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Laboratoire Composants Electro-Mécaniques et Optiques 21/04/2005 1
MICRO-SYSTEMES
Pascale BERRUYERJean-Sébastien DANELDTS / STMS / LCEMO
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Qu’est-ce qu’un micro-système?
Un élément sensible…
…Souvent en silicium
Capteur(accéléromètre)
Actionneur(interrupteur)
Du packaging
…Sur la plaquette de silicium …Sur la puce
De l’électroniquepuissance RFet transmission
capteur de température convertisseur CAD
filtres digitaux
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Élément sensible=
MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)
MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical System)
= Domaine des µtechnologies
=Technologies microélectronique:• Dépôt• Lithographie• Gravure• Trait. Therm.
+
Technologies spécifiques:• Scellement• Dépôt/gravure à fort facteur de forme• Libération de structures•….
(Nanométrique) (Micrométrique)
Optique
Physique
ÉlectriqueMagnétique
Mécanique
ChimieBiologie
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Spécificités Technologiques (1)- Substrats de base
- Si : 100mm au LETI; passage en 200 ou 150mm ?- épaisseurs variées: 200µm, 1mm, …; dopages divers : 1mΩ.cm, …- poli 2 faces; orientations variées : (100), (110), (111), (121)- substrats plus exotiques : verre, quartz, niobate, …
- Lithographie- double face- résines épaisses (>10µm)
- Dépôts- SiO2, SiN basse température : 300, 200, voire 80°C- dépôts faibles contraintes- métaux « spéciaux » : Cr, Au, magnétiques, haute pureté- pulvé verre, Si, …- dépôts épais: >20µm (SiO2, PolySi, Cu, …)
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Spécificités Technologiques (2)
- Autres dépôts- épitaxies Si épaisses : 50 voire 100µm- implantations : fortes énergies, fortes doses, neutrons, …- dépôts électrolytiques : cuivre, or, matériaux magnétiques, …
- Gravures- gravures chimiques- gravures plasma profondes : SiO2 30µm, Si 500µm, …
- Autres- scellements : Si/Si, Si/verre, polymère, eutectique Au-Si, …- sciage - polissage
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Intérêts des Micro-Systèmes
- Fabrication collective- Prix de revient abaissé- Fiabilité accrue- Reproductibilité
- Nouveaux débouchés- petite taille : automobile, médical, puits de forage, …- faible coût : redondance
- Performances améliorées- matériau monocristallin : bonnes propriétés mécaniques- méthodes d’usinage douces- compacité : électronique proche
- Niches avec des efforts financiers « raisonnables »
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Particularité des filières
- Technologies souvent complexes
- Packaging souvent complexe et cher (> 70% du coût total ?)
- Importance des interfaces et connexions entre microcomposants
- Multitude de filières technologiques différentes
- Différents « philosophies » d’intégration
- monolithique : Above-IC, filière spécifique, …
problème : compatibilité, rendement, fondeur
- hybride- Conception dépendant de la technologie disponible : Silicium ?
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Exemple de brique de base :Gravure Chimique Anisotrope du Silicium (1)
- Structure cristalline- Formes limitées par les plans lents (111)
α
(100)
(110) α = 35°16’tgα = 1/ 2
- Autres formes et orientations possibles
(110)
(111)
(100)
(100)
(100)
(110) plans (111)
54°45'
1ers plans (111) endommagés
(110)
(111)
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Gravure Chimique Anisotrope du Silicium (3)- Remplacement par la gravure plasma
- la forme reproduit le masque; simplicité de conception- zones de contrainte aux encastrements
contraintes
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Quelques exemples de domaines d’application
AutomobileAvionique
Grand publicMédical
InformatiqueTélécommunications Détection pétrolière
Défenseetc…
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Les « ancêtres » (années 80)
- Capteur de poids- Scaime (Teraillon)- jauges métalliques; substrat verre- coût puce 1 Euro; prix produit >50 Euros
- Hygromètre- Correci- polymère entre électrodes; substrat verre- coût puce qq Euros; prix produit >200 Euros
P
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Les accéléromètres
masse mobile en mouvement sous l’effet de l’accélération
poutres sensibles
Saut Technologique initial- axe sensible perpendiculaire au substrat
- axe sensible parallèle au substrat
F = Mγ
- 1er dispo en quartz (1983)- gravure chimique anisotrope- directivité- conception monolithique- détection capacitive- asservissement électromagnétique
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Les points clef de la technologie accéléromètre
•Substrat SOI
Substrat de Si monocristallin
Si monocristallinSiO2
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Les points clef de la technologie accéléromètre
•Substrat SOI•Gravure profonde du silicium
Substrat de Si monocristallin
Si monocristallinSiO2
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Les points clef de la technologie accéléromètre
•Substrat SOI•Gravure profonde du silicium•Libération des structures
Substrat de Si monocristallin
Si monocristallinSiO2
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Les accéléromètresDispositif Hautes Performances - Géophone Sercel
8 . π . kB . T . fo . BW
M . Qγn =
M masse sismiqueQ facteur de qualitéfo fréquence de résonanceBW bande passante
- usinage profond (60 ou 200µm)- Augmenter m
- packaging sous vide- matériau haute qualité
- Augmenter Q
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Les accéléromètres
Les Evolutions ?
- Augmentation de l’épaisseur SOI
- Intégration de l’électronique
- Packaging sous vide ou atmosphère contrôlée
- Packaging sur puce (« 0-level » packaging)
- Filière compatible ligne micro-électronique (ATLAS)
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Capteurs de pressionMembrane déformable sous l’effet de la pression
membrane = étanchéité
poutres déformables
jauges SOI piézorésistives cavité sous vide
substrat scelléSi : SDBPyrex : anodique
P
- Avantage jauge SOI :très bonne tenue en température
vide- recherche pétrolière- avionique (Eurocopter)
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Capteurs de pressionDifférentes structures selon l’application
Détection capacitive Détection jauges piézorésistives
PElectrical conductor
Reference vacuum Sensing element limit
SiO2
Glass or ceramic
SiC protection layer
Silicon
Gauge
1.6 bars350°C1500 bars
500°C100 bars
Biomédical Automobile / Aéronautique
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µcommutateur RF• Le principe
– Poutre diélectrique actionnée thermiquement par effet bilame
– Maintien électrostatique pour limiter la consommation
OFF State
ON StateThermal actuation
ON StateElectrostatic clamp
bump contactheater resistance
RF lineground
ground
400µm50µm
clamping electrodemetal block
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Commutation Optique
- Micro-Switch Optique
- Détecteur de vibrationsmasse sismique entrée
2 guides desortie
guide mobile
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Micro-Banc Optique
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Composants Magnétiques Intégrés
Enregistrement Magnétique
substrat Si
gap d’enregistrementazimuthal
bobinage cuivreintégré
circuit magnétique
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Composants Magnétiques Intégrés
Enregistrement Magnétique
20 µm
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Composants Magnétiques Intégrés
Micro-Transformateur Intégré
spire solénoïde
circuit magnétique
Dimensions :1 mm x 1 mm
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Les perspectives
Les MEMS RF
Les MEMS inertiels
Les miroirs déformable, mobiles
La capture et la restitution de toucher
La récupération et le stockage d’énergie