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Prêtes pour la production

Mathilde Fontez
Prêtes pour la production

Les microbatteries du CEA mesurent entre 15 à 20 µm d'épaisseur et s'intègrent sur des wafers. Il reste juste à optimiser leur production...

© D.R.

Les procédés sont en cours d'optimisation et de fiabilisation. La microbatterie s'apprête à faire son entrée dans le monde très compétitif de la microélectronique.

On reconnaît une microbatterie à... sa taille. Il s'agit d'une batterie sur le même modèle que les grosses, mais qui ne mesure que quelque 15 à 20 micromètres d'épaisseur. Pas plus. « Au-delà, il s'agit de minibatteries, c'est-à-dire de technologies qui n'ont rien à voir, ni en termes de conception ni en termes d'applications », prévient Alain Levasseur, chercheur au groupe énergie de l'Institut de chimie de la matière condensée (ICMC) de Bordeaux.

Cette distinction a son importance car la principale application des microbatteries est claire : la microélectronique. En premier lieu, l'alimentation des RTC (Real time clocking). Il s'agit des horloges internes des ordinateurs et autres téléphones portables qui prennent le relais lorsque la batterie principale est totalement déchargée. Elles alimentent les circuits électroniques dans le but de garder en mémoire certaines informations comme l'heure, la date, les numéros de téléphone, etc. À l'heure actuelle, des piles boutons jouent ce rôle. Mais elles sont surdimensionnées par rapport au besoin réel, ne se rechargent pas et, surtout, elles s'intègrent mal au processus de fabrication des composants électroniques. « Elles sont ajoutées et connectées manuellement une fois que les circuits sont conçus, ce qui est très coûteux », précise Brigitte Pecquenard, également chercheuse au groupe énergie de l'ICMC, spécialisée dans les matériaux pour batterie.

Intégrer la microbatterie au circuit intégré

La microbatterie est la solution, car elle peut être considérée comme un simple composant électronique. Restait à vérifier sa compatibilité pour pouvoir l'intégrer dans un dispositif... C'est chose faite. « Les microbatteries actuelles collent parfaitement aux besoins en termes de taille et de performance », assure Brigitte Pecquenard.

L'heure n'est donc plus à la recherche fondamentale en laboratoire mais bien à la préparation de la production. C'est dans cet objectif que, dès juin 2007, le Liten (laboratoire du CEA) et STMicroelectronics ont créé un laboratoire commun, en collaboration avec l'Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux. Le challenge est de taille : il s'agit d'insérer les microbatteries dans les circuits intégrés et d'optimiser les coûts de fabrication. Actuellement, elles sont fabriquées suivant un processus de dépôt par condensation de la vapeur - appelé PVD (Physical vapor déposition). Il s'agit d'un procédé physique un peu différent du dépôt chimique de couches minces, utilisé dans l'industrie de l'électronique. « Mais nous travaillons à intégrer complètement la microbatterie au circuit intégré, et à la fabriquer avec les mêmes procédés qu'un simple transistor », relate Frédéric Le Cras, chercheur au Liten.

«Pour cette application, le marché est énorme », s'enthousiasme Brigitte Pecquenard. Et déjà les premières microbatteries sur wafer silicium sont réalisées. Elles atteignent des performances de 100 µAh/cm2 sous 2 à 2,5 V, ce qui est tout à fait acceptable. « Pour stocker de l'information, il n'y a pas besoin d'une grosse quantité d'énergie. Quelques dizaines de micro-ampères peuvent suffire », confirme Alain Levasseur. Reste à fiabiliser la fabrication semi-industrielle dans le but d'atteindre un taux de rebut le plus faible possible et d'augmenter les performances d'un facteur 2 à 3...

Le Liten et STMicroelectronics sont bien positionnés dans la course. Mais la France n'est pas seule sur ce terrain. Chacun sa recette. La microbatterie made in France est composée d'une anode en lithium sous forme métallique, d'un électrolyte solide en borate de lithium et d'une cathode en oxyde de titane. Aux États-Unis, la formule retenue consiste en une anode en lithium métallique, un électrolyte en phosphate de lithium (souvent appelé lipon) et une cathode en oxyde de cobalt, c'est-à-dire la cathode la plus couramment utilisée pour fabriquer les batteries lithium-ion de taille normale. Signe de l'émulation du secteur, des dizaines de start-up se sont lancées dans la fabrication de microbatteries : Oak Ridge Micro-Energy, Excellatron, Infinite Power Solutions, Front Edge Technology... Mais aucune ne semble encore en mesure de pouvoir produire en série. Du côté de l'Asie, enfin, rien ne filtre. « On sait que le Japon et la Corée, notamment, travaillent sur ces sujets. Mais ils publient très peu de résultats, il est donc difficile de savoir où ils en sont », regrette Alain Levasseur.

