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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