9.3.1. COMPS (Perth, Australie) : conception d’un processeur opto-VLSI
Une collaboration avec Adam Osseiran de l’Université de Perth et Kamal Alameh du centre COMPS de microphotonique en Australie de l’Ouest a été mise en place après leur visite du Laboratoire TIMA en 2004.Ce travail vise le développement d’une matrice de micro miroirs, et son interface microélectronique de contrôle, qui sont utilisés dans un processeur opto-VLSI. Les signaux optiques arrivant sur un pixel, qui contiendra un micro-miroir en aluminium ou en cuivre, sont reflétés avec un décalage de phase qui dépend du potentiel électrique. Un circuit microélectronique contrôlera le potentiel de chaque pixel. Deux processeurs de 16 et 256 phases sont envisagés avec, respectivement, 512x256 et 4096x256 pixels. La surface très réduite disponible pour le contrôle microélectronique des pixels est le principal défi que nous devons relever dans ce projet.
Avec la collaboration de Kholdoun Torki du Service CMP de TIMA, Christian Domingues développe dans le cadre de ses travaux de post-doctorat la première de ces matrices en technologie 0.12 µm CMOS de ST Microelectronics. Des couches de polarisation électrique et optique et de cristal liquide seront déposées par l’Université de Cambridge (Royaume-Uni) par-dessus après une encapsulation adéquate de la puce. Ce projet est financé par COMPS à hauteur d’un homme-an/an.
9.3.2. EPA (Hong-Kong) : encapsulation et fiabilité de microsystèmes
Une action intégrée de coopération avec le centre EPA de la City University de Hong-Kong a été mise en place par son Directeur, le Professeur Archie Yan-Cheong, et Libor Rufer. Cette action, qui couvre la période 2005-2006, vise l’étude de l’encapsulation de microsystèmes, dédiant un intérêt particulier aux aspects liés à la fiabilité. Les microsystèmes considérés visent des applications acoustiques et chimiques qui exigent, par principe, le contact avec l’extérieur. Cette action est importante pour l’équipe, car nous n’avons pas l’accès à des technologies avancées d’encapsulation de microsystèmes. Les tâches principalement visées dans ce projet sont les suivantes :
1. Conception et fabrication de microsystèmes CMOS. Nous utiliserons des techniques de micro-usinage anisotropique par la face avant et de gravure profonde (RIE) par la face
171 Surface Acoustic Wave Filter.
arrière. Les micro poutres et membranes fabriquées par ces techniques, constituées de couches diélectriques issues du procédé CMOS, ont des propriétés mécaniques adaptées aux besoins des capteurs acoustiques et chimiques.
2. Encapsulation de microsystèmes. Cette tâche inclut l’étude de faisabilité du collage électromécanique d’une puce sur différents types de substrats (verre, céramique, flex, …) par des substances adhésives conductrices ainsi qu’à l’aide de technologies de connexion électrique comme le soudage sans plomb et la technologie flip chip. Des ouvertures adaptées dans le substrat assureront l’accès depuis l’extérieur à la partie active du capteur. La hauteur des billes conductrices définira la distance finale de la puce au substrat.
3. Fiabilité de l’encapsulation. Deux aspects différents doivent être considérés ici. Le premier est l’étude de la fiabilité par le test de structures existantes ; le second est lié au développement des procédés et des matériaux. Puisque les technologies microsystèmes sont récentes, de nombreux mécanismes de défaillance sont mal compris. Il n’existe pas de tests accélérés pour la plupart des applications qui émergent. Le milieu non hermétique et le contrôle du frottement et du collage sont des aspects critiques du développement des procédés et des matériaux. Une étude de comportement des capteurs exposés aux conditions sévères comme chocs thermiques, température ou humidité élevées, vibrations, gaz agressifs, etc., sera très importante. Des modèles physiques et semi empiriques doivent être développés afin de mener une conception précise.
4. Analyse des mécanismes de défaillances des microsystèmes. Cette tâche vise la caractérisation des mécanismes de défaillance après avoir effectué des tests de fiabilité. En fait, l’estimation de la fiabilité des microsystèmes nécessite des études de la physique de défaillance (PoF173), puisque les mécanismes des défaillances spécifiques aux microsystèmes n’ont pas encore été caractérisés. La compréhension des phénomènes physiques de défaillance et des mécanismes de dégradation est compliquée par des facteurs tels que la présence de plusieurs matériaux et interfaces dans le système, et l’interaction du système avec le milieu. Les défaillances induites par l’environnement, en particulier la défaillance due aux cycles thermiques, à l’absorption de l’humidité de l’air et aux chocs mécaniques, ont un impact très important sur la fiabilité des microsystèmes. La source principale de la dégradation mécanique est le choc mécanique, tandis que l’oxydation métallique et la corrosion électrochimique sont des formes de dégradation des matériaux. Le test de la fatigue des matériaux par la soudure sans plomb s’effectuera par la mesure de la dégradation pendant le vieillissement humide. La dégradation des matériaux adhésifs s’effectuera par la mesure de la résistance de contact, résistance en cisaillement, etc.
