Aujourd'hui un grand nombre de secteurs bénéficient des technologies MEMS (systèmes micro-électro-mécaniques), qui conjuguent la micro-électronique des semi-conducteurs et la technologie du micro-usinage, permettant ainsi la réalisation de systèmes entiers  et complexes sur une puce.

Cette technologie MEMS a connu ses premiers développements vers 1970. Le déploiement dans des applications commerciales s'est produit au début des années 90, notamment dans des applications automobiles (tels que les capteurs MEMS pour airbag, etc.) et des applications périphériques informatiques (telles que les cartouches d'imprimantes à jet d'encre) ainsi que dans des applications médicales, aérospatiales et de défense.

En 1997, grâce à l'expérience acquise dans d'autres secteurs, l'utilisation des MEMS s'est étendue aux communications sans fil et optiques, dans lesquelles MEMSCAP fut l'un des tout premiers acteurs.

La déclinaison des MEMS a donné de nouveaux termes, tels que, en matière optique MOEMS, signifiant systèmes opto-électro-mécaniques, ou en matière médicale bioMEMS. Pour des raisons de simplicité, les spécialistes européens utilisent également le terme générique de MST (technologie microsystèmes) pour désigner les MEMS.

Rappelons que les MEMS, ou systèmes micro-électro-mécaniques, ou encore micro-systèmes, sont des systèmes microscopiques, qui associent des éléments mécaniques, optiques, électromagnétiques, thermiques et fluidiques à de l'électronique sur des substrats semi-conducteurs. Ils assurent des fonctions de capteurs pouvant identifier des paramètres physiques de leur environnement (pression, accélération …) et/ou d'actionneurs pouvant agir sur cet environnement. Cette technologie permet d'améliorer la performance des produits, d'accroître la rapidité des systèmes, de réduire la consommation d'énergie, de produire en masse, de miniaturiser et d'accroître la fiabilité et l'intégration.

La spécificité de la technologie MEMS tient donc à son paradoxe: celui d'offrir de meilleures performances à de moindre coûts tout en miniaturisant.
Parallèlement, les MEMS, qui fournissent des solutions performantes dans les applications quotidiennes, ont prouvé leur fiabilité inégalée de fonctionnement dans des conditions extrêmes, et des environnements dits sévères. Ces derniers peuvent être dus à de violents chocs thermiques, à une pression importante, un milieu très humide, en allant du corps humain à l'espace.
Ces atouts font des MEMS le candidat idéal pour les solutions d’aujourd’hui autant que du futur d'un nombre infini de marchés.

Une technologie qui a fait ses preuves

Efficacité et Sécurité
Alors qu'une des premières applications des MEMS ne consistait qu'en un simple capteur de pression des pneus, les MEMS font désormais partie intégrante des systèmes automobiles où ils remplissent des fonctions allant de l'accéléromètre pour airbag aux capteurs de niveau de carburant, en passant par le contrôle de la puissance de freinage et du moteur, et la réduction du bruit dans l'habitacle. Parmi les dernières innovations en matière automobile figurent également les " pneus intelligents " indiquant au conducteur qu'un des pneus est dégonflé 80 kilomètres avant que ce pneu ne doive être remplacé.

Fiabilité en conditions extrêmes
Les applications d'environnements sévères, telles les sciences du vivant ou la défense et l'aérospatiale, ont en commun des exigences accrues de fiabilité, de sécurité et de miniaturisation, auxquelles la technologie des MEMS a su répondre depuis ses débuts. Ces marchés sont aujourd'hui en pleine expansion.

Performance et miniaturisation
Les MEMS peuvent assumer des fonctions mécaniques, telles que des moteurs, des pivots, des maillons ainsi que des composants électriques et optiques, comme des commutateurs, le tout sur une seule puce d'une taille allant d'une douzaine de microns à une douzaine de millimètres. Ces capacités permettent aux solutions MEMS de simplifier la conception, de réduire les coûts, d'améliorer les performances, réduire la consommation énergétique ainsi que de rétrécir la taille des systèmes et composants.
Grâce à ces avantages, les MEMS sont devenus une technologie de choix pour de très nombreux secteurs.

