Présentes dans une foule d’objets et d’applications technologiques, les microtechniques sont l’un des fers de lance de la recherche et de l’industrie dans l’Arc jurassien. Dans les laboratoires des établissements d’enseignement supérieur du territoire, plusieurs plateformes proposent leurs équipements de pointe et les compétences de leurs spécialistes pour des projets menés aux échelles du nanomètre et du micromètre.
Héritage direct de son passé horloger, les microtechniques sont une spécialité de l’Arc jurassien franco-suisse. Conjuguant microélectronique et micromécanique à l’origine, les microtechniques se sont enrichies d’autres spécialités et ont peu à peu étendu leur champ d’application à des domaines très variés, l’horlogerie toujours, puis l’aéronautique, les transports, l’énergie, la santé, la défense, les télécommunications…
À l’intérieur de cette grande famille évoluant à l’échelle du très petit, les microtechnologies utilisent des méthodes spécifiques permettant d’atteindre la taille du nanomètre, et ne peuvent être développées que dans l’atmosphère hautement contrôlée des salles blanches.
Toutes les techniques et les sciences relatives aux microtechniques font l’objet de recherches académiques et de développements en lien avec l’industrie, dans des plateformes d’excellence installées au sein des établissements d’enseignement supérieur du territoire.
Le micromètre est une dimension charnière constituant souvent une limite, haute ou basse, aux possibilités offertes par les plateformes technologiques. À l’inverse, cette dimension s’intègre au niveau régional dans un continuum exceptionnel, des ateliers de MIFHySTO aux salles blanches de MIMENTO, pour ne citer que les plus emblématiques.
Axe horloger réalisé par décolletage dans le cadre du projet RIS3 μD² (Partenaires : Décolletage de la Garenne (DDLG), Baron S.A., IDMM, Fralsen, FEMTO-ST).
À MIFHySTO sont développés des procédés de microfabrication mécanique pour la réalisation de composants de dimensions inférieures au millimètre, avec une précision d’exécution de l’ordre du micromètre. « La demande évolue vers des pièces toujours plus petites et plus complexes, qui requièrent des savoirs à la fois scientifiques et techniques », explique Sébastien Thibaud, responsable de la plateforme comtoise. « L’une des ambitions de MIFHySTO est de transférer ces savoirs au monde industriel, de mettre ses compétences à la disposition de ce dernier. » Les étudiants de l’université de Franche-Comté et de l’ENSMM, futurs techniciens et cadres en entreprise, sont les premiers dépositaires des savoir-faire relayés à MIFHySTO.
L’entreprise virtuelle Microcorp, créée pour les besoins de leur formation, leur donne l’occasion de travailler sur des problématiques industrielles ; la participation à des challenges ou à des concours permet d’aiguiser leur motivation. Encadrés par leurs enseignants, ils ont par exemple assuré l’usinage du plus petit ballon de foot du monde : en laiton et en aluminium, des matériaux destinés à être remplacés par de l’or et de l’argent dans un autre projet, cette réplique miniature mais conforme ne mesure que 4,7 mm de diamètre.
Dans un autre domaine du jeu, un Rubik’s Cube de 5,3 mm de côté, fonctionnel, n’attend plus que la coloration de ses facettes par traitement de surface pour entrer dans le Guiness des records. La naissance de MIFHySTO date de 2011, mais son implantation définitive sur les sites de l’université de Franche-Comté, de l’ENSMM et de l’UTBM, avec des équipements financés pour partie par la région Bourgogne – Franche-Comté, s’est achevée en 2019. L’Institut FEMTO-ST, l’Institut UTINAM et le LERMPS, aujourd’hui intégré au Laboratoire interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB), sont à l’origine de sa création.
Empreinte de pignon conique dans un carbure de tungstène (W-Co). Le diamètre du cylindre est de 6mm.
