tendances technologiques en capteurs intégrés

Les matériaux nouveaux

Aujourd'hui, il serait inconcevable d'ignorer l'apport des nouveaux matériaux dans les développements technologiques qui vont, dans les prochaines années, conduire à l'apparition de nouveaux procédés de fabrication de capteurs. Nous citerons en premier exemple celui des polymères conducteurs.

En 1977 MacDiarmid, Heeger et Shirakawa découvraient les polymères conducteurs, ce qui ouvrait une perspective nouvelle gigantesque et leur valut le prix Nobel de Chimie en l'an 2000. Las, ces matériaux, insolubles et non fusibles, posaient de redoutables problèmes de mise en oeuvre industrielle, jusqu'à ce qu'une équipe allemande sous la direction de Bernard Wessling imagine un procédé acceptant l'insolubilité de ces matériaux, en les mettant en oeuvre via un processus de dispersion dans un milieu non conducteur de type solvant ou matrice de polymère. On aboutit alors à ce qu'on appelle un "organic metal" qui en couche mince pourra être substitué aux semiconducteurs avec des tailles de particules actives comprises entre 20 et 40 nm.

Des équivalents de diode LED ont déjà été expérimentés ainsi que des microcapteurs à base de poly-aniline (réseaux de résistances sensibles aux gaz, développés à l'EPFL), de même que des circuits imprimés souples dont la possibilité de soudabilité est supérieure (avec un coût environ trois fois moindre à celui des procédés classiques et la libération de l'emploi de plomb dans la soudure) et surtout permet une géométrie plus précise.

Un autre matériau, appelé vraisemblablement à entrer prochainement dans de nombreuses micro-applications, est le carbone. On connait déjà depuis plusieurs décennies les propriétés mécaniques des fibres de carbone (mâts des trimarans de compétition par exemple), mais on connait moins les nanotubes de carbone (CNTs) dont les propriétés mécaniques et électriques sont tout aussi remarquables et qu'on trouvera aussi bien dans des microsystèmes d'analyse chimique, dans des dispositifs à émission de champ, dans les futures piles à hydrogène comme élément de stockage, dans les infrastructures des ouvrages d'art (comme éléments d'information sur l'évolution mécanique, les microfissures, le vieillissement...) que... dans nos futurs pneumatiques (la liste n'est évidemment pas exhaustive).

REMARQUE:

Le choix d'une technologie, pour la réalisation d'un capteur, n'est plus technique ou scientifique, il est essentiellement économique. L'investissement doit être amorti en un temps de plus en plus court (25 ans en 1930, 10 ans en 1960, moins de trois ans en 2000, 18 mois aujourd'hui) et son coût est de plus en plus élevé. Malgré les gains de productivité énormes dus à l'électronique et à sa "fille" l'informatique, la mécanique reste chère et on a de plus en plus recours à la micromécanique (voire la nanomécanique). Ainsi, si un laboratoire de production de couches minces impliquait (ramené en Euros actuels) un investissement de l'ordre de 0.15M€ dans les années 60, c'est de 1.5 à 10 M€ que l'on doit mettre en jeu pour disposer des techniques de pointe utiles dans une unité de production aujourd'hui. On conçoit que l'amortissement en trois ans de 1.5 M€ implique un marché important. Ce qui n'est pas le cas général dans le domaine des capteurs, sauf pour l'automobile et, dans une moindre mesure, le domaine des microcapteurs jetables à usage unique pour la médecine et, sans doute à moyen terme, le domaine des microcapteurs, intégrés dans les téléphones portables, appelé à un développement gigantesque.

Néanmoins la mise en oeuvre de techniques de partage des wafers entre applications diverses qui a tendance à se généraliser chez les fondeurs de silicium permet de partager les coûts et par suite de réduire le coût unitaire d'un composant (ou bientôt d'un microcapteur) et donc d'en assurer la rentabilité économique, des développements de microcapteurs à relativement faible marché sont donc de plus en plus envisageables.

emploi de substrat isolant

Le silicium étant un matériau cher, nombre de chercheurs ont envisagé comment en réduire l'emploi au strict minimum. L'idée fondamentale étant qu'il fallait conserver une épaisseur de quelques microns de silicium pour la réalisation de la partie électronique du dispositif et exploiter un substrat micro-usinable d'un matériau moins cher pour la partie micromécanique. On a ainsi exploité des systèmes silicium sur verre ou sur oxyde céramique.

A titre d'exemple nous donnons le schéma de principe d'un accéléromètre réalisé par micro-usinage silicium ( Deutsche Aerospace AG, présentation à SENSOR 93). Dans cette réalisation le substrat support est en pyrex (en vert sur la figure), matériau que l'on peut usiner aisément par voie chimique et sur lequel on peut relativement facilement ensuite déposer par épitaxie une couche de quelques microns de silicium dans laquelle on diffusera classiquement les composants (ici des jauges de contrainte). Une deuxième pièce de pyrex (en rose sur la figure) pourra, in fine, être collée (soudée) afin de constituer l'ensemble du dispositif

vue de dessus d'un micro-accéléromètre

On notera que plus récemment (1999) les société spécialisées dans les verres techniques ont imaginé de nouveaux verres ayant des caractéristiques adaptées spécifiquement à cet emploi dans les microcapteurs et tout particulièrement destinés au micro-usinage par voie chimique ou via un faisceau laser.

