L’utilisation des MEMS / MOEMS dans le secteur spatial et les intérêts / capacités du CSL dans l ’activité MEMS / MOEMS V. Rochus, Université de Liège, J.P. Collette, Ph. Lemaire, L. Renson, P. Rochus, Centre Spatial de Liège, Université de Liège.

De l'utilisation des M. O. E. M. S De l'utilisation des M.O.E.M.S., dans les applications spatiales, vers des instruments scientifiques plus compacts, plus nombreux , plus fiables , … Véronique Rochus*, Pierre Rochus† *Université de Liège, Belgium †Centre Spatial de Liège, Belgium

Quelques rappels sur les MEMS Méthodes de fabrication de la µélectronique: Micro-usinage en volume Micro-usinage en surface Structure Masse Ressort Structure bimorphe Mécanisme de déplacement pas à pas en translation ou en rotation contrôlée électriquement Mécanisme actionné par une force d ’origine * thermique * électrostatique * magnétique * piézo-électrique, magnéto-striction, photo-striction, ...

Rappels sur les MOEMS Utilisation de MEMS + éventuellement éléments optiques: surfaces optiques, µlentilles, filtres, fibres, coatings, optique diffractive ou intégrée, sources optiques, détecteurs optiques,… profil ou direction pour modifier intensité d’un faisceau optique phase ou front d’onde en déplaçant un objet (miroir) en induisant une contrainte mécanique ayant un effet optique (biréfringence) en variant la température conduisant à un effet optique (n)

Besoins de l’activité spatiale ? L’objectif à moyen et long terme de toutes les agences spatiales: Réduire des coûts et délais, sans réduire les performances et ainsi permettre les applications commerciales Cela demandera une ou des percées technologiques: matériaux structuraux nouveaux (buckytubes), ... , l’utilisation de produits de production en masse, des systèmes distribués plutôt que centralisés, des nouveaux concepts de satellites (utilisés en essaim), des composants plus légers, plus petits, plus intelligents, consommant moins, … (ASIM Application Specific Integrated Micro-instruments)

Apports potentiels des nanotechnologies au spatial

Apports des nanotechnologies au spatial INTERETS des MEMS et MOEMS pour les applications spatiales: légers (impact sur le coût de lancement et ? sur l’efficacité du système) fabrication en masse pour un faible surcoût (Redondance, seule possibilité pour une optique adaptative sophistiquée) faible consommation d’énergie robustesse : moins sensible aux vibrations : fréquences propres  1/échelle (pour géométrie et matériaux donnés) assemblage compact, précis et stable moins sensible aux variations de T temps de réponse court (forces d’inertie limitées) - pour des systèmes interférométriques, les positions des miroirs doivent être maintenues à /10. Les dilatations thermiques des systèmes macroscopiques conduisent facilement à des déformations de l ’ordre du µm tandis que pour des micro-systèmes , on peut rester facilement sour la longueur d’onde. Les déplacements venant d’accélérations parasites sont proportionnels à la masse et inversement proportionnels à la raideur ; les micro-systèmes sont donc moins sensibles aux vibrations externes. Temps de réponse court : la position peut être modulée à plus grande vitesse. On peut par exemple imaginer des modulateurs de Fabry-Perot avec une bande de fréquences de 1Mhz.

Problèmes à résoudre pour les MOEMS spatiaux Radiations: phénomène de charge électrique dans le plasma spatial ou par radiation-déposition, peut conduire à des forces électrostatiques intenses, amener les parties en mouvement en contact et risquer des problèmes de collage ou soudage à froid. SEU et latch-up currents pourraient avoir des effets plus importants. Changement de culture à adopter pour accepter et exploiter à fond les avantages des MOEMS. Problèmes d’interfaçage pour l’intégration rapide des premiers MEMS, dans les systèmes conventionnels: Connecteurs et voltage (Bus standard 28 V <--> 3 V MEMS) Softwares plus complexes Durée de vie : basses T pour certaines applications (NGST) importance des forces de surfaces (frottement, …) choix plus limité dans les matériaux Nouveaux outils de conception plus performants Coûts du conditionnement (différent des semiconducteurs car interaction nécessaire avec l ’environnement) et de l’interconnection plus élevés. Qualification à l’environnement spatial et testabilité des MOEMS : nouveaux OGSE