À MIFHySTO, le préfixe micro se soude à toutes les opérations traditionnelles de mécanique, usinage, décolletage, fraisage, moulage, fonctionnalisation de surfaces, impression 3D, métrologie…, auxquelles s’ajoutent les traitements de surface par voie humide ou voie sèche. La microfabrication s’oriente vers le travail de matériaux nouveaux, capables de répondre aux normes instaurées depuis plusieurs années pour la protection de la santé et de l’environnement. Des laitons, alliages de cuivre et de zinc, sont remplacés par des équivalents ne contenant plus d’additifs lourds comme le plomb ou le nickel, désormais interdits. Le changement de nature de ces matériaux nécessite d’adapter les méthodes d’usinage. « Nous élaborons de nouveaux procédés en partant de l’état dans lequel le matériau doit se trouver une fois usiné : résistant, trempé, sans bavures. Le micro-usinage de matériaux très durs, tels que les carbures ou les céramiques, est actuellement en développement. Cette façon de concevoir une fabrication à rebours permet de limiter les opérations de finition et d’éviter les rebuts induits par un micro-usinage classique », raconte Sébastien Thibaud.
La caractérisation et le contrôle sont des étapes allant de pair avec toute fabrication. La tomographie à rayons X est un must en matière de micromesure, dont dispose MIFHySTO. Ce procédé non invasif permet aux spécialistes de visualiser en volume la structure interne de pièces ou de matériaux. Qualité des assemblages dans des réalisations hybrides, bulles d’air ou fissures dans des polymères ou des métaux…, les détails de composition et les moindres défauts sont restitués en images, sans dégradation des échantillons. Toutes les caractéristiques sont traduites selon une géométrie 3D sous forme de voxels, l’équivalent pour les volumes des pixels des structures planaires, à une résolution maximale de 0,4 µm.
Ces micromesures sont un moyen incomparable de s’assurer de la qualité d’une pièce ou d’un matériau par rapport aux exigences d’un cahier des charges, et de rectifier un procédé de fabrication en tenant compte des anomalies relevées. « Il est possible de mettre l’échantillon en mouvement, de regarder comment se comporte sa structure interne si par exemple on le perce de trous, on le soumet à une hausse de température ou au contact d’un fluide. » Ce tomographe à rayons X est un équipement unique en Bourgogne – Franche-Comté, et représente un investissement de l’ordre de 600 000 euros, entièrement financé par la Région. Occasionnant des frais de fonctionnement élevés et nécessitant des compétences très pointues, il est un exemple typique de l’intérêt de l’accessibilité à des moyens mutualisés pour la recherche, la formation et les entreprises.
Photo Ludovic Godard – UFC
Voilà désormais trente ans que la centrale MIMENTO offre ses équipements et ses compétences en microfabrication et nanotechnologies. Elle est l’une des cinq grandes centrales de technologie du réseau français Renatech piloté par le CNRS, et la centrale de référence pour l’Hexagone en micro-et nano-optique, micro- et nano-acoustique, microsystèmes opto- et électromécaniques (MOEMS) et microrobotique. Elle déploie ses activités sur une surface de 1 300 m², dont 865 m² de salle blanche (classe ISO 5 à 7).
Sur la longue liste des réalisations à mettre à l’actif de MIMENTO figure par exemple la fabrication de nanocapteurs en niobate de lithium intégrés dans une fibre optique pour la détection de champs électriques ; ces capteurs intéressent aussi bien le domaine de la défense, avec la mise au point de microradars, que la médecine pour la détection des signaux émis par les neurones du cerveau dans le cadre du traitement de maladies neurodégénératives. Actionneurs micrométriques intervenant dans le tri automatique de cellules biologiques, dispositifs à ondes élastiques de surface pour la détection de gaz toxiques dans l’air, cellules microfabriquées pour des horloges atomiques miniatures servant la sécurisation des communications numériques ou l’amélioration des systèmes de navigation par satellite en sont quelques autres exemples.
Drainant des activités à fort potentiel pour l’industrie de pointe, MIMENTO se dote de technologies et d’équipements les plus en phase possible avec ceux des entreprises. « Nous favorisons ainsi le transfert des nouveaux concepts que nous développons vers l’industrialisation, explique Thomas Baron, directeur de MIMENTO. Depuis quelques années par exemple, les wafers sur lesquels sont fabriqués les microcomposants sont passés de 4″ à 6″, une dimension qui correspond aux standards de l’industrie pour ce type d’applications ».
