Les systèmes microélectromécaniques (
MEMS ) sont une classe de dispositifs et systèmes miniatures fabriqués à l'aide de processus de microtraitement. Le critère principal pour créer des MEMS est leur taille. Elle ne dépasse généralement pas 1 mm. Les technologies MEMS sont un précurseur du domaine technologique relativement plus populaire, où la taille des appareils commence à 100 nanomètres.
Le terme MEMS a été inventé à l'origine pour désigner des capteurs et actionneurs miniatures agissant entre les zones électriques et mécaniques de l'appareil. Progressivement, le terme a évolué avec MEMS lui-même et a englobé une large gamme de divers microdispositifs fabriqués en utilisant un traitement micromécanique.
De même, le terme «
systèmes microélectromécaniques biomédicaux » est utilisé pour désigner la science et la technologie de la production de microdispositifs pour des applications biologiques et médicales. Il s'agit notamment de capteurs biomédicaux, d'implants, d'instruments microchirurgicaux et d'autres appareils.
L'invention du transistor ponctuel par
William Shockley ,
John Bardin et
Walter Brattain en 1947 a déclenché la création de MEMS. Le premier transistor était de la taille de 1,3 centimètres, ce qui est beaucoup plus grand que les actuels. La technologie moderne vous permet de créer des transistors d'un diamètre d'environ 1 nanomètre.
En 1954, K.S. Smith a découvert et décrit l'
effet piézorésistif - un changement dans la résistance électrique d'un semi-conducteur ou d'un métal sous l'influence d'une charge mécanique. Contrairement à l'effet piézoélectrique, l'effet piézorésistif ne provoque des changements que dans la résistance électrique, et non dans le potentiel électrique.
À la suite des expériences, il est devenu clair que le silicium et le germanium sont plus sensibles à la pression de l'air ou de l'eau que les métaux. De nombreux dispositifs MEMS, tels que les jauges de contrainte, les capteurs de pression et les accéléromètres, utilisent l'effet piézorésistif dans le silicium.
La découverte de cet effet dans les semi-conducteurs a marqué le début de la production industrielle de capteurs de pression à base de silicium. En 1959, Kulite a été le premier à mettre sa production en production.
Lors de la création de transistors, les ingénieurs ont dû faire face à des limites de taille. Chaque transistor devait être câblé au reste de l'électronique. Puis un besoin s'est fait sentir pour quelque chose qui pourrait accueillir des transistors, des résistances, des condensateurs et des fils de connexion. Un tel substrat permettrait la création de dispositifs miniatures.
Ainsi, en 1958, deux personnes - Jack Kilby de la société américaine Texas Instruments et Robert Neuss de Fairchild Semiconductor indépendamment l'une de l'autre - ont
assemblé un circuit intégré. Le circuit de Kilby était composé d'un transistor, de trois résistances et d'une capacité sur un cristal de germanium - le soi-disant "circuit solide". Le schéma de bruit a été appelé "unitaire" et a été réalisé sur un cristal de silicium.
Schéma de Kilby
En 1964,
Westinghouse Electric a assemblé les premiers MEMS en série. Dans un dispositif appelé transistor à grille résonnante, des composants mécaniques et électroniques ont été assemblés. Le transistor fonctionnait comme une sorte de filtre de fréquence - il passait des signaux électriques d'une certaine plage.
La première application commerciale du MEMS ne tarda pas à venir: dans les années 70, Kurt Peterson du laboratoire
IBM assembla un capteur de pression micromécanique, qui était utilisé dans les capteurs de pression artérielle.
En 1993,
Analog Devices est devenu le premier accéléromètre MEMS produit en série. La plupart d'entre eux étaient utilisés dans l'industrie automobile, mais au fil des ans, leur champ d'application s'est étendu aux systèmes de navigation autonomes, aux contrôleurs de jeux, ainsi qu'aux systèmes mobiles et informatiques.
