Les capteurs MEMS sont intégrés dans tous les smartphones, mais peuvent également jouer un rôle essentiel dans la technologie industrielle. Ils ont considérablement élargi notre marge de manœuvre pour enregistrer certaines mesures mécaniques et y réagir très rapidement. Mais : Quelle technologie se cache derrière l’acronyme MEMS et quelles possibilités encore inexploitées leur utilisation offre-t-elle dans les applications professionnelles ?
Les capteurs MEMS permettent de modifier l’orientation de l’image simplement en tournant un smartphone. Il n’y a pratiquement personne qui n’utilise pas cette fonction quotidiennement et qui ne soit donc pas familier avec cet exemple simple. D’un autre côté, rares sont ceux qui savent comment ce mécanisme fonctionne et quelles sont les multiples possibilités d’utilisation qu’offre la technologie MEMS.
Indispensable pour la numérisation
Dans les applications industrielles notamment, la technologie MEMS peut contribuer de manière significative à la transformation numérique de l’économie grâce à la fabrication basée sur les données. En effet, pour que les systèmes de production génèrent une forte valeur ajoutée, ils doivent traiter le plus grand nombre possible de données, parfois très différentes, de manière à créer de la valeur. Les capteurs et les transducteurs servent de sources d’information.
Ils fournissent aux systèmes supérieurs des informations sur les paramètres physiques et l’état des installations, qui servent de base décisionnelle pour le contrôle et la régulation, ainsi que pour l’exploitation et la maintenance des installations. Les capteurs MEMS peuvent ainsi contribuer à éviter les arrêts de machines et les problèmes de qualité, et à accroître la durabilité en améliorant l’efficacité de la production et l’efficacité énergétique.
Des capteurs de plus en plus importants
La détection et la mesure de paramètres physiques nécessitent généralement la conversion de la grandeur à mesurer en un signal électrique. Dans le passé, cela nécessitait souvent des dispositifs mécaniques de précision très complexes. Ceux-ci étaient souvent volumineux et coûteux, ce qui rendait leur intégration dans des unités mécatroniques exiguës difficile.
Dans le domaine de la construction de machines et d’installations notamment, l’intégration d’un plus grand nombre de capteurs suscitait le scepticisme, car chaque élément supplémentaire était considéré comme une source potentielle de défaillance. De plus, la puissance de traitement de l’électronique de commande était limitée. Aujourd’hui, ces restrictions appartiennent au passé.
Non seulement dans la construction de machines et d’installations, mais aussi de manière générale, il est désormais admis que l’augmentation de l’efficacité et de l’efficience des appareils, des machines et des installations n’est possible que sur la base d’une base de données plus large.
La révolution grâce à la microélectromécanique
La miniaturisation des capteurs permet leur utilisation à grande échelle, en particulier pour les mesures tridimensionnelles nécessaires dans des domaines tels que la construction mécanique, la robotique ou l’aérospatiale. La technologie MEMS joue ici un rôle de premier plan. Les capteurs MEMS sont extrêmement petits. Ils peuvent être produits avec des composants électroniques pour le prétraitement des données collectées et proposés sous une forme extrêmement compacte.
Mais qu’est-ce que MEMS ? L’abréviation anglaise “MEMS” signifie Microelectromechanical Systems, c’est-à-dire des systèmes mécatroniques de très petite taille. Ils sont apparus à la suite d’un changement technologique. Il y a environ 40 ans, lorsque la mécanique de précision classique a atteint les limites du physiquement possible, on a utilisé les procédés de fabrication déjà bien établis à l’époque dans l’industrie des semi-conducteurs pour produire des structures mécaniques extrêmement petites et en même temps assez complexes.
C’est ainsi qu’est née la technologie des microsystèmes, qui intègre des composants électroniques, mécaniques et optiques dans un espace réduit. Elle a permis la fabrication d’appareils auditifs pratiquement invisibles grâce à des microphones et des haut-parleurs extrêmement petits, et a donné naissance à de minuscules actionneurs utilisés, par exemple, pour réaliser des pompes ou des moteurs intégrables dans les vaisseaux sanguins à des fins médicales. La technologie MEMS est également une branche importante de la technologie des microsystèmes.
Fabrication monolithique – MEMS d’un seul tenant
Les capteurs MEMS sont fabriqués à partir de tranches de silicium (wafers) à l’aide d’un procédé de gravure, comme les puces à semi-conducteurs. Dans les deux cas, le processus est répété plusieurs fois avec différents masques afin d’obtenir des structures 3D. L’enlèvement successif de matière permet ainsi de créer des structures contenant des pièces mobiles.
La particularité : ces pièces ne sont pas fabriquées individuellement puis assemblées, comme c’était le cas auparavant. Elles sont plutôt créées dans leur intégralité à partir d’un seul bloc. Cela leur permet non seulement d’être beaucoup plus petites, mais aussi de supprimer la fabrication des connexions ou de la rendre plus simple et plus précise grâce au procédé soustractif (élimination de tout ce qui ne fait pas partie du capteur ou d’une structure auxiliaire porteuse).
