Section 08 Micro et nano-technologies, micro et nanosystèmes, électronique, photonique, électromagnétisme, énergie électrique

II. Micro-Nanosystèmes

Il nous semble utile de préciser en préambule qu'une miniaturisation extrême d'un microsystème ne constitue pas une fin en soi pour certaines applications comme c'est le cas pour l'électronique (si l'on fait exception de l'électronique de puissance). Il existe en effet des frontières dimensionnelles en deçà desquelles une réduction en taille peut être défavorable, il s'agit par exemple des microsystèmes dont le principe de fonctionnement repose sur l'exploitation de phénomènes inertiels, sur l'interaction avec des cellules ou des tissus biologiques. De nombreuses approches restent donc à explorer à des échelles micrométriques, voire millimétriques : technologies souples à base de nouveaux matériaux, co-intégration avec une électronique organique, nouvelles approches de mise en forme, de structuration, d'intégration, d'assemblage sur grandes surfaces, etc. Depuis quelques années, ces approches souffrent fortement de la vague « nano » ce qui tend à les sous-représenter dans le monde académique par rapport au monde industriel, au risque de pénaliser le fort potentiel d'innovation et de valorisation socio-économique des microsystèmes.

Pour revenir à la dynamique de réduction d'échelle afin d'accroître les performances des micro-nanosystèmes, soulignons que la miniaturisation permet d'améliorer les réponses temporelles et les sensibilités de détection, mais qu'elle induit également une prépondérance des effets de surface et d'interface par rapport aux effets de volume : pertes énergétiques très hétérogènes, systèmes hors équilibre, cinétiques de réaction fortement altérées, variations stochastiques et non plus statistiques, instabilités, etc. Tous ces aspects doivent être pris en compte pour conduire à une exploitation fiable des dispositifs nanostructurés. Cela concerne en particulier le contrôle des dispersions technologiques des caractéristiques par l'optimisation des conditions d'élaboration et de mise en forme des matériaux sur une gamme d'échelle étendue, les traitements de surface et de passivation, l'encapsulation, etc. En outre, les notions de dynamique de mesure, de domaine de linéarité, de tolérance aux fautes, de redondance, de robustesse, de sensibilité et de résolution ultime doivent être revisitées.

Actuellement, les tendances fortes dans de nombreux domaines applicatifs ne concernent plus exclusivement la sensibilité mais plutôt la stabilité d'un système en environnement sévère, le temps de réponse, le volume d'analyse et éventuellement l'autonomie énergétique pour des systèmes portables ou implantables.

A. Technologies de fabrication

La conception de micro-nanosystèmes (MEMS/NEMS) repose sur le développement de nouveaux matériaux et de nouvelles technologies de fabrication (cf. § I. Micro-Nanotechnologies). Les approches de conception descendante (top-down) issues de la microélectronique sont à mettre en regard avec les approches de conception ascendante (bottom-up) plus récentes, héritées de la chimie et de la biologie. En particulier les nanobiotechnologies, domaine émergent associant les biotechnologies et les nanotechnologies, ou encore les systèmes biomimétiques ou matériaux bio-inspirés, changent fondamentalement la conception des micro-nanosystèmes en associant matières organique et inorganique. Des problématiques nouvelles, plus amont, concernent les architectures 2D et 3D, de nouvelles techniques de structuration, l'assemblage dirigé, l'intégration hiérarchique hétérogène et la conception de systèmes dont la durée de vie peut être en contrepartie limitée (système jetable).