Domaines d'application de la technologie MEMSAu cours des premières années de son existence, la technologie MEMS était révolutionnaire dans de nombreux domaines scientifiques, notamment la mécanique, l'acoustique, l'optique et d'autres. Au fil du temps, des solutions et des produits uniques sont apparus dans les domaines chimique, biologique et médical. Le MEMS a pénétré les appareils électroménagers et l'électronique, l'automobile, la biomédicale et l'aérospatiale.
Capteurs de pression
Les premiers appareils microélectromécaniques utilisés dans les années 1980 dans l'industrie biomédicale sont des capteurs de pression artérielle réutilisables. Les capteurs de pression MEMS modernes mesurent la pression intraoculaire, intracrânienne, intra-utérine et sont également utilisés pendant l'angioplastie.
Selon l'OMS, le glaucome est la deuxième cause de cécité après les cataractes. Les capteurs de pression implantables permettent une surveillance continue de la pression intraoculaire chez les patients atteints de glaucome. Dans un œil sain, la pression est maintenue dans la plage de 10 à 22 mmHg. Une pression anormalement élevée (> 22 mm) et ses fluctuations sont considérées comme les principaux facteurs de risque de développement du glaucome.
Cette maladie survient souvent sans aucun symptôme ni douleur perceptibles, mais peut entraîner des dommages irréversibles et incurables au nerf optique. Sans traitement en temps opportun, la vision périphérique souffre et une cécité parfois complète se produit.
Un des capteurs mesurant la PIO est illustré ci-dessous. Il s'agit d'une lentille de contact jetable avec un élément du capteur de pression MEMS. Le capteur comprend une boucle d'antenne (anneau d'or), un microprocesseur à usage spécial - une puce de 2x2 mm et des jauges de contrainte pour mesurer la courbure cornéenne en réponse aux changements de pression intraoculaire. La boucle d'antenne reçoit de l'énergie d'un système de surveillance externe et retransmet les informations au système.
Capteurs inertiels
Les accéléromètres MEMS sont utilisés dans les défibrillateurs et les stimulateurs cardiaques. Les patients souffrant de palpitations rapides ou chaotiques sont souvent les plus à risque d'insuffisance cardiaque ou de crise cardiaque.
Un stimulateur cardiaque soutient un rythme cardiaque normal en transmettant des impulsions électriques au cœur. Les appareils modernes utilisent des accéléromètres MEMS qui ajustent la fréquence cardiaque en fonction de l'activité physique du patient.
De plus, des capteurs inertiels MEMS - accéléromètres et gyroscopes - ont été utilisés pour développer l'un des fauteuils roulants iBOT Mobility System les plus inhabituels. La combinaison de plusieurs capteurs permet à l'utilisateur de contrôler le fauteuil roulant et d'ajuster la hauteur du siège, forçant la poussette à s'équilibrer sur deux roues. Ainsi, une personne en fauteuil roulant peut interagir face à face avec d'autres personnes.
Transducteurs de mesure
Les transducteurs ont trouvé leur application dans les aides auditives. Ces appareils électro-acoustiques sont utilisés pour recevoir, amplifier et diriger le son dans l'oreille. Ainsi, les aides auditives compensent la perte auditive et rendent les signaux audio plus visibles pour l'utilisateur.
Selon les statistiques, 80% des personnes souffrant d'une perte auditive partielle ou totale n'installent pas de prothèses auditives. Les raisons sont souvent la réticence à reconnaître la perte auditive et les stéréotypes sociaux associés aux idées fausses sur le port d'aides auditives. Suite à ces données, de nombreux fabricants investissent de l'énergie et de l'argent dans des appareils de miniaturisation, ce qui en même temps n'a pas compromis les performances.
Les technologies MEMS peuvent réduire le facteur de forme, les coûts et la consommation d'énergie par rapport aux solutions traditionnelles. Ainsi, par exemple, Analog Devices, dont le volume n'est que de 7,3 mm3, comprend un microphone MEMS, adapté comme aide auditive.
Systèmes microhydrodynamiques
La microhydrodynamique est un domaine de connaissances scientifiques qui examine le comportement des petits volumes et des écoulements de fluides. Un système microhydrodynamique typique se compose de: aiguilles, canaux, vannes, pompes, mélangeurs, filtres, capteurs et réservoirs.
