Au carrefour des circuits intégrés et des microsystèmes électromécaniques (MEMS)

Résumé

La thématique des recherches du professeur Frédéric Nabki, de l’École de technologie supérieure de Montréal, gravite autour de la miniaturisation de systèmes qu’il s’efforce de rendre plus abordables, efficaces et multifonctionnels. Il combine deux spécialités : les circuits intégrés analogiques, mixtes et radiofréquences, et les microsystèmes électromécaniques (MEMS). Ces deux expertises lui permettent aussi de toucher à l’intégration de microsystèmes et à la microfabrication.

Introduction

Frédéric Nabki, professeur au Département de génie électrique de l’École de technologie supérieure (ÉTS), et membre du Laboratoire de communications et d’intégration de la microélectronique (LACIME) et du Laboratoire de microtechnologies et des microsystèmes – Micro², combine deux spécialités : les circuits intégrés analogiques, mixtes et radiofréquences et les microsystèmes électromécaniques (MEMS). Ces deux spécialités lui ouvrent aussi la voie vers l’intégration de microsystèmes et la microfabrication.

Circuits intégrés analogiques sans fil

Après plusieurs années de recherche, Frédéric Nabki, de concert avec Dominic Deslandes, un autre professeur de l’ÉTS, et des étudiants a mis au point un transmetteur-récepteur sans fil doté d’une nouvelle architecture en abandonnant carrément le type utilisé depuis plusieurs décennies, soit le transmetteur-récepteur sans fil de type hétérodyne. Ce nouveau lien sans fil à courte portée (50 m), très prometteur du point de vue de la performance et de l’efficacité énergétique, a donné naissance à une entreprise en démarrage hébergée au Centech, Spark Microsystems.

Les applications pouvant bénéficier de cette percée sont nombreuses, notamment dans les secteurs de la domotique, du médical, de l’automobile et de l’électronique grand public. En effet, une grande majorité des capteurs et des objets connectés nécessitent des connexions par câbles ou des piles. L’installation de câblage est onéreuse et parfois compliquée; les piles entraînent aussi des coûts et polluent l’environnement. Le transmetteur-récepteur SPARK consomme tellement peu d’énergie qu’il permet aux piles de durer jusqu’à 10 fois plus longtemps, voire de permettre à un système de fonctionner sans piles! En effet, l’énergie ambiante (chaleur, vibrations et éclairage artificiel) pourrait suffire à fournir l’énergie nécessaire dans certains cas.

Conception de MEMS

Un peu comme l’électronique qui a été miniaturisée depuis les années 60, certains dispositifs mécaniques sont actuellement miniaturisés, notamment pour des applications de capteurs. Ces dispositifs, appelés MEMS, sont des microsystèmes (de l’ordre de 50 µm) composés d’éléments mécaniques qui utilisent, entre autres, des phénomènes électriques pour mesurer par exemple la rotation, l’accélération, le champ magnétique… Les MEMS ont l’avantage d’être compacts et économiques puisqu’ils se prêtent bien aux procédés de fabrication de masse similaires à ceux utilisés en microélectronique.

Frédéric Nabki développe actuellement des capteurs pour mesurer les contraintes auxquelles la structure de certaines pièces d’avions critiques est soumise au cours d’un vol. Il met aussi au point des capteurs MEMS pour capter l’énergie des vibrations provenant d’une automobile ou d’un pont et la transformer en électricité. Ce type de capteur, appelé récupérateur d’énergie, peut alimenter en énergie d’autres types de capteurs, leur permettant de fonctionner sans piles et minimisant les coûts et les impacts environnementaux. Les capteurs dans une automobile qui assurent la mesure de la pression des pneus sont un exemple concret de ce type d’application.

D’autres projets de recherche comportant des MEMS auxquels participe le professeur Nabki sont la création d’ultrasons par vibration de MEMS (transducteurs) et de capteurs infrarouges pour capturer des images.

Intégration de microsystèmes et microfabrication

Le professeur Nabki tire parti de sa double expertise pour créer de nouveaux systèmes composés de circuits intégrés et de MEMS qui, dès le départ, ont été conçus pour se marier parfaitement. Il travaille aussi à intégrer la photonique sur silicium aux MEMS (qui deviennent alors MOEMS – microsystèmes opto-électromécaniques). Ce projet est fait dans le cadre d’une recherche en partenariat avec une autre entreprise du Centech, AEPONYX. Les puces MOEMS qui en découlent, commercialisées par AEPONYX, ont l’avantage d’être plus petites, moins coûteuses et surtout reconfigurables.

Dans cette catégorie, on compte aussi un autre projet de recherche dont l’objectif est la conception d’une horloge pour cadencer les circuits. Dans ce projet, le Prof. Nabki travaille sur des structures résonantes MEMS qui visent à remplacer les cristaux de quartz dans les systèmes d’horloge de synchronisation, présents dans tous les systèmes électroniques, passant par les montres aux ordinateurs. Le prof. Nabki travaille aussi sur la création de circuits d’interfaces pour rendre les capteurs plus précis et plus efficaces.

Finalement, Frédéric Nabki s’intéresse aussi à la microfabrication pour compléter son expertise de MEMS. Il travaille notamment sur un projet de capteur d’humidité ou de gaz fabriqué à partir de nanotubes de carbone.

Information supplémentaire

Les étudiants intéressés par ces projets de recherche peuvent contacter le professeur Frédéric Nabki pour obtenir plus d’information.