Le couplage de ces deux approches, « top-down » et « bottom-up » (template-assisted technologies), s'avère particulièrement efficace pour optimiser les propriétés physiques, optiques, thermiques et électriques de micro-nanosystèmes afin qu'ils répondent à un cahier des charges très ciblé (impédance, absorbance, dissipation thermique, tension de claquage électrique, fatigue, vieillissement, perméabilité, biocompatibilité, etc.). Dans ce cadre, il apparaît essentiel de garantir au sein des plate-formes technologiques (RENATECH), une flexibilité d'utilisation imposée par le développement de technologies émergentes (technologies d'auto-assemblage inspirées de la chimie ou de la biologie, nouveaux matériaux organiques et inorganiques, polymères, biomatériaux, matériaux carbonés, nanoparticules, nanofils, etc.). De nombreuses techniques alternatives de dépôts doivent être exploitées pour des matériaux biocompatibles et « biosourcés » : dépôt électrochimique, impression 2D et 3D, électrospray, électrospinning, technique pochoir (stencil ou shadow mask), atomic layer deposition (ALD), etc. Dans le domaine de l'encapsulation (packaging), l'intégration hétérogène 3D reste à optimiser avec éventuellement l'ajout de fonctionnalités lors de cette étape : antennes, capteurs pour le diagnostic in situ ou pour la récupération d'énergie (smart packaging).

Ici, des modélisations et simulations multiphysiques et multi-échelles deviennent incontournables. En outre, d'un point de vue conceptuel, des approches non intuitives exploitant notamment des configurations matérielles et/ou logicielles bio-inspirées restent à explorer.

B. Caractérisation, test et fiabilité

Les développements récents des techniques de caractérisation et de test dédiées aux micro-nanosystèmes concernent les mesures effectuées en parallèle sans contact sur grandes surfaces (supérieures au cm2) avec des résolutions spatiales nanométriques et/ou des réponses temporelles inférieures à la nanoseconde. Ces mesures doivent dans certains cas être réalisées lors des différentes étapes d'un procédé de fabrication. La mise au point de bancs de tests sous atmosphère contrôlée ou en environnement sévère (température, pression, rayonnements, etc.) doit être renforcée pour appréhender les mécanismes de défaillance intrinsèque et extrinsèque, notamment après l'étape d'encapsulation. Le recours à des techniques de vieillissement accéléré peut s'avérer également très pertinent pour la fiabilité prédictive (qualification de dispositifs embarqués). Enfin, le développement de techniques de caractérisation à sondes locales permettant d'effectuer des mesures couplées (mécanique, optique, thermique, électrique, etc.) est en expansion, mais un cadre de standardisation est nécessaire pour l'avancée de ce domaine, notamment en ce qui concerne la calibration des mesures.

C. Dispositifs

1. Actionneurs, capteurs et résonateurs mécaniques

L'intégration de matériaux fonctionnels (piézoélectrique, magnétique, électrostrictif, etc.) reste une voie à explorer pour développer des actionneurs à des échelles réduites en exploitant plus spécifiquement des comportements « contrainte-déformation » non-linéaires. Dans ce cadre, le développement de matériaux à changement de phase ou à transition de spin est également un axe de recherche très prometteur dans le domaine des actionneurs mécaniques, différents types de perturbations pouvant être utilisés pour induire la transition et le changement de propriétés mécaniques (thermique, optique, électrique, etc.). De même, l'utilisation de polymères électro-actifs connaît un essor important pour concevoir des dispositifs électromécaniques portables ou implantables sur substrats souples et étirables (muscles artificiels, implants, patchs, etc.). De manière générale, l'exploitation de nouveaux principes de transduction doit être renforcée : optomécanique, biomécanique, mécano-chimique, etc.

La micro-nanomanipulation couplée à la détection et l'assemblage automatisé à une échelle réduite sont fortement d'actualité dans le domaine des nanosciences, de la microrobotique, de la biologie moléculaire et cellulaire.

Enfin, les tendances récentes dans le domaine des NEMS ont permis de tirer profit de la miniaturisation non seulement sur le plan fondamental dans le domaine des nanosciences (mécanique et optique quantiques) mais également sur le plan applicatif grâce au développement de réseaux de nanocapteurs couplant une sensibilité accrue à une grande section de capture (détection et cartographie par multiplexage fréquentiel par exemple). Les principaux enjeux concernent ici les problématiques d'adressage, de co-intégration CMOS et de traitement de données.