Pour des microcapteurs de pression

Après avoir intégré téléphones, ordinateurs portables et plus généralement, toutes les applications nomades, les microbatteries pourraient envahir de nombreux secteurs. Celui du médical notamment. Des groupes de recherches travaillent sur des implants, comme des neurostimulateurs, ou des capteurs pour contrôler la glycémie des diabétiques. Mais attention, « une microbatterie ne pourra jamais alimenter un pacemaker », prévient Alain Levasseur. Les puissances en jeu sont effectivement bien trop élevées pour le microcomposant. Pour la même raison, les microbatteries seront incapables d'alimenter un transfert de données à longue distance. Un relais sera toujours nécessaire, à un mètre du capteur, pour garantir la transmission des données.

Malgré ces limitations, la microbatterie a tout de même de l'avenir dans le domaine des capteurs. Des microcapteurs de pression ou de rejets de gaz d'échappement pour l'automobile, des capteurs de température sur étiquettes dans l'alimentaire, pour contrôler le transport des médicaments ou des aliments...

Enfin, le domaine des cartes à puces pourrait bien gagner en sécurité avec l'arrivée des microbatteries. Actuellement, la puce d'une carte de crédit, par exemple, ne s'autoalimente pas. Elle ne fonctionne qu'une fois activée par le distributeur. L'ajout d'une microbatterie pourrait permettre, par exemple, d'y ajouter des programmes de sécurité : un mécanisme d'autodéfense qui vise à sécuriser les données en les effaçant en cas de menaces, ou une horloge interne pour dater les éléments contenus dans la puce.

ENCORE PLUS PERFORMANTES : LES MICROBATTERIES 3D

« On pourrait toujours améliorer les performances des microbatteries, mais attention, il faut avoir en tête les applications industrielles. Elles posent des contraintes très sévères », prévient Brigitte Pecquenard, chercheuse sur les matériaux pour batterie à l'ICMC de Bordeaux. De nouvelles pistes sont néanmoins explorées en laboratoire et l'une d'elles est particulièrement prometteuse : la microbatterie en trois dimensions. Autre possibilité : substrat poreux pour avoir des architectures en trois dimensions. Il s'agit d'utiliser un électrolyte en forme de nid-d'abeilles. Et dans chaque trou, on dépose alternativement une cathode et une anode. La surface de réaction par rapport au volume global de la batterie est ainsi augmentée et on peut espérer stocker plus d'énergie.

DU SUR-MESURE POUR LES CIRCUITS INTÉGRÉS

Étapes de dépôts successives Encapsulation (couche métallique) Encapsulation (couche isolante électronique) Électrode négative - lithium (bleu) Électrolyte solide (jaune) Électrode positive (rouge) Collecteur de courant métallique Couche barrière Couche isolante électronique (SiO2) Substrat (wafer de silicium)

UNE BATTERIE À BASE DE VIRUS ?

Une équipe du MIT dirigée par le Dr Paula Hammond vient de franchir une étape dans la conception de batteries de quelques micromètres de diamètre : elles sont fabriquées grâce à une culture de virus modifiés. L'équipe a cherché à reproduire le schéma classique d'une batterie composée de deux électrodes séparées par un électrolyte, en employant une technique appelée lithographie douce. Sur un matériau vierge, les chercheurs ont déposé plusieurs couches constituées de deux polymères qui font office d'électrolyte, sur lequel se trouvent des virus dont les gènes ont été modifiés. Il s'agit de former une couche de protéines, laquelle pourra collecter des molécules de cobalt et faire office d'anode. « Cette technologie pourrait trouver des applications dans le domaine médical, elles pourraient être intégrées dans des organismes biologiques », envisage Paula Hammond. Reste à concevoir... la cathode de la batterie. L'équipe envisage d'utiliser une culture de virus différente. À suivre.

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