À quand des NEMS dans nos smartphones ?

Dossier : Les nanosciencesMagazine N°702 Février 2015
Par Antoine FILIPE (90)

Faisons un rapide retour en arrière. En 1959, le physicien Richard Feynman ouvre l’histoire des nanotechnologies avec une conférence intitulée There is Plenty of Room at the Bottom1.

Lors de cette conférence, il entrevoit un avenir dans lequel l’homme utilisera des machines de taille nanométrique. Des chercheurs de la Silicon Valley ont alors l’idée de détourner la technologie de fabrication des transistors pour réaliser des structures mécaniques de toute petite taille.

REPÈRES

MEMS est l’acronyme anglais de Micro- Electro-Mechanical Systems. Chaque année, 10 milliards de composants MEMS sont vendus à travers le monde au prix moyen de 1 euro. C’est un marché en forte croissance (+ 20 % par an) dominé par deux sociétés européennes : STMicroelectronics et Bosch.
La terminologie NEMS (pour Nano-Electro-Mechanical Systems) a été introduite récemment pour décrire les MEMS de taille nanométrique.

D’un seul coup, il devient possible de fabriquer des pièces avec une tolérance de quelques micromètres (10-6 m), soit cent fois mieux que les pièces mécaniques classiques de l’époque. Ces pionniers ouvrent un champ extraordinaire d’exploration qu’ils appellent MEMS pour Micro-Electro- Mechanical Systems.

CE QUE FONT LES MEMS

MESURER

Mesurer les mouvements pour l’automobile, les smartphones et les manettes de jeu vidéo. Mesurer la pression dans la voiture, les pompes industrielles ou le médical. Mesurer les signaux acoustiques comme la voix dans les téléphones.

CONTRÔLER

Contrôler la lumière dans les vidéoprojecteurs et les réseaux de télécommunication à fibre optique. Contrôler le déplacement de fluide dans les imprimantes à jet d’encre et le diagnostic in vitro.

Comme d’autres révolutions technologiques, les MEMS inspiraient à l’époque de l’incrédulité et des sourires amusés, au mieux de la curiosité. Cinquante ans plus tard, les capteurs MEMS ont gagné leur pari et modifié en profondeur notre interaction avec les objets électroniques. Ils ont rendu possible le déploiement massif des airbags et de l’ESC (contrôle électronique de stabilité), éléments clefs dans la réduction du nombre de tués sur les routes.

Et ils sont au cœur des objets connectés : un smartphone utilise jusqu’à une dizaine de capteurs MEMS pour capter le son, les mouvements, la pression, etc.

La loi de Moore

La vision initiale de Feynman a porté toute la croissance de la microélectronique : la taille des transistors est ainsi passée en cinquante années de quelques micromètres (10-6 m) à quelques dizaines de nanomètres (10-8 m), soit une réduction d’un facteur cent.

“ Un smartphone utilise jusqu’à une dizaine de capteurs MEMS ”

Grâce à cette réduction continue des dimensions, le nombre de transistors par puce double tous les deux ans : c’est la fameuse loi de Moore. Et c’est la loi de Moore qui conduit à des processeurs de plus en plus petits au cœur de nos téléphones portables.

Or cette tendance de fond ne s’est pas appliquée aux MEMS. En effet, depuis bientôt un demi-siècle, la taille caractéristique est toujours restée égale à quelques micromètres. Le déploiement des MEMS s’est fait via de nombreuses innovations, notamment en termes d’assemblage, mais sans aucune réduction de cette tolérance mécanique.

Les MEMS seraient-ils incapables de devenir des NEMS ou Nano- Electro-Mechanical Systems ? D’où vient cette limitation ?

Un rappel d’électrostatique

TROIS ATOUTS

COMPACITÉ ET LÉGÈRETÉ

Grâce à leur surface de quelques millimètres carrés, les MEMS se sont imposés dans tous les systèmes miniatures comme les smartphones ou les stimulateurs cardiaques.