2. Microsources, récupération et stockage d'énergie

Le domaine de la récupération d'énergie mécanique tire un bénéfice très important de l'ensemble des développements décrits ci-dessus dans le domaine des capteurs mécaniques (nouveaux matériaux en particulier) mais peu de leur miniaturisation. En outre, si le développement de dispositifs harmoniques, puis large-bande et plus récemment accordables pour la récupération d'énergie via les vibrations environnementales reste d'actualité, un véritable enjeu concerne actuellement l'optimisation de la co-intégration du microsystème avec le circuit de conditionnement (conversion et gestion de l'énergie).

Enfin, des avancées notables dans le domaine des biopiles électrochimiques (glucose, bactérie, plantes) ou de la récupération d'énergie thermique (gradients, métamatériaux thermoélectriques) à l'aide de microdispositifs peuvent être mentionnées. On retrouve ici également les enjeux liés à la fiabilité des dispositifs et à leur durée de vie.

Précisons que les problématiques liées au stockage de l'énergie nous semblent relever principalement du domaine du génie électrique (cf. § V. Énergie électrique).

Microsystèmes optiques

Depuis quelques années, c'est le domaine de la micro-instrumentation sous différentes formes (microscopie, spectroscopie et capteurs optiques) qui a pris le pas sur les applications télécommunications et sur le domaine de l'affichage (écrans). Les tendances actuelles sont également marquées par l'émergence de l'optofluidique pour des mesures et manipulations (piégeage, tri, etc.) in situ en milieu liquide, ou encore l'intégration de structures plasmoniques pour le développement de capteurs. D'un point de vue fondamental, le domaine des nanosystèmes optiques, pour lesquels la réduction d'échelle favorise l'exaltation de forces optiques et la manifestation de couplages opto-mécaniques forts, est actuellement très actif.

Micro-Nanofluidique

Ce domaine est très demandeur de nouveaux matériaux (polymères en particulier) compatibles avec des procédés industriels bas coût et dont les propriétés sont stables dans le temps dans une optique de commercialisation. Ce besoin se traduit par un effort d'optimisation de nouvelles techniques de structuration : impression 3D, ablation laser, polymérisation multiphoton, electrospinning, electrospray, etc.

La microfluidique en gouttes (système diphasique eau/huile le plus souvent) est maintenant parvenue à un niveau de maturité suffisant (reproductibilité, stabilité de systèmes multiphasiques, contrôle des écoulements) pour être exploitée industriellement vers la biologie moléculaire et cellulaire, en particulier dans les domaines des microréacteurs chimiques et du diagnostic médical.

Des recherches actives sont menées pour exploiter les propriétés de confinement dans des systèmes fluidiques pour le tri et l'assemblage de particules ou d'entités biologiques : la réduction en taille des canaux et l'utilisation de diverses voies d'actionnement (électrique, magnétique, optofluidique, thermique, etc.) permettent de contrôler le mouvement d'objets dissous ou en suspension, et ainsi de les séparer dans des systèmes intégrés pour en étudier éventuellement les propriétés (lors d'un écoulement dans un nanocanal ou un nanopore par exemple).

Enfin, la fluidique permet d'élaborer des structures multicouches et de nouveaux nanomatériaux fonctionnels en contrôlant l'écoulement de solutions de polymères ou de particules dans des canalisations dédiées.

Laboratoires sur puces

Si les problématiques liées à la détection ultime au niveau de la molécule unique restent d'actualité, beaucoup de travaux de recherche s'orientent actuellement vers la caractérisation de la cellule unique (cellules tumorales circulantes notamment). Néanmoins, les aspects essentiels, qui par ailleurs conditionnent la valorisation et la commercialisation d'un laboratoire sur puce, concernent l'intégration des étapes initiales de traitement de l'échantillon : purification, extraction, tri, amplification, pré-concentration, etc. Le plus souvent, ces étapes doivent être effectuées sur plusieurs millilitres pour garantir la validité d'un test, dans le cadre d'une analyse médicale par exemple, le temps de réponse restant par ailleurs un élément clé du dispositif.