L’un des plus récents développements de la centrale est lié au projet NANOFUTUR, lauréat en avril dernier d’un EquipEx dans le cadre de la troisième vague du Programme d’investissements d’avenir (PIA3). Ce projet finance l’installation de nouveaux équipements pour la nanostructuration de la matière assistée par laser. « Ces équipements permettront d’augmenter les performances de matériaux piézoélectriques, isolants ou conducteurs déjà réalisés en 3D, et de leur apporter de nouvelles fonctionnalités », explique Jean-Claude Jeannot, directeur technique de MIMENTO. La plateforme bénéficie de financements européens par le biais du FEDER, nationaux via l’Agence nationale de la recherche (ANR) et le CNRS, et régionaux grâce au soutien des collectivités, notamment la Région, le Département du Doubs et la Communauté d’agglomérations du Grand Besançon.
Figurine de 0,3 mm de David Bowie dans le film d’animation Stardust Odyssey réalisé en 2019.
La plateforme µROBOTEX s’est à plusieurs reprises distinguée avec des réalisations montrant l’étendue de son savoir-faire en microrobotique et microscopie électronique, qui ont fait le tour du monde. Les plus emblématiques sont la construction de la maison la plus petite jamais assemblée, d’une surface de 10 x 20 µm, invisible à l’œil nu, et la réalisation d’un film d’animation mettant en scène des figurines de 0,3 mm sous les traits de David Bowie. Des démonstrations spectaculaires pour valoriser des moyens et des compétences mis au service de projets R&D dans des champs aussi variés que l’aéronautique, la défense, l’électronique, l’horlogerie, l’automobile et la médecine minimalement invasive.
MiMedI est dans ce dernier domaine l’un des projets phares de la plateforme. Mené en collaboration avec le laboratoire RIGHT et l’Établissement français du sang Bourgogne – Franche-Comté, il recourt aux possibilités offertes par les microtechniques pour automatiser la production de médicaments de thérapie innovante dans une enceinte hermétique de petites dimensions, dont l’installation est prévue, à terme, au lit du patient. Très innovant, le procédé permet de modifier et de multiplier à des fins thérapeutiques des cellules prélevées dans le sang d’un patient, puis de les réinjecter en toute sécurité dans son organisme. Forte de sept ans d’activité, la plateforme prend aujourd’hui une nouvelle envergure et devient le Centre de micro- et nanorobotique (CMNR), dont le pilotage continue à être assuré par le département AS2M de l’Institut FEMTO-ST. « Dans le prolongement de µROBOTEX, le CMNR associe la connaissance des microsystèmes, des phénomènes physiques et chimiques à l’échelle nanométrique, à la robotique et à l’automatique. C’est un environnement unique pour l’automatisation du micro-assemblage et pour la caractérisation des micro- et nanosystèmes », explique Olivier Lehmann, ingénieur de recherche au département AS2M.
La plateforme se voit attribuer de nouveaux espaces de micromanipulation et de micro-assemblage à l’air libre, ainsi qu’une nouvelle salle blanche ; des équipements supplémentaires, microscopes, robots, capteurs…, lui permettent d’étoffer son offre de service auprès des laboratoires comme des entreprises. Un microscope utilisant les principes physiques de l’holographie pour la vision en 3D d’objets de taille micrométrique, vient par exemple d’intégrer son parc machine. « La concentration de moyens dont bénéficie aujourd’hui le CMNR est exceptionnelle, elle signifie le développement important de solutions technologiques et représente un plus grand potentiel en matière de recherche. »
Le projet national TIRREX (Infrastructure Technologique pour la Recherche d’Excellence en Robotique) est le moteur autorisant cette montée en puissance. Élu au titre du programme des investissements d’avenir PIA3 / EquipEx+, il dote le CMNR d’un budget de 751 000 euros sur huit ans, que complète un financement de la région Bourgogne – Franche-Comté.
