Thématique Micro et nanosystèmes

Le projet Micro et Nano-systèmes est animé par :
Boudjemaa Remaki, INL, INSA
G. Reyne, G2E Lab, INPG
L. Montes, IMEP-LAHC, INPG
S. Basrour, TIMA, IMAG
P. Lemaitre-Auger, LCIS, INPG

Programme scientifique présenté dans le cadre du dossier "Programme pluriannuel 2007-2010" déposé par le cluster Micro-Nano auprès de la Région Rhône-Alpes

Le projet de recherche proposé reflète le caractère pluridisciplinaire des études sur les micro et nano-Systèmes et se décline en trois grands axes qui associent Recherche Fondamentale et Appliquée au développement de nouveaux dispositifs.

Axe 1 : Intégration technologique et fonctionnelle des Micro et Nano-Systèmes

La spécificité des composants Micro et Nano-systèmes réside dans la complexité de leurs architectures 3D (parties mobiles, multicouches) et dans leurs conditions de fonctionnement parfois sévères et variables suivant le contexte d’utilisation. C’est en étant conscient des délais de mise sur le marché des Micro et Nano-Systèmes et des challenges technologiques (MEMS before, during, after IC) que les chercheurs doivent apporter des connaissances sur l’intégration et les propriétés des matériaux en films minces (contraintes, paramètres élastiques) et le comportement des Micro et Nanotechnologies-structures mobiles. La mise en réseau des laboratoires permet de proposer une approche globale allant de la modélisation (redéfinition des modèles physiques) et la conception à la fabrication collective, en passant par les tests mécaniques intégrés sur tranche pour le développement et le contrôle des procédés. Le développement des nanosystèmes (NEMS) est motivé par la double perspective d’un gain d’échelle (économie d’énergie, compacité) et surtout de l’utilisation de phénomènes nouveaux spécifiques à l’échelle nanométrique (force de Casimir, effet tunnel, …). De nombreux travaux ont été réalisés intégrant des cantilevers approchant l’échelle nanométrique et des nanotubes et nanofils (NNs) dans des structures NEMS. Cependant, très peu de réalisations ont vu réellement la mise en œuvre de nouveaux phénomènes liés à l’échelle nanométrique (approche bottom-up). La plupart des travaux se limitent jusqu’à présent à la reproduction à plus petite échelle de phénomènes couramment utilisés dans les MEMS (approche top-down). Dans ce contexte, ce sujet de recherche s’attachera d’abord à étendre la maîtrise de plusieurs nouveaux phénomènes révélés sur les NNs et ensuite à les exploiter dans des dispositifs NEMS (nanorésonateurs accordables). De nouvelles perspectives sont envisagées en explorant les liens entre la nanomécanique et la physique mésoscopique. Ce travail ne peut se faire qu’en développant et validant de nouvelles méthodes de caractérisation spécifiques pour analyser quantitativement les phénomènes physiques mis en œuvre dans les NEMS : AFM à haute résolution en force, NSOM et nanovibrométrie...

Axe 2 : Micro et Nano-Systèmes autonomes et applications RF

Les MEMS RF possèdent de multiples applications dans le domaine des télécommunications avec l’émergence des systèmes multi-standards. Ces systèmes nécessitent l’utilisation de circuits accordables afin d’éviter la réalisation d’un « front-end » pour chaque standard supporté. Les principaux circuits à rendre accordables sont les suivants : antennes, filtres, adaptateurs d’impédance, coupleurs, déphaseurs, diviseurs de puissance. Deux types d’accords sont recherchés, soit un accord « discret » pour lequel le MEMS est utilisé en interrupteur (« switch »), soit un accord « continu » ou « analogique » pour lequel le MEMS est utilisé en varactor. Les dispositifs réalisés seront caractérisés en terme de surface utilisée, plage d’accord, pertes d’insertion, adaptation, sélectivité... L’autre application RF à très fort potentiel concerne le développement de la traçabilité avec l’identification par radiofréquence (RFID). Les nouvelles voies pour réduire les coûts de fabrication des dispositifs seront ouvertes par l’utilisation de la technologie d’impression numérique de pistes conductrices. Un travail de recherche amont reste nécessaire pour lever des verrous technologiques en particulier dans le domaine microfluidique et pour connaître et optimiser les propriétés des matériaux déposés. Un fort potentiel existe en Rhône-Alpes tant au niveau recherche que production (Valence, Grenoble). Des coopérations avec le projet Micro et Nano-électronique du cluster sont aussi envisageables pour le développement de l’électronique souple. En outre, la production, le traitement et l’économie de l’énergie deviennent des priorités dans la conception des systèmes autonomes embarqués ou portables. Dans ce contexte, les MEMS offrent des réponses adaptées au niveau composant de par les dimensions réduites des éléments dynamiques et des nombreuses fonctions de transductions de l’énergie possibles avec des rendements améliorés dans le cadre des filières silicium. On abordera la conception, la fabrication et le test d’architectures MEMS performantes pour la production et le traitement de l’énergie sous différentes formes (mécanique, électrique, électromagnétique). La production d’énergie au moyen de micro-piles à combustibles, de micro-générateurs piézoélectriques, magnétostrictifs, photovoltaïques ou électromagnétiques, fera également l’objet d’étude d’architectures nouvelles. L’amélioration des modèles physiques de composants MEMS permettra de valider des solutions architecturales originales.

Axe 3 : Micro et Nano-Systèmes fluidiques

Ce sujet concerne la manipulation de systèmes fluides (phase liquide, vapeur ou diphasique ; liquides électro- ou magnéto-actifs) avec des outils issus des développements les plus récents en Micro et Nanotechnologies. L’objectif est d’aborder expérimentalement les aspects de physique fondamentale et de développer conjointement des applications innovantes. Les thèmes qui seront traités sont parmi ceux qui suscitent actuellement le plus d’intérêt au niveau de la communauté internationale. La stricte réduction d’échelle des systèmes permet de se placer dans un environnement où les effets de surface deviennent prédominants par rapport aux effets de volume. La dispersion de nanoparticules dans un liquide porteur a mis en évidence de nouveaux effets : effet électrorhéologique géant, diffusion thermique d’un mélange biphasique. Les microsystèmes sont alors des outils d’investigation privilégiés pour appliquer des champs ou des gradients de champs électromagnétiques intenses qui sont seuls susceptibles de compenser les effets défavorables de l’agitation thermique sur des nanoparticules. Ce domaine inclut également les activités concernant la diélectrophorèse et le confinement sous champ. Des besoins en recherche fondamentale existent sur les propriétés des fluides pour le guidage optique et le développement du contrôle dynamique de guides d’ondes fluidiques. Les Micro et Nano-systèmes fluidiques sont naturellement adaptés aux études fondées sur la manipulation individuelle de gouttes (volumes sub-nl). En outre, ce sujet a vocation à susciter des intéractions avec le projet nanotechnologies de ce cluster (microcaloducs, nanotubes de carbone comme nano-ailettes dans des micro-échangeurs ou nano-électrodes pour l’application de champs localisés). Des avancées sont aussi attendues au niveau des technologies mises en œuvre : gravure électrochimique à fort facteur d’aspect, technologie non silicium.