Le même effort de miniaturisation est également nécessaire pour l'étape de lecture, souvent de nature optique et pour laquelle l'intégration sur puce reste un verrou technologique à lever. Outre les domaines de la biologie et de la santé, l'environnement est un champ d'application relativement récent et moins exploré pour les laboratoires sur puce. L'impact sociétal est important, notamment pour aborder les problématiques environnementales de qualité de l'eau et de l'air.

Le déploiement des laboratoires sur puce sur les vêtements « intelligents » ouvre un champ de recherche impliquant le développement de systèmes de détection sur substrat souple. L'utilisation de matériaux biodégradables et/ou jetables est en plein essor avec de nouveaux supports comme le papier, la soie ou encore des substrats agrosourcés.

Le développement de puces permettant la culture de cellules (végétales ou animales) mais aussi la reconstruction 3D d'organes et de tissus en environnement contrôlé temporellement et spatialement (gradients chimiques, contraintes mécaniques) à des échelles millimétriques voire centimétriques est indéniablement un domaine en plein essor pour le diagnostic, le suivi thérapeutique, le criblage pharmacologique ou toxicologique.

Le développement de dispositifs implantables pour le diagnostic clinique, la stimulation, la délivrance de médicaments (systèmes patch, nanocapsules, etc.) ou pour suppléer un déficit sensoriel (implants cochléaires ou rétiniens) ou moteur (interfaces cerveau-machine) doit être renforcé en considérant l'autonomie énergétique du dispositif, sa biocompatibilité et sa durée de vie. En outre, la conception d'interfaces électroniques pour la communication RF est incontournable pour rendre ces dispositifs aisément implantables et reconfigurables. Ici, apparaissent des questionnements éthiques car il faut bien distinguer les développements qui visent à réparer le corps humain de celles qui permettraient d'en augmenter les performances.

D. Quelques remarques générales

Il est indéniable que la communauté MEMS/NEMS française a fortement bénéficié ces dernières années de la mise en place du réseau RENATECH. Elle est aujourd'hui positionnée au meilleur niveau européen et international. Il serait fortement préjudiciable à cette communauté que ce réseau n'ait plus les moyens de soutenir une infrastructure propre à fournir les technologies nécessaires à la réalisation des projets de recherche et de développement des laboratoires.

L'existence du GDRI NAMIS a permis de mettre en place un réseau de collaborations internationales très efficaces avec les meilleures équipes de la scène internationale. Il nous paraît important qu'il continue à être soutenu par INSIS.

De nombreuses équipes de recherche travaillant dans le domaine des MEMS/NEMS s'orientent de plus en plus vers des applications dans le domaine de la biologie et des sciences du vivant au détriment d'autres domaines applicatifs. Il peut s'agir d'un effet de mode ou d'un manque de financements pour d'autres secteurs, mais cette dérive pourrait devenir critique si elle s'inscrivait dans la durée. Il pourrait être opportun de profiter du renouvellement éventuel du GDR MNS pour lancer de nouvelles actions notamment en renforçant les interactions avec les domaines de l'automatique, de la robotique, des sciences des matériaux et de l'environnement.

Enfin, de manière générale, pour des projets à caractère applicatif, outre le caractère innovant d'un dispositif, il convient d'être très attentif à définir très clairement sa valeur ajoutée par rapport à l'existant sur le marché industriel. Dans ce cadre, vu la maturité de certaines filières MEMS, une interaction plus forte avec le monde industriel via les structures de soutien à l'innovation et au transfert technologique serait certainement très bénéfique.