Nano-arbres d’oxyde de zinc déposés (application capteur de gaz). Photo : SURFACE
La plateforme SURFACE est dédiée à l’élaboration et à la caractérisation de matériaux en couches minces et ultraminces. Elle est née de la volonté de deux équipes de recherche du département MN2S de l’Institut FEMTO-ST, aux intérêts convergents : l’une développe des compétences en chimie, en physique des surfaces et en nanosciences, l’autre maîtrise les procédés de dépôt physique en phase vapeur historiquement déployés à l’UTBM. Ensemble, ces équipes balaient un large spectre d’épaisseurs de dépôts, et assurent un continuum entre recherche fondamentale et appliquée.
Frank Palmino, Pascal Briois et Frédéric Chérioux pilotent la jeune structure réunissant une quinzaine de spécialistes. L’une des recherches monopolisant actuellement les ressources de SURFACE concerne la production d’ammoniac de synthèse. Ce gaz est un vecteur potentiel d’énergie pour l’avenir, en particulier pour les transports : l’ammoniac ne génère que de l’eau et de l’azote lors de sa combustion, et son stockage requiert une pression de 8 bars seulement. « Mais l’ammoniac est difficile à synthétiser, une opération qui nécessite une grande quantité d’énergie ; il est nécessaire de trouver de nouvelles méthodes pour assurer une production moins énergivore », explique le chimiste Frédéric Chérioux, responsable du projet à FEMTO-ST. « La recherche porte sur les mécanismes susceptibles de casser les liaisons chimiques de la molécule d’azote, élément qui constitue 80% de l’air, pour la transformer en ammoniac, composé d’azote et d’hydrogène ».
Les expérimentations sont menées sous ultravide et à très basse température ; elles utilisent l’influence de champs électriques générés par des électrodes, qui seront spécifiquement mises au point par les ingénieurs de la centrale MIMENTO. Les microscopes à force atomique et à effet tunnel sont des équipements indispensables pour contrôler et observer les actions produites à l’échelle moléculaire. Ces réactions sont si difficiles à observer que la plateforme vient d’acquérir un microscope à effet tunnel fonctionnant à 10 kelvins, soit – 263,15 °C, une température permettant la visualisation d’atomes et de molécules isolées. « Ce microscope fonctionne en totale autonomie pour la production de froid, ce qui limite l’impact environnemental de ce type de recherche. » Ce projet soutenu par l’ANR est mené en collaboration avec l’école nationale supérieure de chimie de Paris et l’université de Vienne en Autriche.
Cœur de métier des spécialistes de la plateforme SURFACE, l’élaboration de matériaux par procédés physiques ou chimiques se décline dans de nombreuses réalisations et applications : des revêtements élaborés par dépôt physique en phase vapeur entrent en jeu dans les piles à combustible à oxydes solides fonctionnant à hautes températures, par exemple pour les besoins de l’unité d’appui et de recherche FCLab et des projets institutionnels sur le développement de cœurs de piles ; l’élaboration de matériaux thermoélectriques autorise la production d’électricité à partir de la différence de température entre deux surfaces ; la synthèse de films avec indices optiques contrôlés ou des couleurs spécifiques dans des matériaux transparents permet la mise au point de dispositifs optiques pour des partenaires académiques et industriels…
Au-delà des dépôts de matériaux, SURFACE possède les compétences pour mettre au point de nouveaux procédés. Ainsi le développement d’une machine de dépôt spécifique pour des applications en photocatalyse : « Ce procédé a été breveté par le consortium d’un projet ANR dont les personnels de SURFACE étaient membres. » L’élaboration de matériaux innovants ne saurait se concevoir sans les caractérisations nécessaires pour définir leurs propriétés mécaniques, électriques, thermo-électriques, optiques… La plateforme SURFACE possède les expertises et tous les équipements, de l’échelle atomique à l’échelle macroscopique, pour caractériser les matériaux et revêtements qu’elle développe.
