Brève Histoire du Capteur de Pression en Silicium

Les capteur de pression en silicium appartiennent à la famille des MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Il s'agit d'une micro-membrane mécanique se déformant en présence d'un différentiel de pression et dont la déformation est mesurée par l'intermédiaire d'un dispositif électrique.

La Genèse

Les débuts des dispositifs MEMS remonte aux années 1950 et 1960. Cette décennie a vu naître les premiers concepts de microtechnologies dès les années 1950, mais c’est surtout avec l'invention du transistor (1947) et le développement des circuits intégrés (1958, [1]) que l'industrie commence à entrevoir le potentiel de la miniaturisation. À partir des années 1970 [2], les premiers dispositifs micro-usinés apparaissent, notamment grâce à l’arrivée des technologies et procédés de la microélectronique liée à la miniaturisation des transistors et les techniques de structuration de substrat (gravures sèches et humides). L'un des pionniers est Kurt Petersen [3], qui définit, en 1978, les techniques de base de microfabrication, ce qui ouvre la voie à la miniaturisation de capteurs, comme les accéléromètres et les pressostats.

Une des premières étapes capitale dans le développement MEMS en général repose sur la découverte de l’effet piézorésistif dans le silicium par C.S. Smith en 1954 [5]. Cet effet décrit comment la résistance électrique du silicium varie en fonction de la pression, ouvrant ainsi la voie à l’utilisation du silicium dans la mesure de différents phénomènes physiques. Cette découverte est un élément clé pour les futurs capteurs MEMS de pression.

Les années 1960 voient les premières tentatives de développement de capteurs de pression en silicium basés sur le principe de la piézorésistance. Texas Instruments est l’une des premières entreprises à développer ces capteurs intégrés au début des années 1970 [6]. Ces dispositifs consistent en une membrane en silicium dont les variations de déformation sous contraintes sont mesurées pour déterminer la pression.

Le Boom des Années 1980 

Au cours des années 1980, les progrès technologiques permettaient déjà le développement de MEMS [4] pour des applications plus concrètes, notamment dans le domaine automobile et médical. Les techniques de photolithographie, héritées de l’industrie des semi-conducteurs, ne cessent d'être perfectionnées, ce qui ouvre la voie à la production des MEMS en grande série.

Poussés par le marché automobile,  les besoins de solutions en grands volumes et bas coût deviennent de plus en plus insistants pour des capteurs de pression, notamment,  pour les systèmes de gestion moteurs, les systèmes de freinage ABS et les airbags. Dès 1982, la société Bosch était pionnière dans développement des capteurs de pression en silicium pour répondre à ces besoins,  améliorant ainsi la sécurité et la performance des véhicules [7].

Avancées dans la Miniaturisation et la Précision (1990-2000)

Au cours des années 1990, les MEMS deviennent populaires dans l'industrie grâce à leurs capacités à répondre à d'innombrables besoins applicatifs dans divers domaines : télécommunications, électronique grand public et équipement biomédical. Des entreprises comme Analog Devices commercialisent des accéléromètres MEMS principalement destinés aux systèmes de déploiement d’airbags. Le seecteur médical commence à adopter des technologies MEMS dans l'optique de les intégrer dans des dispositifs implantables [8-9].

Dans cet engouement général, les capteurs de pression en silicium gagnent en popularité grâce  aux avantages très séduisants que apporte cette nouvelle technologie (MEMS). Ces capteurs, basés sur des membranes en silicium extrêmement fines, sont capables de mesurer avec précision des variations de pression minimes. Leur fabrication suit les mêmes procédés que les circuits intégrés, ce qui permet une production à grande échelle et à faible coût. Comme la pression est le second paramètre physique le plus mesurés après la température, les avantages de cette technologie poussent d'autres secteurs, comme l'aérospatiale, à les adopter et  les déployer.

Capteurs de Pression en Silicium Avancés (2000 à aujourd'hui)

Depuis les années 2000, les capteurs de pression en silicium sont largement utilisés dans les objets connectés (ex. Montres, smartphones) les appareils médicaux, les applications de sécurité (ex. Airbag, TPMS) et de surveillance (ex. fluides, procédés), les systèmes de regulation (ex. niveaux, moteurs) ainsi que dans d'innombrables besoins des différents secteurs industriels.

Avec les progrès de la technologie MEMS et de l’électronique, ces capteurs deviennent plus sensibles, compacts et capables de fonctionner dans des environnements sévères. Les capteurs de pression différentiels et absolus en silicium sont désormais courants, leur intégration dans les dispositifs de l’Internet des Objets (IoT) favorise leur développement continu [10].

Les capteurs de pression en silicium ont ainsi évolué pour devenir essentiels dans de nombreux systèmes, grâce à leur précision, leur robustesse et leur compatibilité avec les procédés de fabrication microélectronique. Aujourd'hui, la technologie MEMS silicium dominent le marché des capteurs de pression et est devenue quasi-incontournable dans plusieurs secteurs industriels.

Références

• [1] Kilby, J. S. (1958). Miniaturized Electronic Circuits, US Patent No. 3138743.

• [2] G. Smith et A. Shibata, Introduction to Semiconductor Microelectronics, 1975.

• [3] Petersen, K. E. (1982). "Silicon as a mechanical material." Proceedings of the IEEE, 70(5), 420-457.

• [4] Howe, R. T., et Muller, R. S. (1983). "Polycrystalline silicon micromechanical beams." Journal of the Electrochemical Society, 130(6), 1420-1425.

• [5] Smith, C. S. (1954). "Piezoresistance effect in germanium and silicon." Physical Review, 94(1), 42-49.

• [6] Bean, J. C., et al. (1970). "Piezoresistive silicon pressure transducers." IEEE Transactions on Electron Devices, 17(5), 299-302.

• [7]  Wise, K. D., et al. (1982). "Integrated sensors: A new era in microsystems." Science, 254(5029), 1335-1342.

• [8] Roylance, L. M., & Angell, J. B. (1979). "A batch-fabricated silicon accelerometer." IEEE Transactions on Electron Devices, 26(12), 1911-1917.

• [9] Gad-el-Hak, M. (1999). "The MEMS Handbook." CRC Press.

• [10] Elwenspoek, M., & Wiegerink, R. (2001). Mechanical microsensors. Springer.