De la recherche à la fabrication
Une des premières applications des MEMS fut un transistor à effet de champ de grille résonnant conçu par Westinghouse en 1969. Même si ce produit s'est avéré être principalement un objet de curiosité, il a marqué la naissance d'une technologie devenue omniprésente. Au début des années 1970, les fabricants utilisaient des plaquettes de substrat gravé pour produire des capteurs de pression. Des expériences furent ensuite menées au début des années 1980 avec la technique du micro-usinage pour créer des actionneurs en silicium polycristallin utilisés dans les têtes de lecture de disque. A la fin des années 1980, le potentiel des MEMS devint largement reconnu et leurs applications commencèrent à pénétrer plus avant le monde de la microélectronique et du biomédical.

Dans les années 1990, les MEMS reçurent l'attention toute particulière des Etats-Unis et des agences gouvernementales commencèrent à soutenir des projets MEMS. C'est ainsi que le Bureau de recherche scientifique de l'Armée de l'Air (AFOSR) donna son appui pour de la recherche fondamentale sur les matériaux, tandis que l'Agence de projets de recherche avancée pour la Défense (DARPA) créa son service de fonderie en 1993. Dans le même temps, le NIST (Institut national des normes et de la technologie) commença son aide aux fonderies civiles pour des dispositifs MEMS et des composants CMOS (complementary metal-oxyde semiconductor).

A la fin des années 1990, et début du 21ème siècle, les dispositifs MEMS étaient en phase de production à grande échelle dans le monde entier. Des usines de semi-conducteurs dédiés à la production de MEMS furent construites par des entreprises telles que Bosch ou Motorola. L'intérêt du gouvernement américain pour les MEMS est toujours vif, qui continue à subventionner des agences telles que la DARPA. Récemment, toute une série de systèmes miniaturisés pour la navigation, le contrôle, la détection, la propulsion, la computation des données et le contrôle thermique ont été envoyés dans l'espace pour des contrôles de performances sur la mission américaine Space Shuttle.

Aujourd'hui, la production en volume de MEMS concerne des domaines aussi variés que la défense, le médical, l'électronique, les communications et l'automobile (voir tableau). Ces MEMS peuvent fonctionner individuellement ou en matrices pour analyser l'environnement puis déclencher et contrôler des actions sur celui-ci.

Défense	Médical	Electronique	Communications	Automobile
Guidage des armes	Capteur de pression sanguine	Têtes de lecture de disque	Commutateurs optiques ou photoniques et interconnexions pour réseaux large bande passante	Capteurs de navigation embarqués
Surveillance	Stimulateurs musculaires et systèmes de diffusion intra-sanguine	Têtes d'impression pour imprimantes à jet d'encre	Relais, commutateurs et filtres Radio-Fréquence	Capteurs de compression du système de climatisation
Systèmes d'armement	Capteurs de pression intra-corporels	Téléprojecteurs	Systèmes de projection pour téléphones portables	Capteurs de force de freinage & accéléromètres pour le contrôle des suspensions
Capteurs intégrés	Prothèses	Capteurs sismiques	Oscillateurs commandés sous tension (VCO)	Détecteurs de niveau de carburant et de pression vapeur
Stockage des données	Instruments d'analyses miniaturisés	Capteurs de pression pour l'aérospatial	Diviseurs et coupleurs	Capteurs pour coussins gonflants (airbags)
Surveillance aérienne	Stimulateurs cardiaques	Systèmes de stockage de données	Lasers accordables	Pneus « intelligents »