Conclusions fiables
Le principe de base est le même pour tous les capteurs MEMS. Ils mesurent l’effet de la grandeur mesurée sur la position ou le mouvement de leurs pièces fixes et mobiles les unes par rapport aux autres. Pour ce faire, celles-ci sont façonnées lors du processus de fabrication de manière à ce que leurs surfaces forment ensemble un condensateur. Comme celui-ci est très petit en raison des dimensions microscopiques, ces surfaces sont souvent disposées en multiples. En principe, on peut se représenter cela comme deux peignes emboîtés l’un dans l’autre formant les électrodes.
La capacité varie en fonction de la distance entre les électrodes. Celle-ci peut être mesurée, et son écart par rapport à la valeur normale permet de déduire la position relative des pièces les unes par rapport aux autres. Grâce à l’inertie, cela permet par exemple de déduire l’accélération à laquelle cet agencement est soumis.
Grâce aux propriétés des cristaux de silicium utilisés et aux procédés d’exposition et de gravure appliqués, les fluctuations et les influences extérieures jouent un rôle secondaire. Il est ainsi possible de fabriquer des capteurs qui fournissent une qualité de mesure constante sur de très longues périodes et permettent de tirer des conclusions fiables sur les grandeurs mécaniques mesurées.
Un succès retentissant
Les structures actives des capteurs MEMS peuvent être conçues pour être très sensibles sur le plan métrologique. Les capteurs MEMS sont néanmoins disponibles dans des modèles extrêmement robustes et adaptés à un usage industriel. Comme beaucoup d’entre eux ne comportent pas de pièces mobiles ni d’articulations, ils sont également insensibles aux vibrations et aux variations de température.
Les capteurs MEMS sont désormais très répandus et présents dans de nombreuses applications. La technologie MEMS est principalement utilisée dans les accéléromètres et les gyroscopes, mais aussi dans les capteurs de débit, de pression, d’inclinaison et de température, ainsi que dans les capteurs de composition du gaz ou de qualité de l’air. Il n’est pas toujours évident qu’il s’agit de capteurs MEMS. Ils peuvent être profondément intégrés dans des modules ou des produits électroniques plus complexes, mais aussi dans des transmetteurs de mesure industriels.
Application universelle
Les capteurs MEMS doivent leur succès durable à leurs dimensions extrêmement réduites. De plus, la technologie MEMS permet de combiner sur une seule puce des capteurs pour différentes valeurs de mesure afin de former des sous-systèmes micromécatroniques complets. Leur faible encombrement, leur coût réduit et leur capacité à être transformés en appareils très résistants permettent de mesurer de nombreuses grandeurs dans des endroits où l’utilisation de capteurs conventionnels n’était jusqu’alors pas envisageable.
Dans la plupart des cas, la technologie MEMS n’est pas spécifiquement mentionnée, car son utilisation est déjà courante dans de nombreux domaines. Ainsi, les capteurs MEMS jouent un rôle important non seulement dans la construction automobile, mais aussi dans la technologie médicale. Ils y sont utilisés dans des appareils médicaux portables et implantables, tels que les stimulateurs cardiaques, pour la surveillance continue des fonctions vitales telles que la fréquence cardiaque ou le taux de glycémie.
Dans des applications telles que l’exploitation minière ou la fabrication de produits chimiques ou pharmaceutiques, les capteurs MEMS permettent de surveiller en temps réel des paramètres critiques pour le processus et la sécurité, tels que les concentrations de gaz ou les conditions de pression. Cela permet d’optimiser simultanément les processus de production, la qualité des produits et la sécurité au travail.
Dans le domaine de la construction mécanique, l’utilisation simultanée de capteurs MEMS à de nombreux endroits d’un même appareil, d’une même machine ou d’une même installation permet de déterminer simultanément la position, la course ou les positions relatives des machines mobiles. Un logiciel permet ainsi d’améliorer considérablement leur réactivité face à des événements imprévus et de mieux garantir la qualité du produit fabriqué et la sécurité fonctionnelle.
Venus pour rester
Parallèlement, les valeurs mesurées par les capteurs MEMS permettent de déduire, par exemple à partir des vibrations à haute fréquence, les effets de l’usure ou d’un manque d’entretien. Ces informations permettent au personnel de maintenance d’effectuer des contrôles et des interventions préventifs et d’ajuster les paramètres d’usinage afin d’éviter les dommages ou les temps d’arrêt.
Le développement des capteurs MEMS est loin d’être terminé. Outre la poursuite de la miniaturisation, la réduction de la consommation d’énergie et l’augmentation de la robustesse, l’accent est mis sur une intégration plus poussée dans les réseaux IIoT. À terme, les capteurs MEMS sans fil avec intégration Bluetooth Low Energy ou 5G permettront par exemple une mise en réseau flexible et économe en énergie des machines pour une surveillance continue de leur état avec une densité extrêmement élevée.
L’intégration directe de la technologie des capteurs MEMS dans des appareils périphériques dotés d’intelligence artificielle (IA) permet non seulement un traitement plus efficace des données grâce au prétraitement des signaux des capteurs directement sur le lieu de la collecte. Cela permet également d’économiser les coûts et les incertitudes liés au transfert des données vers le cloud pour les analyses IA. L’ajustement automatique des paramètres de production en fonction de changements subtils permet également d’améliorer l’efficacité et la qualité des processus de production à un niveau sans précédent.
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