Simultanément des procédés de montage étaient mis au point et des connectiques verre-métal spécifiques étaient développées pour permettre le "packaging" de ces nouveaux types de composants que sont les micro-capteurs qui doivent souvent fonctionner dans des conditions d'environnement beaucoup plus sévères que les composants électroniques classiques.

coupe d'un support avec passages verre-métal

Les capteurs devant en particulier fonctionner sur des plages de températures étendues, il a fallu imaginer des systèmes avec compensation des dilatations afin d'éviter des contraintes supplémentaires. Sur la coupe ci-dessus on notera ainsi l'emploi de plusieurs matériaux différents dont les dilatations différentielles vont permettre de minimiser les contraintes et donc de pérenniser le connecteur même en cas de choc thermique. La figure ci-dessous montre quelques exemples de réalisations.

Dans le tableau ci-dessous nous avons rassemblé quelques données concernant ces matériaux céramiques et leur emploi en nanotechnologie.

matériau	propriétés intéressantes	application	microcomposants déjà réalisés
alumine	faible coût résistance à la corrosion propriétés mécaniques isolation électrique conductivité thermique élevée	implants biocéramiques tube de protection thermique électronique	microturbines pièces de systèmes réactifs complexes
zircone	résistance mécanique isolation thermique état de surface conducteur ionique (si dopé)	outils de coupe domaine dentaire pièces de moteurs	médical volants d'inertie gicleurs
nitrure de silicium	haute résistance aux chocs thermiques et à la corrosion	moteurs (vannes) pompes outils de coupe
PZT	effet piézoélectrique	capteurs et actionneurs	transducteurs ultra-sonores
nitrure d'aluminium	grande conductivité thermique	électronique échangeurs thermiques
nitrure de titane + alumine	dureté, conductivité électrique ajustable	revêtements	micro résistances chauffantes
hydroxyapatite	biocompatibilité	implants

Notons qu'avec ces matériaux on sait exploiter une surface totale jusqu'à 10x10cm² et graver des détails d'environ 35µm d'épaisseur et percer des trous de seulement 25µm de diamètre.

On notera que la tendance à la miniaturisation s'accompagne d'une tendance au développement modulaire. Ainsi l'une des voies de développement concerne la réalisation d'un empilement de plusieurs micromodules plus ou moins standardisés: un module capteur, un module traitement du signal, un module interface de communication et un module connectique. L'ensemble du dispositif ressemblant, in fine, à une boite noire avec d'un côté une (ou des) prise(s) mécanique(s) pour la prise de la grandeur à mesurer et de l'autre un connecteur électrique. L'intérèt de ce procédé de packaging est évidemment économique puisque pour changer de capteur il suffit de changer le seul module capteur, les autres étant standards, donc produits en plus grande série et de facto moins chers. Dans le module traitement seul le contenu de l'EEPROM sera partiellement modifié, mais l'architecture matérielle reste identique.

exemple de packaging 3D

l'emploi des polymères

Le domaine d'application des microcapteurs nécessite parfois une mise en forme particulière du microsystème résultant de contraintes d'encombrement. Deux domaines sont particulièrement concernés, celui des satellites de communication et celui de l'automobile. Dans les deux cas on cherche à alléger au maximum les dispositifs et on doit les mettre en place dans des espaces à la fois restreints et de géométrie souvent fort complexe.

Il apparait alors que l'emploi d'un circuit imprimé rigide comme support des divers composants n'est pas toujours optimal et qu'une structure souple exploitant au mieux la place disponible serait plus adaptée. C'est ainsi qu'est née récemment une recherche visant à réaliser des circuits imprimés souples, puis, en extrapolant cette idée, on a eu l'ambition de développer des composants électroniques et des microcapteurs sur support flexible , puis d'exploiter un empilement de films flexibles à la réalisation de microcapteurs par laminage.

microcapteur sur support flexible

Un capteur de force piézorésistif peut-être réalisé sous diverses formes au sein d'un circuit imprimé flexible. Nous prendrons l'exemple du concept" FlexiForce" de la compagnie TEKSCAN

le concept FlexiForce (courtesy Tekscan)

Il s'agit d'un circuit imprimé ultra-mince et flexible.

Le dispositif est réalisé par laminage de deux films souples et très fins (épaisseur 0.008") de polyester/polyimide recouverts chacun d'un film d'argent qui va servir de conducteur, d'une part, et d'électrode définissant la géométrie de la zone sensible d'autre part. Entre les deux électrodes d'argent circulaire (à droite sur la figure) va se trouver enserrée une couche sensible à la pression réalisée avec une encre particulière. Les deux conducteurs d'argent se terminent par des pins mâles permettant l'insertion directe dans un circuit.