La fabrication des MEMS
La fabrication des MEMS de nos jours utilise des systèmes de fabrication de circuits intégrés par lots et en grande quantité. Il existe plusieurs manières de fabriquer les MEMS, dont le micro-usinage de surface, le micro-usinage de substrats, le micro-usinage par électro-érosion (EDM) et les technologies HARM telles que LIGA (un acronyme allemand signifiant lithographie, electro-deposition par bain d'electrolytes et moulage). Le micro-usinage de surface du silicium utilise les mêmes équipements et procédés que dans l'industrie du semi-conducteur. Pour cette raison, cette technique fut un des premières à être largement adoptée pour la fabrication des MEMS. Des applications typiques pour cette méthode comprennent les actionneurs et les moteurs électrostatiques. Dans le micro-usinage de substrats de silicium, les structures sont créées en utilisant les techniques de gravure sur substrats de silicium. Les applications utilisant cette technologie vont des miroirs aux accéléromètres tels que ceux utilisés pour le déploiement des airbags ou aux complexes capteurs de pression pour l’aéronautique. Le micro-usinage par électro-érosion est une approche assez récente qui utilise des techniques de production des ateliers de construction mécanique et qui offre la possibilité de fabriquer des pièces dans la plupart des matériaux conducteurs. Dans le procédé dit LIGA, le plastique polyméthacrylate de méthyle (PMMA) est exposé aux radiations à travers un masque. Cette technique a pour conséquence de retirer une partie du PMMA et de laisser des structures qui sont ensuite électrogalvanisées. Ces structures métalliques peuvent constituer le dispositif MEMS final ou peuvent être utilisées comme des moules pour fabriquer des pièces avec d'autres plastiques. Les dispositifs utilisant la technique LIGA comprennent les moteurs et les vitesses électrostatiques.

La force des MEMS
Les MEMS possèdent une capacité unique à recueillir l'information et à la traiter, à déterminer le cours d'une action et à agir ensuite comme déclencheur en communiquant au moyen d'une interface électronique. Ces capacités permettent aux MEMS de fournir aux dispositifs dits "intelligents", les bases nécessaires à leur fonctionnement. C'est ainsi que l'on trouve des MEMS dans les systèmes de prévention de collision et les systèmes téléphonique "mains libres". Les dispositifs MEMS ne fonctionnent pas seuls : il s'agit avant tout de systèmes intégrés qui permettent à un composant de remplir des fonctions plus évoluées (par exemple le contrôle du mélange air-carburant dans le moteur d'une voiture).

Une caractéristique frappante de cette technologie est sa capacité à intégrer à la fois des dispositifs MEMS et CMOS sur une même puce, que l'on appelle souvent un MEMS intégré (IMEMS). Cette intégration de fonctions mécaniques, électriques et optiques à la fois passives et actives sur une même puce est reconnue comme étant la prochaine étape logique de solutions de systèmes complets sur puce unique. Pourquoi une puce unique ? L'intégration de circuits électro-mécaniques, optiques et électroniques sur une même puce simplifie la conception et la fabrication, tout en améliorant la fiabilité en raison d'un nombre plus faible d'interconnexions et de composants. Ainsi, cette approche peut offrir un coût plus faible que les autres technologies, telles que les modules multipuces (MCM). Cette intégration avancée améliore également les performances de l'ensemble du système, car un nombre plus faible d'interconnexions réduit les parasites du circuit.

L'essor des MEMS

Selon des études publiées, le marché des MEMS, estimé à 5,1 milliards de dollars aujourd’hui, devrait progresser entre 15 %  et 19 % par an, pour atteindre plus de 9 milliards de dollars.
Ce marché peut être divisé en deux segments :

le segment des marchés établis, tels que l’automobile,
les applications périphériques, le médical et l’aéronautique,
représentant la majeure partie de la taille du marché des MEMS,

le segment des marchés émergents, tels que les applications
grand public (consumer), les communications et le biomédical,
représentant aujourd’hui la majeure partie de la croissance
du marché des MEMS.


Les MEMS ayant prouvé qu’ils pouvaient remplir n’importe quelle fonction dans tout type d’environnement, la seule limite à leur essor aujourd’hui est l’imagination de l’homme.