Un MEMS, qu'est-ce que c'est ?

Les microsystèmes électromécaniques (MEMS) sont des systèmes de taille micrométrique, des hybrides de dispositifs électroniques et mécaniques. Dans les MEMS, un signal électrique en entrée produit en sortie une réponse mécanique, et inversement (une entrée mécanique aura une sortie électrique). Même si les structures mécaniques ne bougent pas physiquement, les MEMS doivent néanmoins toujours avoir une fonction mécanique. C'est pourquoi on les considère généralement comme des systèmes mécaniques, en dépit de leurs composants électroniques avancés.

Les MEMS contiennent de nombreux éléments électroniques et structures mécaniques miniaturisés, tels que des actionneurs, des microcapteurs, des cantilevers, des micromiroirs, des membranes, de petits canaux, des commutateurs, des cavités et des circuits intégrés (CI) microélectroniques qui agissent comme le « cerveau » et le centre de contrôle des MEMS. Un substrat de silicium sera typiquement utilisé pour former le circuit intégré, au-dessus duquel les autres composants du microsystème seront ajoutés.

La technologie MEMS existe depuis un certain nombre d'années, et comme la technologie moderne poursuit sa miniaturisation, ces dispositifs sont considérés comme l'avenir de l'électronique. En effet, leur fabrication repose sur les techniques actuelles de microfabrication de semi-conducteurs, telles que le micro-usinage de surface, la photolithographie et la gravure sèche.

Si leur technologie est désormais éprouvée, les MEMS n'ont été que très peu commercialisés jusqu'en 2006, date à laquelle Nintendo a incorporé un accéléromètre MEMS à ses télécommandes Wii. Depuis lors, leur popularité et leur utilisation n'ont pas cessé de croître dans de multiples applications et secteurs industriels. Avec cette expansion et cette pénétration du marché, il existe maintenant de nombreux types de dispositifs MEMS, capitalisant sur leur capacité à intégrer et combiner de nombreuses petites pièces et composants (avec différentes propriétés électriques et mécaniques) pour construire des systèmes uniques de taille micronique haute performance.

De nombreux dispositifs MEMS sont utilisés dans les fonctionnalités de détection, d'actionnement ou de résonance. Ils exploitent ainsi les techniques avancées de fabrication de semi-conducteurs pour construire des dispositifs de grande précision, légers et de petite taille, sobres en énergie. 

On retrouve beaucoup de dispositifs MEMS dans des applications de capteurs et d'actionneurs. La principale différence entre ces deux catégories est que les capteurs convertissent un signal non électrique (tel qu'un signal mécanique) en sortie électrique, tandis que les actionneurs convertissent le signal électrique reçu en mouvement mécanique.

De nombreux composants MEMS peuvent être montés sur une plaquette de silicium. Les ingénieurs ont maintenant accès à des dispositifs à l'échelle micronique où les capteurs peuvent être co-implantés avec d'autres composants électroniques de conditionnement du signal pour construire des systèmes plus proches d'un transducteur que d'un simple « capteur MEMS ».

Il existe quatre catégories principales de MEMS : les MEMS capacitifs, gyroscopiques, piézoélectriques et laser. Bon nombre de MEMS entrent dans une ou plusieurs de ces catégories, ce qui les rend difficiles à regrouper dans un seul groupe. On retiendra toutefois les principales catégories susmentionnées :

1. MEMS capacitifs : les MEMS capacitifs sont utilisés dans des applications conductrices ; leurs éléments internes détectent les changements de capacité. 
2. MEMS gyroscopiques : les MEMS gyroscopiques mesurent la vitesse angulaire d'un système en comparant la force d'inertie sur un objet à une référence. 
3. MEMS piézoélectriques : ces MEMS produisent un courant électrique par effet piézoélectrique (redistribution des charges dans la structure du matériau) lorsque le dispositif subit une déformation mécanique. 
4. MEMS laser : les MEMS laser servent à accorder différents types de lasers en faisant varier leur longueur d'onde de sortie en fonction d'une taille/région souhaitée du spectre électromagnétique. Ils se retrouvent dans diverses applications, allant des filtres acousto-optiques aux communications optiques, en passant par l'éclairage automobile.

