prospectives dans les micro et nano systemes - CNRS

Composition du Comité d'Experts Micro et Nano Systèmes : .... destinées à améliorer la situation actuelle, à intensifier des efforts en cours et à renforcer des .... Ils doivent donc en supporter les contraintes (température, pression, vibrations ,?). ..... qui sont encore plus accentués pour les nano systèmes électromécaniques.

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un extrait du document


RAPPORT DE PROSPECTIVE SUR LES
MICRO ET NANO SYSTEMES
Auteur : Comité d'Experts Micro et Nano Systèmes du CNRS-STIC Composition du Comité d'Experts Micro et Nano Systèmes :
- Alain BOSSEBOEUF
- Lionel BUCHAILLOT
- Nicolas CHAILLET
- Dominique COLLARD
- Pascal FOUILLAT
- Katia GRENIER
- Xavier GRISON
- Anne-Marie GUE
- Jean-Louis LECLERCQ
- Bruno LE PIOUFLE
- Pascal NOUET
- Francis PRESSECQ
- Gilbert REYNE
- Jean-Louis VIOVY Le comité en Micro et Nano Systèmes (CE) a été constitué le 15
décembre 2004, suite à la volonté du département STIC du CNRS de
s'appuyer dorénavant sur ces comités d'experts pour définir sa
politique scientifique.
Ce comité s'est constitué très rapidement afin de couvrir de
manière cohérente les thématiques scientifiques liées aux micro et
nano systèmes, et qui étaient jusqu'alors éclatées dans 3 (ex)
réseaux thématiques pluridisciplinaires, pour mémoire :
- RTP 43 (RMBC : Micro et Nano technologie pour la biologie et la
chimie),
- RTP 45 (DETECOM : Micro et Nano Systèmes de Détection et de
Communication)
- RTP 44 (Microrobotique), partie relative aux microsystèmes.
Les membres du comité ont été désignés par la direction du
département STIC sur proposition de Dominique Collard.
Ce comité d'experts s'efforce d'être une structure efficace et
réactive sur laquelle le CNRS puisse s'appuyer pour bâtir sa
stratégie scientifique. Pour ce faire, ce comité s'est donné comme
mission :
- de bâtir la prospective scientifique (ce présent rapport en est
la première synthèse),
- d'être une force de proposition (appels d'offres,...),
- de réaliser l'interface entre les industriels et le département
scientifique,
- d'agir avec les communautés du même type en Europe (Réseau
d'Excellence),
- d'être l'interlocuteur pour la veille stratégique,
- de définir les contours d'un GDR Micro et Nano Systèmes.
Depuis décembre 2004, le comité s'est réuni au rythme d'une journée
par mois. Les journées de travail ont fait alterner des séances de
prospectives internes et des interviews d'industriels. Le comité a
également participé avec une grande réactivité aux manifestations
liées à l'exposition et au colloque "zoom sur les micro et nano
systèmes" durant tout le mois de mars 2005 au siège du CNRS. Elle
est depuis présentée dans diverses régions de France et l'a été en
particulier dans le cadre de l'année de la physique 2005.
Le comité a initié son travail de prospective autour de cinq
domaines applicatifs :
. Communications avancées
. Biologie et santé
. Transport, aéronautique et spatial
. Environnement intelligent
. Micromanipulation et robotique.
L'approfondissement de chacun de ces domaines a mis en relief des
problématiques scientifiques communes. Ce sont ces problématiques
qui structurent ce rapport. Celui-ci propose une synthèse des
conclusions partielles du comité intégrant les messages des
intervenants extérieurs.
Table des matières : I - Introduction 6 II - Besoins 7
Apports des Micro et Nano Systèmes 7
Synthèse des besoins end-users 9 III - Problématiques scientifiques 10
Architecture systèmes et conception 10
Recommandations : 11
Matériaux et Procédés 14
Recommandations 16
µEnergie 17 Micro-Energie, Micro-Sources : un verrou essentiel à faire
sauter 17 Conversion et gestion de l'énergie, Alimentations intégrées 19
Recommandations 19
Technologies d'assemblage 21
Recommandations 22
Test / Sûreté de fonctionnement / Fiabilité 23
Fiabilité 23
Caractérisation et test 24
Sûreté de fonctionnement 25
Composants 27
Composants pour les communications 27
Détection chimique et biologique 28
Composants pour la microfluidique 29
Microcapteurs physiques 30
Micro/nanorésonateurs 30
Microdispositifs de test 30
Communication 32
Recommandations : 34 IV - Analyses 35
Forces et faiblesses 35
Faiblesses et voies d'amélioration : 35
Forces : 36