MOEMS pour le télescope spatial de la prochaine génération : NGST Le NGST comportera un noyau de trois instruments focaux : une caméra visible et dans le proche IR, sensible dans le domaine de 0,6 à 5 µm un spectrographe dispersif multi-objet dans l’IR proche (MOS) avec une résolution spectrale R~1000, pour une longueur d’onde de 1 à 5 m. un ensemble spectrographe à fente / camera combiné pour l’IR moyen (5 –28 m) avec R=1500 et un champ de vue de 2’  2’. En outre, un des instruments suivants peut être inclus comme quatrième équipement : un spectrographe à champ intégré (IFS) dans l’IR proche. une camera à haute résolution, optimisée pour 0,6 –1 m et capable de zoomer sur un échantillon à la pleine résolution spatiale un spectrographe à champ intégré (IFS) dans l’IR moyen

MOEMS pour le télescope spatial de la prochaine génération : NGST (2) La NASA a étudié des technologies semi-classiques, assez complexes pour réaliser ces différents instruments et notamment, les deux types de spectrographes fonctionnant dans le proche infra-rouge, nécessitent deux instruments différents ou des harwares de contrôle différents. L’utilisation d’un réseau de MEMS (micro-miroirs ou micro-fentes) permettrait non seulement de combiner les deux instruments en un seul mais constituerait un nouveau concept d’instrument utilisant un masque codé d’Hadamard.

Spectrographe (NIR) à champs intégrés du NGST Solution « classique » Les technologies «classiques» envisagées pour les spectrograhes à champs intégrés sont : des fibres optiques uniquement, un réseau de micro-lentilles seulement,  des fibres optiques couplées à un réseau de micro-lentilles. un image slicer ou d’autres concepts possibles comme spectromètre à transformée de Fourier spectromètre de Fabry-Perot Les fibres optiques couplées à un réseau de micro-lentilles et l’image slicer sont les deux concepts préférés pour le NGST.

Solution « classique » pour le masque de fente du MOS

Solution MOEMS µobturateur pour le MOS

Seconde solution µobturateur pour le MOS

Solution µmiroir pour le MOS

La mission de l'industrie spatiale Fabriquer des automates recueillant des informations et les transmettant vers des stations placées au sol. Par conséquent, l'opto-électronique et l'informatique = éléments essentiels du spatial. Amélioration exponentielle de l ’électronique, depuis 1985: les performances des composants et des systèmes sont multipliées par dix en quatre ans. Progrès financé par le développement des ordinateurs et le "marché grand public", et non plus, comme auparavant, par le "militaire" et le "spatial". --> on peut à présent concevoir, sur une puce, des sous-systèmes tels que les télémesures, les ordinateurs de bord, des instruments comme des caméras.

La mission de l'industrie spatiale (2) L'existence de ces composants super‑intégrés et de MOEMS (Micro-sytèmes opto-éléctro-mécaniques) entraînent des conséquences diverses: De nouveaux concepts de missions en particulier celui de constellations, Une constellation est un ensemble de satellites identiques, placés sur des orbites de même altitude, mais d'inclinaison et de phasages différents, et remplissant tous la même fonction, à partir de positions différentes. (Ex. actuel: constellation GPS pour le positionnement et la navigation). La miniaturisation permet d'imaginer dès aujourd'hui le passage au microsatellite dont la masse va de 10 à 100 kg et l'on peut prévoir des constellations de microsatellites ou même des nouvelles générations de nanosatellites (1 à 10 kg), de picosatellites (0.1 à 1 kg), femtosatellites (< 0.1 kg). Un satellite actuel = un véritable individu, possesseur de fonctions propres qui lui permettent de vivre et de survivre: alimentation, contrôle d'attitude, radiocommunications, etc. --> Réduction de cette personnalité par la distribution de certaines des fonctions à des constellations. Ainsi les télémesures seront envoyées à une constellation de satellites de communication remplissant le rôle de relais, comme le fait déjà le réseau TDRSS (Tracking and Data Relay Satellite System) pour la navette spatiale. Bientôt, plusieurs récepteurs GPS placés à bord d'un satellite permettront de connaître son attitude et de calculer directement les données nécessaires à son orientation. On peut donc prévoir la disparition des senseurs d'horizon et des centrales à inertie dont la fonction sera assurée par un système extérieur.

