Cet article explore les caractéristiques de base et les applications courantes d’une technologie qui a été intégrée dans une grande variété de dispositifs électroniques à haute performance.
J’apprécie toujours un nom qui est vraiment informatif et, à cet égard, le terme « systèmes microélectromécaniques » (MEMS) ne déçoit pas – il s’agit autant d’une définition concise que d’un nom.
Alors, qu’est-ce que les MEMS ?
Les MEMS font référence à une technologie qui permet de miniaturiser les structures mécaniques et de les intégrer minutieusement aux circuits électriques, ce qui donne un dispositif physique unique qui s’apparente en fait davantage à un système, où le terme « système » indique que les composants mécaniques et les composants électriques travaillent ensemble pour mettre en œuvre la fonctionnalité souhaitée. Il s’agit donc d’un micro (c’est-à-dire très petit) système électrique et mécanique.
Mécanique à électrique à (micro)mécanique
Les composants et systèmes mécaniques sont généralement considérés comme moins avancés technologiquement que des solutions comparables basées principalement sur des phénomènes électriques, mais cela ne signifie pas que l’approche mécanique est universellement inférieure. Le relais mécanique, par exemple, est bien plus ancien que les dispositifs à base de transistors qui offrent des fonctionnalités similaires, mais les relais mécaniques sont encore largement utilisés.
Néanmoins, les dispositifs mécaniques typiques auront toujours l’inconvénient d’être désespérément encombrants par rapport aux composants électroniques que l’on trouve dans les circuits intégrés. Les contraintes d’espace d’une application donnée peuvent faire en sorte que les composants électriques soient privilégiés ou requis, même lorsqu’une mise en œuvre mécanique aurait donné lieu à une conception plus simple ou plus performante.
La technologie MEMS représente une solution conceptuellement simple à ce dilemme : si nous modifions les dispositifs mécaniques de manière à ce qu’ils soient non seulement très petits, mais aussi entièrement compatibles avec les processus de fabrication des circuits intégrés, nous pouvons, dans une certaine mesure, avoir le « meilleur des deux mondes ». »
C’est un engrenage et une chaîne physiques. Cette machinerie bouge et fonctionne comme vous vous attendez à ce qu’un engrenage et une chaîne bougent et fonctionnent. Cependant, les maillons de la chaîne mesurent environ 50 µm de long – c’est-à-dire moins que le diamètre d’un cheveu humain. Image reproduite avec l’aimable autorisation de Sandia National Laboratories.
Qu’est-ce qui fait un MEMS ?
Dans la section précédente, j’ai déclaré que la technologie MEMS est une solution conceptuellement simple. Comme vous pouvez vous y attendre, il est beaucoup plus facile d’avoir l’idée d’un dispositif mécanique microscopique que de le construire réellement.
Nous utilisons le verbe « usiner » pour décrire le travail consistant à transformer une pièce de métal en un composant mécanique tel qu’un engrenage ou une poulie. Dans le monde des MEMS, le terme équivalent est « micromachiner ». Les minuscules structures mécaniques d’un dispositif MEMS sont fabriquées en modifiant physiquement le silicium (ou un autre matériau de substrat) à l’aide de techniques spécialisées dont je ne sais presque rien. Ces structures mécaniques en silicium sont ensuite combinées avec des circuits intégrés en silicium, et le système électromécanique résultant est enfermé dans un emballage et vendu comme un seul dispositif.
Comme l’explique un article sur les MEMS publié par l’université de Loughborough en Angleterre, les dispositifs MEMS font appel à des structures micro-usinées, des capteurs et des actionneurs. Les capteurs permettent à un MEMS de détecter des changements thermiques, mécaniques, magnétiques, électromagnétiques ou chimiques qui peuvent être convertis par des circuits électroniques en données utilisables, et les actionneurs créent des changements physiques plutôt que de simplement les mesurer.