Nano 37
Recommandations : 39
Mesures à mettre en place : 39 I - Introduction Le rapport est structuré en trois parties :
La première de ces parties montre où peut se situer l'apport des
micro et nano systèmes, et elle présente également une synthèse des
entretiens menés avec des utilisateurs finaux de ces micro et nano
dispositifs.
La seconde partie est le c?ur du rapport, il s'agit d'une
présentation prospective des problématiques scientifiques
assorties, lorsque cela a pu être fait, de recommandations
destinées à améliorer la situation actuelle, à intensifier des
efforts en cours et à renforcer des axes de recherche émergents.
Le Comité a analysé les forces et faiblesses du domaine des micro
et nano systèmes en proposant, pour ces dernières, des voies
d'amélioration. Les fruits de cette réflexion sont présentés dans
la troisième partie.
Enfin, l'apport conceptuel des microsystèmes dans les
nanotechnologies et la transition micro-nano ont été discutés dans
la dernière partie qui aborde les aspects solide et fluide.
N.B. Dans sa version électronique, la table des matières permet un
lien actif vers la partie du rapport que l'on souhaite consulter. II - Besoins
Apports des Micro et Nano Systèmes Les avantages des micro, voire des nano systèmes sont connus.
Le premier, et le plus important de ces avantages, est la
miniaturisation. À fonction équivalente, les microsystèmes
apportent un gain en volume et en masse. Inversement, ils
permettent de réaliser plus de fonctions dans le même volume.
Un deuxième avantage, plus souvent négligé mais important, est la
réduction de la consommation : du fait des faibles masses mises en
jeu, voire de nouveaux modes d'actionnement (électrostatique par
exemple), la consommation des microsystèmes est souvent inférieure
à celle du système équivalent (même si cela peut se faire au prix
d'une diminution du rendement).
La réduction du coût est également souvent mise en avant, en raison
des techniques de fabrication collectives caractéristiques des
microsystèmes, qui permettent de diminuer très fortement le coût
unitaire des pièces produites. Toutefois, ceci n'est valable que
pour des forts volumes de production (centaines de milliers de
pièces par an ou plus). En dessous de ces quantités, la réduction
du coût de production est moins sensible, et elle est en outre en
partie occultée par le coût de développement, qui est important
quelle que soit la taille de la série de production.
Enfin, il est possible que ces systèmes présentent une meilleure
robustesse que leurs équivalents macroscopiques, en raison d'une
part de leur faible taille (masses mises en jeu en diminution plus
rapide que la raideur), et d'autre part de l'utilisation de
matériaux proportionnellement beaucoup plus robustes (car
monocristallins, par exemple). Ceci reste toutefois à quantifier.
Au delà de ces propriétés que l'on peut qualifier d'intrinsèques,
les micro et nano systèmes impactent fortement la conception des
systèmes dans lesquels ils sont présents. Ainsi grâce aux
propriétés énoncées ci-dessus, il est possible de changer
totalement les architectures systèmes : la notion de redondance
peut être poussée à l'extrême, une gestion centralisée peut laisser
la place à une approche décentralisée basée sur des éléments
autonomes et communicants, les traitements mêmes sophistiqués
peuvent se faire au plus près de la mesure/commande et permettre un
fonctionnement en réseau.
De la même façon, la diversité des matériaux, leur assemblage et
leur taille permet de revoir complètement la physique des mesures
ou les techniques d'actionnement : amélioration des performances
des capteurs par l'utilisation de nouveaux matériaux et le
traitement associé au plus près de l'élément sensible, utilisation
d'actionnement élémentaire à des fins d'isolation électrique ou de
déplacement,... Il faut noter qu'un microsystème n'est pas une
réduction d'échelle d'un système macroscopique, mais bien une
conception nouvelle de la fonction souhaitée, tirant parti des
nouvelles caractéristiques accessibles ou de nouveaux principes de
transduction (rapports surface/volume très importants, par
exemple). Cette remarque vaut également pour le passage micro-nano. Synthèse
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