Classification des Satellites femtosat, < 0.1 kilogramme picosats < 1 kilogramme nanosatellites 1 à 10 kilogrammes microsats, 10 à 100 kilogrammes small sats, 100 to 1,000 kilogrammes standard satellites, > = 1,000 kilogrammes

Nanosat Constellation Trailblazer mission = trois satellites miniatures pour tester des technologies spatiales : de la taille d’un gros gâteau d’anniversaire, (octogone de 400 mm de diamètre et de 200 mm de hauteur), ayant la masse d’un PC de bureau, suffisamment intelligents pour voler en formation autour de la Terre, tout en testant de nouvelles technologies. Coût : $28 million Lancement 2003 (comme passager complémentaire sur un lanceur non récupérable)

Nanosat Constellation Trailblazer mission Objectif final : Réduire considérablement les tailles, masses et coûts relatifs des missions tout en augmentant les retombées scientifiques. Imaginer et concevoir des missions futures, en constellations de satellites légers (environ 20 kg), fortement miniaturisés et autonomes. Ces constellation de plus de 100 satellites autour de la Terre, pourraient contrôler les effets de l ’activité solaire qui influencent les systèmes de puissance électrique et de communications. Objectifs particuliers: valider des méthodes d ’opération de plusieurs satellites en temps que système et tester 8 nouvelles technologies, dans l ’environnement rude de l ’espace, à proximité de la Terre, à l ’intérieur de la magnétosphère. Chaque satellite déploiera après lancement des mâts télescopiques et des antennes.

Nanosat Constellation Trailblazer mission Les technologies qui seront testées en vol, sont : Un système de communication miniature pour déterminer les positions / attitudes du satellite en utilisant le GPS. Un ensemble de logiciels qui opèrent automatiquement le satellite et définit les orbites. Un composant de système de communications qui demande 1/4 du voltage habituel, 1/2 de la puissance, qui pèse 12 fois moins et qui est 9 fois plus petit que la technologie éprouvée actuellement. Une nouvelle méthode plus légère, pour connecter les lignes électriques. Un nouveau type de composant micro-electronique plus fiable et qui consomme 20 fois moins de puissance que les technologies actuellement éprouvées. Un coating adaptable dont l’émissivité infrarouge et l’absorptivité solaire peut être modifiées électriquement. Un MEMS qui permet des ajustements fins de l’attitude du satellite en utilisant 8.5 fois moins de puissance et pesant moins de la moitié que les systèmes éprouvés actuellement. Une batterie rechargeable à ion lithium qui accumule 4 fois plus d ’énergie et ayant une durée de vie plus grande pour petits satellites. Les développements mentionnés ci-dessus pourraient bien évidemment trouver des applications sur Terre.

Picosats The two orbiting picosats are to be tethered because they will communicate via micropower radios. The tether will keep them within range of each other for crosslink purposes. In addition, the tether contains thin strands of gold wire to facilitate radar tracking by U.S. Space Command. Concepts for the future involve optical communication via fiberoptic tethers and other cluster architectures for miniature satellites for which experience with tethers is useful. Picosatellites, less than one-half pound each, are shown against a coffee mug. (The Aerospace Corp.)

Picosats

Les intérêts / capacités du CSL dans l ’activité MEMS / MOEMS Activités du CSL concernées par les MEMS: Centre de Tests Coordonné de l ’ASE, pour les instruments optiques scientifiques Développements d’instruments scientifiques spatiaux Métrologie optique Ingéniérie: structures intelligentes, propulsion ionique, puissance à bord, ... Développement de produits nouveaux pouvant conduire à des spin-off (WSL)  Les plus intéressantes sont sans doutes celles auxquelles on ne songe pas actuellement.

