Les capteurs MEMS sont pratiques, mais la révolution ne fait que commencer

Nous considérons aujourd'hui la disponibilité des capteurs MEMS (microsystèmes électromécaniques) à faible coût et hautes performances comme un dû, mais cela n'a pas toujours été le cas. L'histoire des MEMS grand public a commencé en 1991, quand Analog Devices a présenté son accéléromètre à un seul axe ADXL50 (aujourd'hui obsolète), après environ dix ans de luttes techniques acharnées dans de nombreux domaines, notamment la simulation, la physique propre aux semi-conducteurs, les techniques de traitement, le conditionnement et les tests, avec une production à haut volume en 1993 (Figure 1).

Figure 1 : L'ADXL50 entièrement analogique a été le premier accéléromètre MEMS grand public. Il ciblait les airbags automobiles et fournissait une sortie analogique entièrement conditionnée pouvant être numérisée ou utilisée directement par un circuit comparateur. (Source de l'image : Analog Devices)

Ce dispositif, mesurant 5 mm × 5 mm, était conçu pour devenir une technologie de rupture pour une seule application spécifique : déclencher des airbags dans les voitures, une technologie nouvellement introduite et pas encore obligatoire. Avant la disponibilité du capteur MEMS, la plupart des airbags étaient déclenchés par un capteur développé par Allen K. Breed en 1967. Il utilisait une bille dans un tube en tant que masse détectée. À la décélération lors d'un accident, la bille se détachait de l'aimant de retenue et déclenchait un petit interrupteur électrique qui, à son tour, fermait un circuit qui libérait les produits chimiques de l'airbag.

Ce premier capteur MEMS était plus petit, moins cher et plus facile à intégrer dans un boîtier, mais il présentait bien d'autres avantages. Plus important encore, il a transformé le scénario oui/non de la détection de l'accélération en un scénario dans lequel le capteur pouvait fournir un flux analogique des valeurs mesurées. Par conséquent, la forme d'onde d'accélération réelle est devenue une partie de l'algorithme de déclenchement.

L'ADXL50 est devenu obsolète en 1999 et a été remplacé par des unités MEMS plus avancées, mais l'ampleur de son impact (vous remarquerez le jeu de mots) était alors évidente. Les dispositifs qui ont suivi ont donné du crédit à l'auto-étalonnage des capteurs (essentiel pour la plupart des capteurs), et ont ajouté une nouvelle mise en forme interne des signaux, un convertisseur analogique-numérique (CAN), une interface de microcontrôleur et d'autres fonctionnalités conviviales. En peu de temps, les paramètres difficiles et coûteux à mesurer (taille, poids, puissance) sont devenus un problème presque insignifiant.

Mais pourquoi s'arrêter là ? Très vite, les fournisseurs ont commencé à proposer des accéléromètres à deux et même trois axes, d'abord en tant que modules miniatures, puis en tant que dispositifs monolithiques. Soudain, des applications comme la détection des mouvements réels et même la navigation sont devenues réalisables (physique de base : intégrer l'accélération pour déterminer la vitesse, intégrer la vitesse pour déterminer le déplacement).

Ces dispositifs miniatures ont alors intégré des diapasons MEMS à vibrations et sont devenus des gyroscopes et des unités de mesures inertielles (IMU) complètes capables de remplacer, dans de nombreux cas, les IMU de la taille d'un ballon de basket (> 45 kg, > 200 W) qui ont guidé les astronautes vers la lune il y a tout juste 50 ans (anniversaire célébré en juillet 2019). Ils ont même remplacé les gyrolasers annulaires (RLG) et les gyromètres à fibre optique (FOG), qui sont apparus dans les années 1980.

Tout à coup, vous vous retrouvez avec des unités de mesures inertielles minuscules qui peuvent être utilisées dans des applications d'accélération/de positionnement jusque-là intouchables, et qui peuvent aussi servir à guider les drones. Par exemple, le LSM6DSOXTR de STMicroelectronics est une unité de mesure inertielle à trois axes (plages pleine échelle de ±2/±4/±8/±16 g) dans un boîtier à 14 sorties mesurant seulement 2,5 mm × 3 mm × 0,83 mm, et ne nécessitant que 0,55 milliampères (mA). Il est doté d'interfaces SPI et I²C.