ÉCONOMIE

L’utilisation de la technologie MEMS pour les accéléromètres a conduit à une réduction de prix de 90 % en dix ans.

FAIBLE CONSOMMATION

Avec une puissance minimale de quelques microwatts, les MEMS peuvent fonctionner pendant des années sans avoir besoin de recharger la batterie.

Pour mieux comprendre cette limitation, il est nécessaire d’aller regarder dans les entrailles d’un MEMS. Nous y trouvons des peignes en silicium entrelacés et séparés par une distance de quelques micromètres.

Le mouvement du capteur va conduire au déplacement de la partie mobile (l’un des deux peignes) et donc à une variation de la distance entre ces peignes. Ce mouvement de la partie mobile est directement mesuré grâce à la variation de capacité entre les deux peignes. Les structures étant très petites, la variation de capacité va être très faible. Elle se mesure en centaines de zepto-farad (10-19 F) et correspond à une variation de charge de quelques électrons.

Un moyen pour améliorer la sensibilité serait de fabriquer des peignes plus rapprochés. Mais si l’on diminue la distance entre les peignes, les contraintes technologiques imposent une réduction de l’épaisseur du peigne. En effet, malgré des efforts constants pour améliorer les procédés de fabrication, les micropeignes ne peuvent pas avoir un rapport distance sur épaisseur inférieur à quelques pour cent.

“ S’affranchir du GPS ”

Cela se comprend bien pour des structures mécaniques classiques : on ne sait pas construire un bâtiment extrêmement fin dont la hauteur serait supérieure à plusieurs dizaines de fois la largeur de la base.

En définitive, la capacité étant directement proportionnelle à l’épaisseur et inversement proportionnelle à la distance, nous allons reperdre d’un côté ce que nous avons gagné de l’autre. Grâce à ce rappel d’électrostatique, nous comprenons bien que, contrairement aux transistors, la réduction des dimensions minimales dans les MEMS ne conduit pas directement à une amélioration des performances.

Les composants nano-électro-mécaniques débarquent

Afin de contourner cette limitation, de nombreux laboratoires de recherche à travers le monde cherchent à combiner le meilleur des deux mondes : une structure micrométrique pour la partie mécanique et une structure nanométrique pour la partie électronique de détection.

Différentes technologies sont à l’étude
(ici, dans les laboratoires de Tronics Microsystems)
.

Pour cela, différentes technologies sont à l’étude et devraient s’imposer d’ici la fin de la décennie. Mais l’enjeu de ces développements va bien au-delà de simples améliorations incrémentales de dimensions.

En effet, les centrales inertielles utilisées pour la navigation des avions de ligne ont actuellement la taille d’une grosse valise et pèsent plusieurs dizaines de kilogrammes. L’enjeu de la prochaine décennie est d’arriver, grâce à l’utilisation des NEMS, à conserver les performances actuelles (erreur de localisation de quelques mètres sur une heure) tout en réduisant massivement la taille de ces centrales inertielles à celle d’un boîtier portable.

D’un seul coup, la mesure fine des mouvements et la localisation précise des personnes à l’intérieur des bâtiments deviendront possibles. Il est ici utile de rappeler que les signaux satellites du GPS ne peuvent pas être reçus en intérieur et sont fortement perturbés par des réflexions parasites sur les bâtiments dans les grandes villes.

Ces centrales inertielles de nouvelle génération ouvriront un vaste champ de services de géolocalisation appelés LBS (Location-Based Services).

Des prémices sont déjà là, comme la localisation des services de secours en intervention (pompiers notamment) ou la sécurité du travailleur isolé. Mais les vrais enjeux économiques se situent autour du marketing géolocalisé, de la réalité augmentée et de nombreuses autres applications qui restent encore à inventer.

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1. “ Il y a beaucoup de place en bas. ”

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