Outre les projets de recherche, les équipements semi-industriels d’un parc machine estimé à six millions d’euros favorisent de nombreux partenariats avec les entreprises. « Ces moyens uniques permettent de réaliser des revêtements à la demande pour l’industrie, des prestations de service assurant à la plateforme un chiffre d’affaires annuel de 150 000 à 200 000 euros », raconte Pascal Briois. Ces dépôts à façon sont réalisés avec des délais très courts, une réactivité que les experts mettent un point d’honneur à assurer, et qui constitue un atout supplémentaire de la plateforme SURFACE.
FEMTO-Engineering favorise le transfert de technologies développées à l’Institut FEMTO-ST vers l’industrie, essentiellement dans les domaines de l’optique, de l’électronique, de l’automatique, de l’intelligence artificielle et des microsystèmes.
Créée en 2013, FEMTO Engineering fonctionne aussi comme un guichet unique, orientant les entrepreneurs vers les équipes et les structures techniques susceptibles de les aider à mener à bien leurs projets, et de répondre le mieux possible à leurs attentes. Dans le cadre de cette mission, l’objectif est de rendre plus facile l’accès aux plateformes et à la recherche, notamment aux PME. FEMTO-Engineering prend en compte aussi bien une demande de prestation qu’un projet de grande envergure à soumettre à une équipe.
Microgénérateur thermoélectrique – Réalisation HE-Arc Ingénierie Photo : patriceschreyer.com
« Nos activités comprennent la combinaison de microsystèmes thérapeutiques et diagnostiques pour la médecine personnalisée, prédictive et préventive, des implants intelligents, des dispositifs médicaux informatisés assistés par ordinateur, ainsi que le développement de systèmes pour l’assistance à la vie pour un vieillissement réussi. » Responsable du groupe de compétences Dispositifs médicaux, Philippe Potty résume dans ces lignes l’essentiel des activités medtechs menées à la Haute école Arc Ingénierie.
Les systèmes microfluidiques constituent l’un des axes de recherche développés : l’intégration de capteurs sur puces microfluidiques donne lieu à la fabrication de dispositifs permettant par exemple au personnel soignant d’analyser des gouttes de sang ou de salive pour un diagnostic rendu en quelques minutes, ou encore de composants dans lesquels sont emprisonnés des groupes de bactéries, dans le cadre de la mise au point de traitements.
Les travaux portent également sur la réalisation de capteurs intelligents portables, des dispositifs électroniques souples remplaçant avantageusement, en termes de performance et de confort pour le patient, les capteurs habituellement intégrés sur des cartes épaisses et rigides. Entrent dans ces dispositifs des électrodes sur substrats souples, capables de se courber pour épouser la forme du bras lors de la réalisation d’électrocardiogrammes, et divers capteurs de saturation d’oxygène, de température, d’analyse de sueur, de détection de taux de glucose…, pour lesquels des versions souples sont particulièrement intéressantes en pédiatrie.
Les dispositifs sans fil sont aussi dans la ligne de mire des chercheurs, dont l’un des projets actuels concerne l’intégration de capteurs dans des T-shirts pour assurer un monitoring cardiaque lors de la pratique d’activités sportives. « De tels systèmes existent déjà, mais sont très coûteux, de l’ordre de 200 à 500 francs suisses. Notre objectif est de trouver un compromis pour que la qualité de traitement du signal soit non pas la meilleure possible, mais suffisante pour cette application, et permette ainsi d’obtenir des prix plus bas, aux alentours de 15 francs », explique Philippe Potty. De nombreux autres dispositifs à dimension micrométrique sont étudiés par l’équipe, parmi lesquels figure la mise au point d’« organes artificiels », des puces microfluidiques qui réagissent comme le feraient un foie, un pancréas…, en vue de tester des médicaments.
Technologie laser pour la structuration de matériaux par usinage ou fabrication additive, technologie plasma pour le dépôt et la fonctionnalisation des surfaces, electrospinning pour la création de fibres et de membranes, photolithograhie, impression 3D pour l’élaboration de résines biocompatibles…, les équipements et la salle blanche de l’école, actuellement installés sur différents sites, devraient être réunis dans une plateforme unique, au Locle, à l’horizon 2026.