9.3.3. CHU (Grenoble) : conception d’un microsystème de monitoring
per-opératoire dans la chirurgie de l'oreille moyenne
En oto-rhino-laryngologie (ORL), la chirurgie de l'oreille moyenne vise la reconstruction de la chaîne ossiculaire. Le but de cette chirurgie est de corriger les surdités de transmission dues à une anomalie du tympan et/ou une discontinuité de la chaîne des osselets. Il existe trois osselets chez l'homme : le marteau, l'enclume et l'étrier. Il s'agit des os les plus petits de l'organisme car il ne pèsent que quelques milligrammes et assurent diverses fonctions dont la principale est le transfert de l'énergie sonore vers l'oreille interne. De nombreuses techniques
de remplacement ossiculaire ont été imaginées ces cinquante dernières années. Il existe ainsi des bio-matériaux de remplacement, des matériaux très divers comme par exemple le Titane, l'or, les céramiques hydroxy-apatites ou des prothèses comprenant plusieurs matériaux. L'os otologue du patient peut également être utilisé.
En dépit des améliorations des techniques chirurgicales et des bio-matériaux, la chirurgie des osselets (ossiculoplastie) est difficile car les facteurs de réussite permettant de redonner une audition satisfaisante sont d'origines multi-factorielles et dépendent du type de montage, du poids de la prothèse, de sa forme, de la longueur et de la tension du montage ossiculaire. Aussi surprenant que cela paraisse, il n'y a, à l'heure actuelle, aucun moyen de monitorage per-opératoire qui permette un retour d'information pendant la chirurgie pour guider le chirurgien si le geste réalisé est conforme aux données bio-mécaniques d'une chaîne normale. Pour cette raison, il est impossible de prédire formellement un résultat d'ossiculoplastie et il n'est pas rare de voir certains montages, qui ne satisfont pas pleinement le chirurgien, donner d'excellents résultats auditifs, et à l'inverse de très bons montages ossiculaires donner des résultats auditifs très moyens.
Compte tenu de la petite taille de l'oreille moyenne et des osselets, la mise au point d'un micro dispositif pourrait permettre de vérifier si l'ossiculoplastie réalisée est optimale, garantissant un bon transfert d'énergie vers l'oreille interne. Telle est l’idée du Dr. Sébastien Schmerber du Centre Hospitalier Universitaire (CHU) de Grenoble qui a contacté le Laboratoire TIMA en vue d’étudier la faisabilité de ce type de dispositif. Pour ce faire, nous avons assisté, avec Libor Rufer et Benoît Charlot, à une séance de chirurgie dans le bloc opératoire du CHU de Grenoble. Nous poursuivons par la suite le développement d’un microsystème qui sera utilisé pour la détection des vibrations dans le domaine des fréquences audibles (1 kHz à 5 kHz). Le capteur doit être équipé d'une sonde qui facilitera l'accès à l'oreille moyenne et qui permettra le transfert de vibrations par contact direct avec la chaîne ossiculaire.
9.4. Conclusions
Les collaborations avec les fabricants de semi-conducteurs ST Microelectronics (Crolles), Atmel (St. Egrève) et Philips (Caen), nous permettent de développer des travaux de recherche dans les domaines de conception et test de circuits mixtes, de circuits RF et de MEMS RF. Le financement est proposé par le Ministère de l’Industrie dans le cadre des projets de recherche européens MEDEA+ NanoTest (4 hommes-an/an) et PICS (1 homme-an/an). Deux bourses CIFRE avec ST Microelectronics complètent ce financement. Une troisième bourse CIFRE est prévue pour 2005 dans le cadre de l’ERC174 entre ST Microelectronics et le Laboratoire TIMA.
Trois coopérations avec des Centres et Universités de Recherche ont été décrites. D’abord, le centre COMPS (Australie) finance à hauteur d’1 homme-an/an le développement d’une partie d’un processeur opto-VLSI. Puis, la coopération avec EPA (Hong-Kong) vise l’étude de la fiabilité et le packaging de microsystèmes. Ce programme inclut la visite de deux chercheurs par an et par pays avec le financement en France du Ministère des Affaires Etrangères. Enfin, une coopération avec le CHU de Grenoble a été récemment mise en place sur la conception d’un microsystème d’aide dans la chirurgie de l’oreille moyenne. Un cadre de financement pour ce projet n’a pas encore été étudié.
En résumé, nous avons pour la période 2005-2006 un financement à l’hauteur de 6 hommes-an/an, complété par des bourses CIFRE et des programmes d’actions intégrées.
Pour réaliser le programme de recherche, en plus des activités d’animation et de valorisation, l’équipe RMS compte actuellement sur dix neuf personnes : trois permanents, dont un financé par l’équipe avec un Contrat Expert INPG ; huit étudiants en thèse (dont trois financés totalement par l’équipe et deux partiellement) ; cinq stagiaires de DEA (INPG, Grenoble, 5 mois chacun), un projet fin d’études ingénieur (UPC, Barcelone, 6 mois), et deux étudiants en thèse en visite (HKUST, Hong-Kong, 6 mois ; et Université Technique de Prague, République Tchèque, 4 mois).
Nous démarrons actuellement une collaboration avec l’équipe du Professeur José Machado da Silva de l’Institut INESC de Porto, Portugal, suite à sa visite dans l’équipe RMS pendant une période sabbatique de deux mois175. Cette collaboration visera l’étude de techniques de BIST des composants d’un émetteur-récepteur de ST Microelectronics, dans le cadre du projet NanoTest. Pour finir, nous espérons mettre en place une collaboration avec le Professeur P.R. Mukund de l’Université de Rochester, USA, qui visitera l’équipe RMS pendant une période sabbatique de trois mois en 2005176. Un premier projet de collaboration a déjà été élaboré et soumis en 2004 à la NSF177 (USA), sans succès.
175 De janvier à mars 2005.
176 De septembre à novembre 2005.