Ces systèmes sont souvent utilisés pour effectuer des tests médicaux au chevet du patient. Ces tests et analyses jouent un rôle particulier dans les pays en développement, où l'accès aux hôpitaux est limité et les traitements coûteux. Les systèmes de diagnostic microhydrodynamique utilisent des fluides corporels (échantillons de salive, de sang ou d'urine) pour pré-préparer l'échantillon pour l'analyse, détecter le composant souhaité dans un échantillon de la substance, ainsi que pour analyser les données et afficher les résultats. L'un des systèmes microhydrodynamiques les plus connus et les plus répandus est le test de grossesse.
De plus, ces systèmes sont utilisés pour administrer des médicaments à un organe humain spécifique. Ainsi, à l'aide de micro-aiguilles, une administration percutanée de médicament est effectuée. Il existe également des systèmes d'administration implantables (pompe à insuline, stents avec médicaments) et directement des systèmes d'administration de médicaments (micro et nanoparticules).
Pour les patients atteints de diabète en 2012, un système d'administration d'insuline spécial, JewelPUMP, a été développé. La première version a été installée sur un patch cutané jetable et a fourni un approvisionnement continu en insuline au corps humain. L'ensemble du système ne pesait que 25 grammes et contenait jusqu'à 5000 unités d'insuline, ce qui était suffisant pendant 7 jours sans réapprovisionnement ni remplacement supplémentaires.
Aiguilles micromécaniques
Les technologies modernes de microtraitement permettent la fabrication d'aiguilles inférieures à 300 microns, ce qui est la limite des méthodes de traitement traditionnelles. En règle générale, une micro-aiguille MEMS mesure moins de 1 mm de long. Ils sont utilisés pour l'administration de médicaments, l'enregistrement de signaux biomédicaux, l'échantillonnage de fluides, la thérapie contre le cancer et la microdialyse.
Souvent, ces microaiguilles sont intégrées dans un appareil et sont utilisées en combinaison avec des systèmes à microcanaux. Les microaiguilles solides et creuses sont fabriquées par microtraitement à partir de silicium, de verre, de métaux et de polymères. Ils se présentent sous différentes formes - de cylindrique à octogonale.
Micro-aiguilles solides réalisées par gravure ionique réactive du silicium.
Instruments microchirurgicaux
La procédure chirurgicale mini-invasive est conçue pour fournir un diagnostic, une surveillance ou un traitement des maladies en effectuant des opérations avec de très petites incisions ou même à travers des ouvertures naturelles sur le corps humain. Les avantages d'une telle chirurgie par rapport à la chirurgie ouverte traditionnelle sont moins de douleur, des dommages tissulaires minimes et le nombre de cicatrices, une récupération rapide après la chirurgie et souvent un coût inférieur pour le patient.
Les procédures générales pour la chirurgie mini-invasive comprennent l'angioplastie, le cathétérisme, l'endoscopie, la laparoscopie et la neurochirurgie. Les instruments microchirurgicaux à base de MEMS sont les technologies les plus appropriées en chirurgie mini-invasive.
Ainsi, pour effectuer une procédure d'angioplastie conçue pour rétablir un flux sanguin normal à travers les artères bloquées, des stents cardiaques sont utilisés. Ils sont introduits dans le vaisseau sanguin à travers un cathéter pour dilater le vaisseau. Il existe deux principaux types de stents: les stents en métal et les stents en polymère. Les stents en polymère, à leur tour, sont divisés en résorbables et non résorbables. De toute évidence, les premiers sont plus attrayants car ils peuvent se dissoudre à l'intérieur du corps après avoir terminé leur mission.
Plus de 50 ans se sont écoulés depuis la première production en série de MEMS. Pendant ce temps, la technologie biomédicale MEMS est fermement entrée dans nos vies: avec son aide, il est devenu possible d'aider les personnes handicapées, de traiter des maladies graves et de mener des opérations chirurgicales sûres. La technologie continue de se développer rapidement grâce à la création et à la découverte de nouveaux matériaux, ce qui permet de réduire la taille des MEMS et ainsi d'élargir le champ d'application de leur application.