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MEMS : le monde microscopique de votre smartphone

1 : Introduction 2 : La balance des forces à l'échelle microscopique 4 : Forces massiques et forces d'adhésion 5 : Complexité des MEMS 6 : Les actionneurs électrostatiques 7 : Les MOEMS : des actionneurs électrostatiques 8 : Les actionneurs thermiques 9 : Les actionneurs micro-fluidiques 10 : Les MEMS RF 11 : MEMS RF : les interrupteurs 12 : Le monde des MEMS RF 13 : Les capteurs 14 : Le gyroscope 15 : Le monde des capteurs 16 : La fabrication des MEMS 17 : Micro-usinage de volume 18 : Micro-usinage de surface et LIGA 19 : La fixation de pastilles et le packaging 20 : Conclusion

De la domination des forces de surface

Image 1 : MEMS : le monde microscopique de votre smartphoneLes phénomènes physiques qui dominent le monde des MEMS demandent de repenser les structures mécaniques. En effet, un système qui fonctionne à l’échelle macroscopique est souvent inutilisable à des dimensions microscopiques. Par exemple, les actionneurs pneumatiques ou hydrauliques sont courants à l’échelle macroscopique, mais beaucoup plus rares à l’échelle microscopique.

Un tour rapide des forces physiques révèle que certaines tensions superficielles se miniaturisent par un facteur l, que les forces électrostatiques obéissent à un facteur l2, les forces magnétiques à un facteur l3 et les forces d’attraction à un facteur l4. La question est maintenant de savoir pourquoi et ce que cela signifie dans le monde des MEMS.

L’exemple de la miniaturisation du porte-à-faux, que nous avons décrit à la page précédente et que nous garderons, est extrêmement simpliste. Il repose sur des considérations homothétiques, c’est-à-dire que les proportions de la structure sont conservées lors du rétrécissement. Dans notre exemple, toutes les dimensions de la structure sont réduites par un facteur identique (miniaturisation isomorphiques) et les forces se manifestent entre des objets ayant tous la même échelle (considérations isométriques). Ce n’est pas toujours le cas dans la réalité, mais par souci de simplification, nous utiliserons ce modèle et nous nous concentrerons sur les notions fondamentales qui permettent de comprendre le changement de balance des forces et les défis technologiques que cela représente.

Image 2 : MEMS : le monde microscopique de votre smartphoneAire et volume

Si l’on miniaturise un objet par un facteur l, sa longueur (L), sa largeur (W) et sa hauteur (H) seront aussi réduites par un facteur l. Si on rétrécit un porte-à-faux par 10, sa longueur, largeur et hauteur seront réduites par 10. L’aire (S) étant le produit de la longueur (L) et la largeur (W) :

S = L.W

S = l1.l1

S = l2.

Dans notre exemple, miniaturiser un porte-à-faux par 10 signifie que l’on va réduire son aire par 100. De même, le volume (V) étant le produit de la longueur (L), la largeur (W) et la hauteur (H) :

V = L.W.H

V=l1.l1.l1

V=l3

Réduire un porte-à-faux par 10 signifie que l’on va réduire son volume par 1 000. Ces deux facteurs d’échelle sont au coeur de la loi des carrés et des cubes.

Image 3 : MEMS : le monde microscopique de votre smartphoneRapport aire-volume

Le rapport aire/volume permet de comprendre les changements dans la balance des forces. Plus ce rapport est petit et plus les forces de volumes sont prédominantes. Les forces de volumes sont celles qui sont proportionnelles à la masse du corps telles que la gravité ou l’inertie. On parle aussi de force de masse. La gravité joue donc un rôle fondamental dans le mouvement des corps astronomiques, tels que les planètes, qui ont un rapport aire-volume extrêmement petit.

Inversement, lorsque le rapport aire/volume est grand, les forces massiques laissent la place aux forces de surfaces, aussi appelées tractions de surface. Ce sont des forces qui agissent sur la surface d’un corps. On pense par exemple à la capillarité, aux tensions superficielles ou aux forces électrostatiques.

Plus on miniaturise un objet, plus le rapport aire/volume augmente.

Aire/volume = l2/ l3 = l–1.

Qu’est-ce que cela signifie concrètement ? Un moteur à courant continu tel qu’il est conçu à l’échelle macroscopique n’est pas possible à l’échelle microscopique, car les forces électromagnétiques, nécessaires à son fonctionnement, sont dominées par les forces électrostatiques. C’est ce qui explique qu’un des premiers moteurs microscopiques était constitué d’un canal de deux millimètres d’épaisseur remplis d’électrolyte et d’un métal liquide. L’électrolyte était constitué d’une couche très fine d’eau et d’acide qui disposait d’une résistance très élevée, contrairement au métal liquide. En appliquant un courant électrique, les forces en jeu faisait couler le métal qui, à son tour, faisait fonctionner le moteur. Ce système demande très peu d’énergie (1 µW) pour des performances intéressantes (420 tpm). À l’échelle macroscopique, ce système serait inutilisable. La moindre vibration perturberait le flot du liquide en raison de la dominance de l’inertie sur les forces de surface.

Sommaire :

  1. Introduction
  2. La balance des forces à l'échelle microscopique
  3. De la domination des forces de surface
  4. Forces massiques et forces d'adhésion
  5. Complexité des MEMS
  6. Les actionneurs électrostatiques
  7. Les MOEMS : des actionneurs électrostatiques
  8. Les actionneurs thermiques
  9. Les actionneurs micro-fluidiques
  10. Les MEMS RF
  11. MEMS RF : les interrupteurs
  12. Le monde des MEMS RF
  13. Les capteurs
  14. Le gyroscope
  15. Le monde des capteurs
  16. La fabrication des MEMS
  17. Micro-usinage de volume
  18. Micro-usinage de surface et LIGA
  19. La fixation de pastilles et le packaging
  20. Conclusion