Les systèmes microélectromécaniques (MEMS) constituent une technologie essentielle utilisée depuis de nombreuses années pour remplir diverses fonctions dans un grand nombre d’applications. C’est de fait une technologie relativement ancienne. Cependant, les progrès techniques réalisés dans le domaine de la fabrication permettent aujourd’hui d’obtenir des fonctionnalités et des composants plus petits et, par conséquent, de créer des MEMS à partir d’un plus large choix de matériaux. Ces nouvelles possibilités de créer davantage de fonctionnalités, de structures et de composants à partir d’une plus grande gamme de matériaux permettent aujourd’hui d’intégrer les MEMS à un large éventail d’applications.
Les MEMS sont des systèmes intégrés miniatures qui combinent des composants mécaniques et électriques pour en faire des dispositifs fonctionnels. Il existe de nombreuses méthodes pour fabriquer les différents composants des MEMS, mais aussi pour modéliser et manipuler la structure des matériaux utilisés dans chacun de ces composants. Ces méthodes vont du traitement par lots des circuits intégrés pour créer des composants électroniques à diverses techniques avancées de micro-usinage, de lithographie et de dépôt employées pour fabriquer les composants mécaniques.
Les MEMS sont constitués de nombreux composants, ce qui en fait parfois des systèmes relativement complexes. Les différents composants peuvent à leur tour être constitués de nombreux matériaux, dont le silicium et divers métaux, céramiques et matériaux polymères. Les composants destinés aux MEMS sont fabriqués à l’échelle micrométrique, mais un MEMS comportant de nombreux composants peut se mesurer à l’échelle du millimètre.
Les MEMS peuvent intégrer une large gamme de microstructures mécaniques, de microcapteurs, de microactionneurs et d’éléments microélectroniques intégrés sur une puce de silicium. Grâce à ce large choix de types de composants, les MEMS peuvent servir à la détection, au contrôle et au déclenchement au niveau microscopique, mais avec des effets et des fonctions au niveau macroscopique. De nombreux types d’actionneurs ont ainsi été développés à l’aide de MEMS, notamment des actionneurs optiques, thermiques, magnétiques, chimiques, mécaniques et à rayonnement. Compte tenu de la vaste gamme de MEMS et du nombre de composants et de matériaux pouvant être utilisés, les MEMS trouvent des applications dans pléthore de domaines, parmi lesquels ceux de l’industrie, de l’automobile, de la photonique, des sciences de la vie et de la RF.
Lorsqu’il s’agit de développer des applications de détection, les MEMS peuvent être utilisés pour créer des capteurs de pression, des capteurs accéléromètres de rayonnement, des capteurs thermiques, des capteurs magnétiques, des capteurs de débit massique, des capteurs de gaz, des capteurs chimiques et des capteurs biologiques. Dans certains secteurs, les capteurs de pression sont utilisés dans des environnements industriels à température élevée et pour des applications médicales. Dans le secteur automobile, des capteurs accéléromètres sont utilisés comme capteurs de déploiement d’airbags et des capteurs de gaz mesurent les émissions de monoxyde de carbone.
Les MEMS sont également utilisés dans des applications industrielles plus spécifiques. On en retrouve ainsi dans des buses de fluide, des mécanismes de charnière, des têtes d’imprimante à jet d’encre thermique, des vannes micro-usinées, des micropompes ainsi que dans des micropositionneurs pour systèmes de stockage de données. Ces dispositifs sont également très répandus dans les applications optiques et photoniques, notamment dans les écrans, les applications d’imagerie infrarouge, les écrans de projection, les dispositifs de communication à fibre optique, les lasers accordables, les commutateurs optiques, les commutateurs photoniques et les dispositifs de verrouillage de longueur d’onde.
Quant aux applications médicales et scientifiques, les MEMS sont utilisés à des fins très diverses. Ainsi, des composants de mélange et de pompage d’appareils microfluidiques reposent sur des MEMS. Ils sont aussi à la base de microélectrodes disposées en réseau afin d’analyser les cultures cellulaires et l’ADN (et leur hybridation), mais aussi de dispositifs de PCR sur puce et d’électrophorèse sur puce.
Un autre domaine particulier où l’usage de MEMS est très répandu est celui des applications RF : condensateurs et inductances micro-usinés, résonateurs microélectromécaniques, résonateurs à peigne, résonateurs à faisceau, filtres passe-bande à résonateur couplé, commutateurs microélectromécaniques, interrupteurs de shunts à membrane et commutateurs en porte-à-faux.
Le champ d’application des MEMS s’étend bien au-delà des quelques exemples que nous venons de citer ici et, pour être complet, bien au-delà même de la définition stricte d’un MEMS. En effet, bien que les MEMS se distinguent d’autres systèmes complexes par certaines fonctionnalités bien précises, ils se confondent parfois avec d’autres technologies d’intégration qui utilisent des composants de taille micrométrique dans des domaines d’application communs. C’est pourquoi les MEMS et autres systèmes d’intégration similaires sont parfois désignés sous le dénominateur commun de technologies de microsystèmes (ou MST, pour reprendre l’abréviation en anglais). Ainsi, les systèmes micro-opto-électromécaniques (MOEMS) sont similaires aux MEMS, mais au lieu d’utiliser uniquement des composants mécaniques et électroniques, les MOEMS utilisent également des composants optiques miniaturisés pour remplir des fonctions spécifiques et donner à l’appareil différentes propriétés, différents effets et différentes fonctionnalités à l’échelle macroscopique.
Les MEMS sont des systèmes complexes, mais polyvalents, qui contiennent de nombreux composants électroniques et mécaniques différents et remplissent différentes fonctions globales en fonction des composants qu’ils contiennent. Dans la mesure où les MEMS peuvent être fabriqués à partir de nombreux matériaux et composants, ils peuvent être conçus et développés pour un large éventail d’applications dans de nombreux secteurs différents, notamment la fabrication industrielle, l’automobile, les sciences de la vie, la RF, l’optique et la photonique. Bien qu’il s’agisse d’une technologie relativement ancienne, il semble bien que le champ d’application des MEMS continuera de s’étendre à mesure que les méthodes de fabrication continuent de s’affiner et, par conséquent, de produire des fonctionnalités et des composants plus petits.
Liam Critchley est un auteur, journaliste et communicateur spécialisé en chimie et en nanotechnologie. Il est également reconnu pour sa capacité à illustrer les applications concrètes des principes fondamentaux au niveau moléculaire dans des domaines très variés. Il est surtout connu pour son approche pédagogique et sa manière de rendre accessibles des sujets scientifiques complexes, aussi bien aux spécialistes qu’aux non-initiés. Il a publié plus de 350 articles couvrant des thématiques scientifiques et industrielles à la croisée de la chimie et de la nanotechnologie. Depuis plusieurs années, il occupe le poste de Senior Science Communications Officer au sein de la Nanotechnology Industries Association (NIA) basée en Europe – une fonction qui l’a amené à écrire pour le compte d’entreprises, d’associations et de sites d’information à travers le monde. Avant d’entamer sa carrière d’auteur, Liam a obtenu deux masters, respectivement en chimie (avec spécialisation en nanotechnologie) et en génie chimique. Il est également membre du conseil consultatif de la National Graphene Association (NGA) aux États-Unis et du réseau mondial Nanotechnology World Network (NWN), membre du conseil d’administration de GlamSci – un organisme de bienfaisance britannique à visée scientifique – et membre de la British Society for Nanomedicine (BSNM) et de l’International Association of Advanced Materials (IAAM). Enfin, il intervient comme évaluateur pour plusieurs revues scientifiques à comité de lecture.