Microsystèmes électromécaniques. Dispositifs intégrant des microstructures mécaniques et des circuits électroniques grâce aux techniques de microfabrication des semi-conducteurs.
Nom japonais: MEMS
« MEMS » apparaît dans 46 questions d'entraînement réparties sur 9 thèmes, dont MEMS et capteurs, Gravure, Boîtiers et assemblage.
Domaine: MEMS et capteurs
Les MEMS (microsystèmes électromécaniques) reprennent la fabrication des circuits intégrés, mais y ajoutent des étapes qui libèrent des pièces mobiles. Le micro-usinage de surface empile un film sacrificiel comme le SiO2 sous un film structurel comme le polysilicium LPCVD, puis grave la couche sacrificielle pour laisser des poutres suspendues à quelques µm au-dessus du substrat. Le micro-usinage en volume creuse la plaquette elle-même, par gravure au KOH, qui s'arrête sur les plans (111) à environ 54,7°, ou par RIE profonde (procédé Bosch) pour des tranchées verticales de facteur de forme supérieur à 20. Les plaquettes SOI, le collage anodique et le scellement sous vide au niveau plaquette complètent de nombreux dispositifs.
La plupart des capteurs MEMS convertissent un mouvement en variation de capacité. Dans un accéléromètre, une masse sismique suspendue par des ressorts se déplace d'un nanomètre ou moins, ce qui modifie la capacité des électrodes en peigne de moins d'un femtofarad. Un gyroscope fait vibrer une masse à une fréquence de quelques kHz à quelques dizaines de kHz et détecte le déplacement de Coriolis provoqué par la rotation, généralement sous vide pour augmenter le facteur Q. La fréquence de résonance vaut f = (1/2π)√(k/m) : des ressorts plus raides augmentent la bande passante mais réduisent la sensibilité. Les actionneurs électrostatiques produisent une force proportionnelle à V²/d², et des plaques parallèles se collent brusquement (pull-in) après avoir parcouru environ un tiers de l'entrefer.
Avec des structures allant du micromètre au millimètre, les forces de surface l'emportent sur la masse. Les forces capillaires lors du séchage après libération, les forces de van der Waals et l'humidité peuvent coller les pièces au substrat : c'est le stiction, que l'on évite par la libération au HF en phase vapeur, le séchage supercritique, les revêtements hydrophobes et des bossettes (dimples). Le gaz piégé dans les entrefers étroits provoque un amortissement par film comprimé (squeeze-film damping), inversement proportionnel au cube de l'entrefer, utile dans les accéléromètres mais nuisible dans les résonateurs. Le bruit thermomécanique (brownien) augmente lorsque la masse sismique diminue, ce qui limite la résolution des très petits capteurs.
Un smartphone contient plusieurs dispositifs MEMS : accéléromètres, gyroscopes, capteurs de pression assez précis pour détecter un changement d'un étage d'immeuble, et microphones. Les voitures utilisent des accéléromètres MEMS pour déclencher les airbags et des gyroscopes pour le contrôle de stabilité. D'autres exemples sont les têtes d'impression jet d'encre, les miroirs de balayage pour le LiDAR et la projection, les oscillateurs en silicium remplaçant le quartz, les commutateurs RF, les microbolomètres infrarouges non refroidis, les transducteurs ultrasonores et les cartes à pointes MEMS pour le test sur plaquette. Les MEMS sont une technologie typique du More than Moore, souvent fabriquée sur des plaquettes de 200 mm ou moins avec des équipements matures.
Réponse : A. Dispositif intégrant des structures mécaniques microscopiques et des circuits électroniques, réalisé par les techniques de microfabrication des semi-conducteurs
Les MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sont des dispositifs qui utilisent les techniques de fabrication des semi-conducteurs (dépôt, lithographie, gravure, etc.) pour réaliser des structures mécaniques microscopiques comportant des parties mobiles (ressorts, masses, membranes, miroirs) servant de capteurs ou d’actionneurs. Fabriqués en grande quantité à l’échelle de la plaquette, ils sont petits et bon marché ; un seul smartphone contient plusieurs MEMS : accéléromètre, gyroscope, capteur de pression atmosphérique, microphone, etc.
Réponse : B. La variation de capacité entre électrodes due au déplacement de la partie mobile (masse)
Sous l’effet d’une accélération, la masse suspendue par des ressorts se déplace par inertie, ce qui modifie la distance aux électrodes fixes en peigne. Un circuit détecte la variation de capacité correspondante pour en déduire l’accélération. Le déplacement est de quelques nm au plus et la variation de capacité inférieure au fF (10⁻¹⁵ F), mais une configuration d’électrodes différentielle et un circuit très sensible permettent de la lire. Simple, peu gourmand en énergie et peu sensible à la température, ce capteur est largement utilisé, notamment dans les smartphones.
MEMS signifie micro-electro-mechanical systems (microsystèmes électromécaniques) : de minuscules structures mécaniques comme des ressorts, des membranes et des miroirs, réalisées par microfabrication des semi-conducteurs et associées à de l'électronique. Les dispositifs mécaniques encore plus petits, à l'échelle du nanomètre, sont appelés NEMS.
Le stiction est le collage permanent d'une pièce mobile de MEMS au substrat ou à une autre surface, provoqué par des forces capillaires, électrostatiques ou de van der Waals. On le combat par des méthodes de libération sans liquide, des revêtements anti-adhérents et de petites butées de contact.
Une masse sismique montée sur ressorts prend du retard lorsque le boîtier accélère, ce qui modifie son écart par rapport à des électrodes fixes. La variation de capacité qui en résulte est convertie en mesure d'accélération ; au repos, le capteur indique environ 1 g en raison de la gravité.
Les MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sont des dispositifs qui utilisent les techniques de fabrication des semi-conducteurs (dépôt, lithographie, gravure, etc.) pour réaliser des structures mécaniques microscopiques comportant des parties mobiles (ressorts, masses, membranes, miroirs) servant de capteurs ou d’actionneurs.
Quelle description des MEMS est correcte ?Un gyroscope MEMS maintient une masse en résonance entre quelques kHz et quelques dizaines de kHz, puis détecte, par exemple par capacité, le petit déplacement orthogonal causé par la rotation pour en déduire la vitesse angulaire.
Quelle force un gyroscope MEMS vibrant utilise-t-il pour dé…Développé dans les années 1990 par la société allemande Bosch, il est utilisé pour l’usinage des MEMS et des TSV.
Quelle description du Deep RIE (procédé Bosch) utilisé dans…Un microphone MEMS courant forme un condensateur entre une membrane mince d’environ 1 µm d’épaisseur qui vibre sous la pression acoustique et une électrode fixe perforée (contre-électrode) ; la variation de capacité due à la vibration est convertie en signal électrique par un ASIC situé dans le même boîtier.
Quelle est la méthode typique de conversion du son en signa…Des milliers de buses de quelques dizaines de µm de diamètre et leurs canaux sont réalisés en technologie MEMS et éjectent des gouttelettes de quelques pL.
Quelle est la méthode d’éjection d’encre courante des têtes…Accéléromètre Gyroscope Stiction (adhérence) Contact RIE (gravure ionique réactive) Force de Coriolis Procédé Bosch (Deep RIE) Plasma Découpe (dicing) Gravure humide