Difficile de faire mieux ! D'autres accéléromètres ont rapidement été utilisés pour la stabilisation d'image électronique, ce qui a permis de résoudre un problème qui nécessitait auparavant une plateforme à cardan stabilisée par un gyroscope mécanique. Certaines idées ont été adaptées pour les microphones MEMS, qui sont en quelque sorte similaires aux accéléromètres dans le principe, voire dans leur implémentation réelle.

Les innovations MEMS et leurs applications ne font que commencer

Au vu de ces exemples, on pourrait croire que la technologie MEMS se limite à l'accélération sous différentes formes, mais ce n'est pas du tout le cas. Les dispositifs MEMS sont maintenant utilisés pour de nombreuses applications qui ne sont pas liées à l'accélération.

Par exemple, Texas Instruments a été le pionnier de la direction lumineuse via des micromiroirs dans des circuits intégrés de traitement numérique de la lumière (DLP), ciblant initialement les grands écrans et les picoprojecteurs. Le DLP6500 est doté d'une matrice 1080p (1920 × 1080) avec plus de deux millions de micromiroirs et peut être utilisé comme modulateur spatial de lumière (SLM) pour contrôler l'amplitude, la direction et/ou la phase de la lumière entrante (Figure 2).

Figure 2 : Le circuit intégré de traitement numérique de la lumière DLP6500 de Texas Instruments offre une orientation et un contrôle du faisceau lumineux entièrement adressables et contrôlés avec précision grâce à une matrice de plus de deux millions de pixels. (Source de l'image : Texas Instruments)

Au-delà de la projection de base, TI a annoncé une toute nouvelle incarnation d'une ancienne idée : orienter les phares d'une voiture dans la direction du volant (proposée pour la première fois pour la voiture Tucker 48 à la fin des années 1940 !). Le DLP5531 est un dispositif de direction électronique basé MEMS qui élimine le recours à des engrenages, des moteurs et des roulements, et offre une programmation complète, ainsi qu'une haute résolution de plus d'un million de pixels adressables par phare.

Pour le monde RF non optique, Analog Devices propose le commutateur en porte-à-faux MEMS quadripolaire unidirectionnel (4PST) ADGM1004, qui traite les signaux RF avec une bande passante s'étendant de 0 hertz (Hz) (CC) à 13 gigahertz (GHz) (Figure 3). Grâce à ses commutateurs bidirectionnels à contacts à extrémité métallique, son utilisation dans un circuit permet de router un signal RF vers l'un des quatre ports de sortie ou de sélectionner l'un des quatre signaux d'entrée à transmettre à la sortie. Ces commutateurs sont largement utilisés à de nombreux emplacements de la chaîne de signaux RF ou dans des matrices et des matrices de test.

Figure 3 : Analog Devices a étendu les bases de la technologie MEMS pour créer une structure en porte-à-faux fournissant des fermetures de contact métal sur métal pour un commutateur RF 4PST, avec une bande passante CC allant jusqu'à 13 GHz. (Source de l'image : Analog Devices)

Les équipes de recherche universitaires utilisent également la technologie MEMS comme base unique pour la fabrication de dispositifs qui ne pourraient autrement pas être fabriqués. Le programme Accelerator on a Chip International Program (AChIP) est un projet mondial (financé par la Gordon and Betty Moore Foundation aux États-Unis) qui vise à créer un minuscule accélérateur d'électrons basé silicium capable de produire des impulsions d'électrons de l'ordre des femtosecondes aux attosecondes (10^-15 à 10^-18 secondes) avec jusqu'à 1 mégaélectronvolt (MeV) d'énergie, et ce à partir d'une puce en silicium, ce qui change radicalement des structures de plus d'un kilomètre actuellement nécessaires.

