application d’une contrainte. Ce type de dispositif est relativement simple et peut être facilement intégré dans une configuration de type pont résistif (pont de Wheatstone) permettant ainsi l’utilisation d’une électronique simple. Les accéléromètres ainsi conçus sont utilisés généralement pour la mesure de chocs ou d’accélérations de forte amplitude (100000 g par exemple). Les accéléromètres à détection piézorésistif peuvent être sensibles aux trois axes. L’inconvénient majeur de ce type de détection est la dérive de la valeur des résistances en fonction de la température (la valeur de la résistance dépend de la température), on se trouve ainsi avec un offset et une sensibilité non calibrés (nécessité d’un circuit d’étalonnage et de compensation). Néanmoins de telles structures peuvent fonctionner à hautes températures (>100 °C). Dans ces systèmes le bruit est important à basse fréquence.

Etude et simulation d’un accéléromètre à détection piézorésistive Le principe fondamental de la dynamique permet d’établir une relation entre les trois grandeurs que sont force, masse et accélération. Les accéléromètres ont le deuxième plus grand volume de vente après les capteurs de pression, font tous appel à cette relation pour convertir l’accélération en force. La force est ensuite convertie en une grandeur électrique exploitable. Les principes physiques de conversion force-grandeur électrique sont nombreux et pratiquement tous ceux permettant la mesure d’une force peuvent être exploités pour la mesure d’une accélération. Ces dernières années, les progrès des microtechnologies ont permis le développement d’accéléromètres intégrés de plus en plus performants. Est présenté ici le principe d’un accéléromètre silicium micro-usiné dont le principe de conversion utilise l’effet piézorésistif. Généralement, les accéléromètres piézorésistifs sont constitués d’une masse sismique suspendue avec un ou plusieurs poutres (1 ou 4 poutres) flexibles ; des jauges piézorésistives sont diffusés sur chaque poutre (souvent deux jauges) montées dans un pont de Wheatstone. La flexion de la poutre est traduite en déformation des jauges soit directement, soit indirectement en association avec un amplificateur mécanique. Les accéléromètres piézorésistifs se trouvent, principalement, dans nombreux téléphones mobiles (IPhone 4, IPhone 3GS), les systèmes d’analyse des vibrations, crash-test, les systèmes de navigation etc. Dans ce chapitre, notre travail consiste à étudier et à développer un accéléromètre à détection piézorésistive ayant des sensibilités uniformes. Ce capteur, constitué d’une masse sismique lourde accrochée à quatre longues micropoutres, permet d’obtenir des sensibilités élevées. Une analyse statique de la distribution des contraintes longitudinales dans les micropoutres a été exécutée afin de déterminer les positions optimales des piézorésistances sur les quatre micropoutres.

Conclusion générale:

L’objectif de ce mémoire a consisté à faire la synthèse des accéléromètres microélectroniques en utilisant la technologie MEMS. Le travail consistait également, à modéliser le comportement statique de la structure de notre accéléromètre et déterminer leurs réponses statiques ainsi que leurs limites physiques. Après un état de l’art sur la recherche bibliographie des MEMS, leurs applications et les différents types de transductions MEMS utilisés pour la mesure de l’accélération, nous avons choisis une transduction piézorésistive pour convertir le phénomène physique (une accélération) vers un signal électrique. Ceci a été fait pour des raisons de simplicité et de linéarité de la réponse. Dans le troisième chapitre, nous avons fait une étude théorique de la piézorésistivité, avec une présentation des modèles de jauges piézorésistives en silicium monocristallin et en polycristallin. Il convenait d’utiliser un modèle simplifié ayant un paramètre unique appelé facteur de jauge G. Ce modèle lie la variation relative de résistance des jauges à l’allongement relatif qu’elles subissent. Cela nous conduit à rechercher l’expression des contraintes mécaniques dans la structure soumise à l’action d’une force ponctuelle appliquée aux milieux de la masse sismique. Dans le quatrième chapitre, l’objectif a été la mesure de l’accélération verticale en utilisant la détection piézorésistive, par les variations de résistances de jauges de contraintes implantées sur les surfaces des poutres. . Il s’agit de mesurer la déformation et les contraintes au niveau des poutres, qui sont fixées par une masse sismique d’un côté et l’autre par le bâti. Nous avons proposé un conditionneur électronique pour la transformation de la déformation de la structure causée par l’accélération en un signal électrique. Ce circuit est composé d’un pont de Wheatstone à quatre jauges de contraintes. Une analyse par éléments finis sous ANSYS de la répartition des contraintes nous a permet de localiser les jauges, de calculer et tracer la sensibilité et la tension de sortie en fonction de l’accélération. Le tracé graphique a montré que la sensibilité à l’accélération est parfaitement linéaire.