Comme le montre la courbe d'étalonnage la conductaance de la couche sensible varie linéairement en fonction de la force exercée. Notons que l'un des avantages du principe est que l'on peut ajuster la longueur de la bande conductrice exactement à la mesure du dispositif dans lequel ce capteur est intégré.

capteur laminé multicouche

On présente l'exemple d'une fabrication d'un dispositif à 7 couches, développée par Micronics Inc. aux USA.

réalisation de "microfluidic" système (courtesy Micronics USA)

On remarquera les cylindres numérotés représentant les rouleaux des divers films d'épaisseur initiale de quelques dizaines de microns qui vont entrer dans la réalisation, en noir sont schématisés les dispositifs de micro-usinage (faisceau laser) qui vont réaliser des découpes dans certains films et, à droite, le multifilm, en sortie du dernier ensemble de laminage, est coupé en composants indépendants. L'application concernée, chez Micronics, se situe dans le domaine de la microanalyse biologique : du sang ou du glucose, voire de l'ADN, mais il n'est pas interdit d'imaginer qu'une telle "carte de crédit" pourrait comporter un analyseur de radiations nucléaires ou de pollution atmosphérique.

L'idée est de réaliser des microcanaux dans lesquels le liquide à analyser va naturellement se déplacer selon un écoulement laminaire lequel va conduire par diffusion à une séparation des constituants en ligne. Dans chaque film laminé on va donc avoir gravé un microcanal, une chambre de réaction et d'analyse. On comprendra que certains films n'auront qu'un rôle mécanique tandis que d'autres joueront un rôle de microréactif localisé. On obtient un dispositif, jetable à usage unique, équivalent aux colonnes traditionnelles de séparation mais ne comportant aucune pièce en mouvement, adapté aux microquantités et permettant une analyse très rapide. Notons que de 15000 à 75000 systèmes de ce type selon leur complexité peuvent être fabriqués à la minute dans les installations de Micronics ce qui induit des coûts unitaires dérisoires

les hautes températures

Les avantages des MEMS font que leur emploi dans des conditions d'environnement sévères, et tout particulièrement le domaine des températures très supérieures aux 125°C de la gamme dite militaire, est recherché. La NASA est particulièrement intéressée pour le contrôle de combustion des engins aérospatiaux dans des environnements, tels celui de Vénus, où le microsystème devra résister à plus de 500°C et simultanément à des pressions de 20MPa dans un environnement constitué d'espèces chimiquement très réactives. On s'aperçoit alors que le nitrure d'aluminium constitue l'un des meilleurs compromis pour réaliser les substrats, tandis que le carbure de silicium sera la base des composants électroniques et des éléments sensibles, et que l'or sera le matériau privilégié pour les interconnexions.

Indépendamment des besoins spécifiques de la NASA, le besoin de microcapteurs susceptibles de fonctionner à des températures de plus en plus élevée est croissant. On rencontre de plus en plus fréquemment le sigle HTE (High Temperature Electronics) dans la littérature technique. En automobile la plage de température de 175-230 °C est souvent atteinte dans l'environnement moteur, la recherche pétrolière offshore implique des pressions de plusieurs milliers d'atmosphères et des températures de l'ordre de 260°C. Un congrès bisannuel de l' HITEN (high temperature electronics network) fait d'ailleurs le point dans ce domaine.

(technologie MEMS)

M. Mehregany and S. Roy, Introduction to MEMS, Microengineering Aerospace Systems Aerospace Press, 1999.

D. Bishop & al., Micromirrors relieve communications bottlenecks, Photonics Spectra, vol 34 (3), March 2000, pp 167-169

T.I. Kamins & al., Trends in Nanotechnology, MST News, 3 (01), June 2001, pp 34-36

K. Snowdon, Nanotechnology for MEMS Components, MST News, 3(01), June 2001, pp 9-10

S.A. Vittorio, MicroElectroMechanical Systems, Cambridge Scientific Abstracts, October 2001, pp 1-11.

MEMS http://www.csa.com/hottopics/

LIGA http://www.sandia.gov/mems/micromachine/liga_frameset.html

G. Harsanyi & al., Multimedia for MEMS Technologies and Packaging Education, MST News 5(03), November 2003, pp12-16.

B. Wessling, an Organic Metal for Nanotechnology in Electronics, MSTnews, June 2001, pp 41-42.

D. de Leeuw, Plastic Electronics, Physics World, March 1999, pp 31-34.

MGH. Meijerink, DJ. Strike, NF. de Rooij, M. Koudelpa-Hep, Reproducible fabrication of gas-sensitive chemo-resistors with commercially available polyaniline, Sensors and Actuators, B68 (2000), pp 331-334.

R. Mehalso, The Microsystem Road in the USA, MST News, 4(02) September 2002, pp 6-8

J. de Rosnay, les matériaux intelligents, Université de tous les savoirs, Conférence au CNAM (Paris), janvier 2004.

	Copyright © 2000-2015 LHERBAUDIERE	7 pages à l'impression			version initiale 2002
	INFORMATION				dernière mise à jour 22 mars 2013

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emploi de substrat isolant	comment on s'en sert
emploi de polymères	des coûts réduits
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