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PROBLÈME ADRESSÉ

Cette invention permet la miniaturisation et la hausse de performance des microcapteurs et microgénérateurs (vibration energy harvester). Elle s’inscrit dans un contexte d’engouement pour les dispositifs sans fil et les capteurs MEMS (microelectromechanical systems) pour propulser l’« Internet des Objets » (Internet of Things – IoT). Les capteurs sans fil suivent maintenant un taux de croissance annuel composé de 12,3%/an (CAGR 2018-2023 selon BCC Research) pour représenter un marché estimé à 2585 M$/an en 2023. Pour leur part, les accéléromètres et les gyroscopes suivent une croissance de 11,3% et 8,5%/an (CAGR 2015-2020). D’ici 2020, il est anticipé que ces marchés atteindront respectivement 1992 M$/an et 1324 M$/an.

TECHNOLOGIE

Pour fonctionner, les dispositifs MEMS inertiels comportent généralement plusieurs structures, notamment une ou des masses, qui fournissent une sensibilité aux mouvements, ainsi qu’un ou des ressorts, qui supportent les masses. Masses et ressorts sont traditionnellement fabriqués à partir d’un même matériau, soit en silicium. Notre invention propose plutôt d’utiliser un métal ayant une forte masse volumique (ex : tungstène) pour former les masses dans ces dispositifs grâce à un procédé d’intégration hétérogène en parallèle. Avec une densité plus de 8 fois supérieure au silicium, l’usage du tungstène permet de fabriquer des masses plus compactes et des dispositifs plus sensibles.

La présente invention consiste en un ensemble de procédés de fabrication pour définir et intégrer en parallèle plusieurs masses de tungstène à partir d’une tranche ou d’une feuille de tungstène épaisse (>100 µm) dans des dispositifs inertiels MEMS. Les dispositifs MEMS sont autant des microcapteurs, par exemple des accéléromètres et des gyroscopes permettant de mesurer des positions et des mouvements, que des microgénérateurs permettant de produire de l’électricité à partir des vibrations ambiantes perçues par le dispositif.

Le procédé proposé dans cette invention utilise plusieurs étapes. Voici les grandes lignes du procédé global :

  • Procédés de préparation visant à définir partiellement les motifs, permettre de les manipuler et de les coller en parallèle (déposition de couches protectrices, déposition de couches d’adhésion, gravures chimiques sélectives, déposition de couches de collage).
  • Procédé de collage de tranches permettant de lier mécaniquement la tranche de métal épaisse qui formera les masses du dispositif à une tranche « fonctionnelle » (faite de silicium et d’autres matériaux) formant les ressorts.
  • Procédés de gravures chimiques permettant de compléter la définition de l’assemblage et libérer les motifs des masses métalliques et des ressorts.

AVANTAGES

  • Rapport Qualité/Prix accru : permet de faire des microcapteurs plus sensibles et des microgénérateurs plus puissants, et ce, au même coût de revient.
  • Part de marché accrue :
    • la sensibilité accrue des microcapteurs permettra de percer davantage certains marchés, tels que la sismographie, le suivi des actifs, les équipements de navigation de précision ou encore, la surveillance de l’activité humaine et des structures.
    • la miniaturisation des microcapteurs et microgénérateurs pourrait permettre d’atteindre de nouveaux marchés tel que le marché « sans fil » du IoT.
    • la puissance accrue des microgénérateurs permet d’alimenter des dispositifs sans fil miniatures, et ainsi remplacer ou charger les batteries, les rendant autonomes.
AVANTAGES TECHNIQUES
  • Coût de revient équivalent : l’invention propose une intégration au niveau de la tranche et des procédés en parallèlles, plutôt qu’en série (ex : découpage puis alignement par pick & place). Les procédés parallèles diminuent le coût de production et augmentent le débit de production tout en améliorant la précision.
  • Densité accrue = Compacité  : par rapport à des procédés/matériaux conventionnels :
    • le tungstène est plus de 8 fois plus dense que le silicium (25g/cm3 vs 2.33) et plus de deux fois plus dense que le cuivre ou le nickel (vs 8.9).
    • le tungstène est moins cher et aussi dense que l’or (25g/cm3 vs 19.3).
    • le tungstène pur est beaucoup plus dense comparativement à une masse faite de tungstène et de polymère fabriquée par sérigraphie (19.25g/cm3 vs 9).
    • le procédé permet de faire des masses de plus de 100 µm d’épaisseur, ce que des procédés alternatifs (ex : dépôt couche mince) ne permettent pas de surpasser.
  • Performance accrue  : grâce à la densité accrue du tungstène :
    • Microcapteurs :
      • Sensibilité et résolution 8x supérieure (pour une puce de même taille).
      • Ou Miniaturisation 8x plus petit (pour une même sensibilité/résolution).
    • Microgénérateurs :
      • Puissance 8x supérieure (comparée à une puce de même taille).
      • Ou Miniaturisation 8x plus petit (pour une même puissance générée).
  • Procédé simple :
    • Le tungstène est compatible avec les infrastructures de fabrication MEMS et CMOS.
    • Le tungstène a un coefficient de dilatation thermique (CTE=4) près de celui du silicium (CTE=3) ce qui favorise l’intégrité mécanique de l’assemblage, pour de hautes températures de procédé et d’opération.

APPLICATIONS

La nouvelle masse de tungstène peut être utilisée dans divers produits :

  • Microcapteurs MEMS de mouvement : tels que des accéléromètres et des gyroscopes.
  • Microgénérateurs MEMS : permettant de générer de l’électricité à partir des vibrations perçues par le dispositif.

STATUT DE LA PROPRIÉTÉ INTELLECTUELLE

PCT/ CA2018 /050736

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