Un certain nombre de capteurs MEMS entrent dans la catégorie des unités de mesure inertielle (IMU), où la réponse mécanique est traduite en sortie électrique. Les IMU comprennent les gyroscopes (utilisés dans le déploiement des airbags, les casques de réalité virtuelle, les systèmes de navigation de drone et les systèmes de cartographie) et les accéléromètres pour les consoles de jeux vidéo, les caméras et les systèmes de contrôle d'attitude des avions.

Parmi les actionneurs courants, on citera les puces de traitement numérique de la lumière (DLP), les haut-parleurs, les micropompes, les micromoteurs rotatifs, les brucelles, les imprimantes, les microengrenages, les microvannes, les micromiroirs et les commutateurs. Ces derniers constituent un domaine central des actionneurs et nécessitent la compréhension de la tension pull-in, ainsi que de l'hystérésis entre la tension pull-in et la tension de relâchement pour optimiser la conception de très petits commutateurs.

Un autre capteur utilisant les MEMS est le capteur haptique. Il contient des bandes électroactives qui gonflent et envoient un signal électrique lorsqu'on appuie dessus, ou via l'utilisation d'effets magnétiques et de fluides électro-actifs. On le retrouve dans des applications telles que les écrans tactiles et les lecteurs d'empreintes digitales. Les MEMS sont également employés dans les détecteurs de gaz et les détecteurs de contraintes.

Les oscillateurs MEMS, quant à eux, constituent une autre architecture clé de ces dispositifs. Ceux-ci contiennent un résonateur qui utilise un pilote analogique pour générer une excitation piézoélectrique. Les oscillateurs MEMS produisent des fréquences stables allant de 1 hertz (Hz) à des centaines de mégahertz (MHz).

Les filtres radiofréquence (RF) forment une autre catégorie importante de MEMS, et constituent d'ailleurs l'un des plus grands marchés pour cette technologie. Dans ce cas de figure, la sortie mécanique crée un filtre de petite taille, peu coûteux et capable de remplir de nombreuses fonctions de filtrage large bande, bande étroite, passe-bas et passe-haut. Dans le domaine des filtres RF, les MEMS peuvent être utilisés pour construire des filtres à ondes acoustiques de surface (SAW) et à ondes acoustiques de volume (BAW).

Forts de ces multiples expressions, les MEMS laissent leur empreinte dans de nombreuses applications et industries, telles que l'automobile, l'aérospatiale, la défense et la santé. Les capteurs MEMS, par exemple, peuvent détecter une large gamme de stimuli dans différents domaines : l'acoustique, l'écoulement des fluides, la température, la pression, le niveau de vide pour les machines de fabrication de semi-conducteurs, les effets inertiels, les champs magnétiques, les produits chimiques et le rayonnement.

Les dispositifs de capteurs MEMS peuvent être des appareils courants, tels que les détecteurs infrarouges, les magnétomètres, les capteurs de température et les capteurs de pression. Les accéléromètres MEMS, gyroscopes et autres capteurs inertiels sont largement utilisés dans le secteur aérospatial, règne des très grandes vitesses, où les opérations de détection exigent la plus grande précision.

Les MEMS trouvent également une utilité dans des applications de récupération d'énergie de petite taille pour alimenter des appareils portables médicaux et de surveillance de la santé, ainsi que dans des dispositifs médicaux implantables (IMD), relevant alors d'une sous-catégorie appelée bioMEMS, ou encore pour alimenter d'autres appareils électroniques portables de petite taille. Dans le domaine de l'électronique portable et grand public, les MEMS se retrouvent dans les smartphones à la fois comme filtres RF et comme capteurs haptiques pour les écrans tactiles. D'autres filtres RF (SAW ou BAW) sont actuellement utilisés dans les applications Wi-Fi, Bluetooth et LTE.

Outre les applications classiques, les MEMS s'imposent dans de nombreux domaines spécialisés, notamment les capteurs utilisés dans les voitures autonomes, le déploiement d'airbags et les applications d'automatisation ; les réseaux de micromiroirs pour projecteurs haute définition ; les têtes d'impression à jet d'encre ; les microéchangeurs de chaleur ; les commutateurs optiques et les dispositifs photoniques pour les communications à faibles pertes ; les dispositifs microfluidiques, etc.