Centre de Tests coordonné par l ’Agence Spatiale Européenne Se préparer à tester les charges utiles futures qui comprendront des MEMS Tests thermiques, optiques et dynamiques avec de très nombreux points de mesure souhaités par le client, dans un environnement difficilement accessible (propreté, encombrement, …) à ce stade des tests : ---> utilisation de nombreux capteurs MEMS, intégrés préalablement sur la structure, interrogeables et alimentables à distance et abandonnés sur la structures après tests.

Développements d ’instruments scientifiques Intégration de MEMS dans les instruments scientifiques futurs est un passage obligé: Nécessité d’outils de conception et de vérification opto-électro-mécanique car conception MEMS  un objet macroscopique (effets d ’échelle) les MEMS  solutions cherchant problèmes, déjà résolus autrement, pour plaire aux médias MEMS = solutions meilleures ou conduisant à de nouveaux concepts Capacités d ’Intégration de Tests et de qualification

Métrologie optique Le CSL développe et utilise depuis des années, des méthodes optiques, interférométriques ou autres, pour mesurer avec précision des déformations ou des formes absolues par rapport à une référence (optique), de composants optiques ou de structures spatiales dans un environnement spatial ou de structures aéronautiques,. Les méthodes utilisées sont entre autres : interférométrie dans le visible , dans l ’I.R., projection de franges, MOIRE, interférométrie holographique, interférométrie à longueur d ’onde variable. Exemple : détection de défauts dans une structure d’avion en CFRP

Camera holographique photorefractive pour métrologie par interférométrie Cristaux photoréfractifs auto-développants indéfiniment réutilisables. Métrologie des micro-déplacements d'objets diffusants alliant les performances de haute résolution de l'interférométrie holographique avec la flexibilité requise pour une utilisation conviviale dans un vaste champ d'applications. Technique dite de "Temps Réel". Miniaturisation de l'ensemble du dispositif pour aboutir à une tête optique compacte, alimentée en lumière par fibre optique, portable, d'utilisation simple et intégrant les techniques de quantification des mesures les plus courantes (décalage de phase spatial ou temporel). Adaptable : Mesure complexes (mesures des mouvements hors plan et dans le plan par ex.) Grande variété de sources laser. Grande souplesse de combinaison distance/champs de vue sans perte de résolution sur le détecteur CCD. Résolution de mesure en déplacement dépendante du champ de vue et de la configuration d’éclairement: valeurs sub-nanométrique pour des champs de vue microscopique dans la dizaine de nm dans le domaine macroscopique (1 m2). La résolution latérale est définie par le nombre de pixels du capteur CCD. Domaines d’applications: détection de défauts internes aux structures (collage, délamination, fissure…) métrologie des micro-déplacements (comportement thermo-mécanique, mesure de CET, recalage MEF, …) et des vibrations.

Holographic interferometry in pulsed illumination used of photorefractive materials (high speed recording, development and visualization up to 10 ns) full field of view vibration analysis of structure

Wavelength Scanning Interferometry Recording of ‘ temporal ’ fringes during wavelength shift in an interferometer Absolute distance measurement Resolution depends on scanning range (a fraction of equivalent wavelength L = l2/Dl) Sub-µm resolution accessible on large (meter) distance Existing set-up are monopixel and require reflective target Attempt to use matrix detector and diffuse target

Activités Structures Intelligentes  “mems” :réseau de micro-senseurs sans fils qui permet l’étude du comportement des structures, des systèmes:  applic. en génie civil, en domotique,…  “smart” sensors: instrument de très haute précision avec boucle de rétroaction pour analyse du comportement:  applic. en microbiologie,...  “health monitoring”: étude de l’état des structures pour la maintenance des systèmes complexes.  applic. en aéronautique,...

Générer des produits nouveaux conduisant à des Start-up (WSL) Chiffre d’affaire annuel attendu (5 ans): 5 à 10 Milliards de $ Esprit de l’époque de la ruée vers l ’or 10.000 scientifiques dans Universités Laboratoires de recherche 600 gouvernementaux Grosses entreprises Petites start-up