Exemples de dispositifs MEMS
Voyons un exemple de la fonctionnalité et de la structure interne d’un dispositif MEMS.
Poutres de commutation en cantilever micro-usinées. Image reproduite avec l’aimable autorisation d’Analog Devices.
Ce graphique traduit la structure physique des poutres de commutation cantilever micro-usinées. Il y a quatre poutres de commutation et chacune a cinq contacts (l’utilisation de contacts multiples est une technique pour réduire la résistance à l’état passant). Les poutres de commutation sont actionnées par une tension appliquée.
Image fournie gracieusement par Analog Devices.
Nous voyons ici le commutateur MEMS (à droite) et le circuit de pilotage associé (à gauche), interconnectés et logés dans un boîtier QFN. Le circuit de pilotage permet à un dispositif numérique typique, tel qu’un microcontrôleur, de contrôler efficacement le commutateur car il fait tout ce qui est nécessaire pour générer un signal d’actionnement haute tension en rampe qui favorise un fonctionnement efficace et fiable du commutateur.
Applications MEMS : Quand les dispositifs MEMS sont-ils utilisés ?
La technologie MEMS peut être incorporée dans une grande variété de composants électroniques. Les entreprises qui fabriquent ces composants affirmeraient vraisemblablement qu’une implémentation MEMS est supérieure à ce qui était utilisé avant que la version MEMS ne soit disponible. Il serait difficile de vérifier un nombre suffisant de ces affirmations pour justifier une déclaration généralisée du type « Les dispositifs MEMS offrent des performances nettement supérieures à celles des dispositifs non-MEMS ». Cependant, mon impression générale est que, dans de nombreuses situations, les MEMS constituent effectivement une avancée significative et, si les performances ou la facilité de mise en œuvre sont une priorité dans votre conception, je regarderais d’abord les dispositifs MEMS.
Dans le contexte de l’ingénierie électrique, la technologie MEMS a été intégrée dans quatre catégories de produits :
- Audio
- Capteurs
- Commutateurs
- Oscillateurs
Il pourrait y avoir des produits moins courants qui n’entrent pas dans l’une de ces catégories ; si vous êtes au courant de quelque chose que j’ai oublié, n’hésitez pas à nous le faire savoir dans les commentaires.
Audio
Dans le domaine audio, nous avons les microphones MEMS et les haut-parleurs MEMS. Les caractéristiques de base d’un micro MEMS sont véhiculées par le schéma suivant.
Capteurs
Les capteurs sont l’application dominante des techniques MEMS ; il existe des gyroscopes, des inclinomètres, des accéléromètres, des capteurs de débit, des capteurs de gaz, des capteurs de pression et des capteurs de champ magnétique MEMS.
Commutateurs
Les commutateurs à commande électrique constituent, à mon avis, une application particulièrement intéressante de la technologie MEMS. L’ADGM1004, dont j’ai parlé dans cet article, est facile à contrôler, fonctionne avec des fréquences de signal de 0 Hz à plus de 10 GHz, a moins de 1 nA de courant de fuite à l’état désactivé et offre une durée de vie d’actionnement d’au moins un milliard de cycles.
Oscillateurs
La combinaison d’un résonateur micro-usiné avec un circuit d’excitation et un circuit de maintien donne un oscillateur MEMS. Si vous souhaitez étudier un composant MEMS réel, vous pouvez consulter un article d’actualité de 2017 dans lequel j’ai discuté de l’oscillateur MEMS SiT2024B de SiTime.
Diagramme gracieusement fourni par SiTime.
Je n’ai pas beaucoup d’expérience avec les oscillateurs MEMS, mais je pense qu’ils pourraient être un excellent choix dans les applications exigeantes ; dans l’article susmentionné sur le SiT2024B, je souligne que, sur la base des informations de SiTime, un oscillateur MEMS peut sérieusement surpasser les oscillateurs à base de quartz.
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