Le processus de conception et de fabrication des MEMS peut impliquer de nombreux défis en raison de leur petite échelle et de leur sensibilité. Vulnérables aux moindres mouvements ou chocs, un faux signal est susceptible de se produire. Il existe également une compensation thermique et des éléments inaccessibles qui doit être ajoutée au dispositif et prise en compte. La difficulté dans la conception de MEMS vient de leur taille réduite et de la complexité des géométries, mais le mouvement des pièces mécaniques est infiniment plus petit encore. Des capacités de simulation avancées sont donc indispensables pour examiner les aspects structurels et opérationnels des MEMS et s'assurer que la conception est suffisamment robuste afin de faire face à la variabilité naturelle qui existe dans les processus de fabrication.

Chaque aspect d'un dispositif MEMS est tributaire de sa sensibilité et du facteur de qualité, qui mesure la perte d'énergie. Cependant, les dispositifs MEMS peuvent avoir des fréquences très élevées qui doivent être prises en compte : pour les capteurs inertiels, elles atteignent plusieurs centaines de kilohertz (kHz) voire MHz, tandis qu'elles sont de l'ordre du gigahertz (GHz) pour les filtres RF. Les filtres étant une fonction de pas, la précision du déplacement couplé prévu et des champs de tension est importante. Quant à la précision, elle commande la pente d'une courbe de filtre, qui va de 0 à l'infini. Les filtres doivent avoir une réponse raide pour être efficaces. C'est pourquoi des outils très précis sont nécessaires pour évaluer avec exactitude cette raideur de la courbe et sa sensibilité aux variations de température.

Pour de nombreux dispositifs MEMS, la conception et l'optimisation de la taille et des matériaux utilisés dans les composants mécaniques sont l'un des aspects les plus importants du processus de conception. La structure optimale peut être conçue en examinant les entrées et en voyant comment le signal se déplace entre deux points dans le dispositif, et quelle est la sortie obtenue. Si celle-ci n'est pas correcte pour les entrées données, le domaine de conception n'est pas optimal. Ces aspects peuvent tous être analysés et résolus via un logiciel de simulation avancé pour concevoir des dispositifs MEMS haute performance.

Les outils de simulation doivent être capables de construire des conceptions complexes et nécessitent une grande précision. Dotés d'une résolution de niveau picométrique, les outils Ansys peuvent non seulement être utilisés pour les MEMS, mais aussi pour leurs homologues nanotechnologiques encore plus petits, les systèmes nanoélectromécaniques (NEMS). En fait, simuler un NEMS revient à zoomer sur la conception pour l'adapter à une échelle plus petite, une capacité accessible avec la résolution picométrique.

Pour concevoir et simuler les performances des MEMS, Ansys utilise deux progiciels : Discovery et Mechanical. Ansys Discovery est utilisé pour le pré-traitement, puis Ansys Mechanical pour la simulation elle-même. Discovery sert ici à définir différentes géométries et variations induites par le processus dans les MEMS. C'est le cas de l'étude du processus de gravure et de la relation avec les dimensions critiques qui pourraient être mesurées pendant la fabrication. Le progiciel Discovery est capable de pré-traiter la plupart des différentes variations de la géométrie avant la simulation dans Mechanical, où ces géométries et toutes les autres caractéristiques peuvent être mises à l'échelle sur une simulation à l'échelle du wafer. Pour atteindre des variations géométriques plus détaillées et uniques, les nœuds représentant la géométrie dans Mechanical peuvent être déplacés à l'aide de diverses approches automatisées.

L'utilisation de méthodes dédiées de pré-traitement et de simulation au niveau du wafer avec des résolutions picométriques permet non seulement d'accélérer le processus de conception, mais aussi de garantir que la conception est précise et qu'elle a les spécifications requises pour produire un dispositif MEMS très performant pour l'application prévue. Pour en savoir plus sur la façon dont les outils de simulation de Ansys peuvent améliorer le processus de conception de vos dispositifs MEMS, nous vous invitons à contacter notre équipe technique.

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