Le document « Photonics-based laser-driven particle acceleration: from proof-of-concept structures to the accelerometer on a chip » aborde largement le projet, tandis que l'un des aspects du projet est décrit en détail dans un autre document, « Alternating-Phase Focusing for Dielectric-Laser Acceleration », publié dans la revue Physical Review Letters. Dans ce document, des ingénieurs du groupe de physique des accélérateurs pour le projet à l'université de technologie de Darmstadt décrivent comment ils ont créé un minuscule canal MEMS et de nouvelles méthodes de focalisation du faisceau d'électrons pour remplacer l'approche de focalisation magnétique traditionnelle qui serait trop faible dans ce scénario (Figure 4).

Figure 4 : La structure à deux piliers fabriquée en silicium utilise un contrôle de phase optique basé laser pour focaliser les zones d'accélération et de décélération des électrons. (Source de l'image : Université de technologie de Darmstadt)

Un autre projet MEMS innovant vise le monde plus banal de l'Internet des objets (IoT). Une équipe de la Northeastern University a mis au point un commutateur basé MEMS qui ne consomme aucune énergie lorsqu'il est en mode veille, mais « s'active » lorsqu'il est déclenché par une lumière infrarouge (IR) (Figure 5). Le commutateur optique micromécanique amélioré de manière plasmonique (PMP) de l'équipe effectue cette opération en transformant la quantité infime d'énergie photonique dans des bandes spectrales définies pour activer un mécanisme MEMS. Lorsque l'énergie IR d'activation est supprimée, le commutateur s'éteint automatiquement.

Figure 5 : Chaque élément en porte-à-faux du PMP comprend une tête, une paire interne de pattes bimatière thermosensibles pour l'actionnement, une paire externe de pattes bimatière identiques pour la compensation de la température et des contraintes, et une paire de liaisons d'isolation thermique reliant les pattes internes et externes (a). Illustration conceptuelle d'un faisceau lumineux incident venant toucher quatre PMP, chacun étant « réglé » sur différentes bandes de rayonnement infrarouge (b). Images au microscope électronique à balayage pseudo-coloré d'un « mécanisme » réel de commutation PMP fabriqué, avec des vues agrandies de l'absorbeur plasmonique, de l'extrémité du contact en forme de cuvette et de l'extrémité d'une patte bimatière avec des couches Al et SiO2 auto-alignées (c). (Source de l'image : Northeastern University/Nature Nanotechnology)

Leur document intitulé « Zero-power infrared digitizers based on plasmonically enhanced micromechanical photoswitches » dans Nature Nanotechnology fournit des détails techniques complets. La physique de la transformation de l'absorption IR est basée sur des plasmons, qui sont les ondes d'électrons qui se déplacent à la surface d'un métal après que celui-ci a été frappé par des photons. L'absorbeur plasmonique est fabriqué comme une pile composée de trois matériaux, avec une couche diélectrique de 100 nanomètres (nm) intercalée entre une matrice de nanoparticules d'or de 50 nm au-dessus et une plaque de platine de 100 nm en dessous (voir Figure 5). Les commutateurs prennent l'énergie du rayonnement électromagnétique IR à des longueurs d'onde spécifiques et ciblées, et l'utilisent pour fermer mécaniquement les contacts des commutateurs.

Conclusion

La technologie basée MEMS a parcouru un long chemin depuis son apparition en tant que capteur d'accéléromètre pour le déclenchement d'airbags. Elle a été étendue et transformée pour prendre en charge diverses applications, notamment la direction des faisceaux lumineux via des micromiroirs ou encore les commutateurs RF à contacts. Parallèlement, la recherche universitaire de pointe va encore plus loin en intégrant la technologie MEMS dans des situations scientifiques banales et ésotériques. Pour terminer sur un cliché, les seules limites sont l'imagination et les efforts de ceux qui font progresser la technologie et les outils MEMS.

Références :

1 – Analog Devices, fiche technique de l'ADXL50 (obsolète)

2 – Patrick L. Walter, « The History of the Accelerometer: 1920s-1996 – Prologue and Epilogue, 2006 », Sound and Vibration, janvier 2007.

3 – Tekla S. Perry, « Kurt Petersen, 2019 IEEE Medal of Honor Recipient, Is Mr. MEMS », IEEE Spectrum, mai 2019.