À quand des NEMS dans nos smartphones ?

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.

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.

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

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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