Conception, fabrication et caractérisation d'un capteur de conductivité thermique à base de nanofils de silicium PDF Download
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Les nanofils semiconducteurs sont aujourd'hui le sujet de nombreuses recherches pour leurs propriétés physiques intéressantes. S'appuyant plus spécifiquement sur les propriétés thermiques des nanostructures, l'objectif de cette thèse est de démontrer la faisabilité d'un capteur de conductivité thermique conçu à partir de nanofils de silicium pour des applications en tant que jauge Pirani ou détecteur de gaz. Le travail réalisé aborde les questions posées par la réduction de taille des objets telles que l'augmentation du bruit ou la conduction thermique en régime de raréfaction et élabore des solutions à ces problématiques. Le manuscrit aborde l'ensemble des étapes nécessaires à la réalisation d'un capteur, à savoir la conception des dispositifs, s'appuyant sur une étude détaillée du comportement physique des objets utilisés, la fabrication sur plaque 200mm de ces capteurs par la salle blanche du CEA-Leti en ayant recours aux techniques classiques de la microélectronique et enfin leur caractérisation en tant qu'instrument de mesure de pression (jauge Pirani) ou en tant que capteur de concentration de gaz. Le travail réalisé s'intègre dans un projet plus global de réalisation d'un système de détection de gaz portatif pour l'analyse de l'air ou de l'eau.
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Les nanofils semiconducteurs sont aujourd'hui le sujet de nombreuses recherches pour leurs propriétés physiques intéressantes. S'appuyant plus spécifiquement sur les propriétés thermiques des nanostructures, l'objectif de cette thèse est de démontrer la faisabilité d'un capteur de conductivité thermique conçu à partir de nanofils de silicium pour des applications en tant que jauge Pirani ou détecteur de gaz. Le travail réalisé aborde les questions posées par la réduction de taille des objets telles que l'augmentation du bruit ou la conduction thermique en régime de raréfaction et élabore des solutions à ces problématiques. Le manuscrit aborde l'ensemble des étapes nécessaires à la réalisation d'un capteur, à savoir la conception des dispositifs, s'appuyant sur une étude détaillée du comportement physique des objets utilisés, la fabrication sur plaque 200mm de ces capteurs par la salle blanche du CEA-Leti en ayant recours aux techniques classiques de la microélectronique et enfin leur caractérisation en tant qu'instrument de mesure de pression (jauge Pirani) ou en tant que capteur de concentration de gaz. Le travail réalisé s'intègre dans un projet plus global de réalisation d'un système de détection de gaz portatif pour l'analyse de l'air ou de l'eau.
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Depuis le début du troisième millénaire, des domaines comme l'automobile, le médical, l'industrie agroalimentaire ou l'électronique grand public (smartphone, ordinateur, Hi-fi etc.) sont devenus de plus en plus demandeurs de puces électroniques. Les besoins ont évolué de sorte que la diversification des fonctions des puces électroniques est devenue le nouveau paradigme de la microélectronique. Dans le même temps, des objets biologiques ayant des propriétés très diverses et très spécifiques sont découverts et étudiés. Certains sont conceptuellement considérés comme des solutions ultimes pour répondre à certains défis de l'électronique moderne comme l'utilisation d'origami d'ADN pour la lithographie. De plus il existe une adéquation entre les dimensions des objets biologiques et les transistors les plus fins. Nous nous sommes donc posé la question de savoir si cette convergence d'échelle pouvait permettre la cohabitation de l'électronique et de la biologie pour créer des dispositifs hybrides. Nous avons d'abord étudié l'utilisation d'objets biologiques filiformes comme interconnexions nanométriques. Dans ces recherches des objets biologiques sont utilisés en substitution de matériaux classiques. Toutefois il est loin d'être évident de mesurer leurs propriétés électroniques (mobilité des charges, fiabilité) contrairement aux semi-conducteurs standards. Nous avons donc construit un dispositif de tests électriques facilement utilisable par les biologistes et les électroniciens pour la caractérisation électrique de ces objets biologiques nanométriques. Certains objets biologiques réalisent, de manière naturelle, des interactions ciblées avec des agents biologiques spécifiques parfois pathogènes ou dangereux, ils ont aussi l'avantage de pouvoir être fabriqués à façon comme les protéines. Cela permet d'ouvrir une nouvelle voie dans la fabrication de capteurs dans laquelle les objets biologiques seront interfacés avec les structures électroniques. Nous avons donc travaillé sur la fabrication d'un capteur hybride à base de nanofils de silicium pilotés par un circuit CMOS et permettant un interfaçage entre nanofil et objet biologique. Dans le domaine des capteurs il existe une application qui focalise actuellement beaucoup l'attention, la détection de charges électriques de faibles intensités. Il existe plusieurs techniques mais elles sont toutes perfectibles soit à cause de leur coût soit à cause du temps nécessaire à la réalisation du séquençage soit encore à cause de la difficulté de mise en œuvre du séquençage. Nous avons donc étudié la possibilité de détecter une charge électrique unique. Etant donné la complexité de la question nous avons décidé de répondre à l'aide d'une série de simulations.
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Le développement récent des nanotechnologies a apporté un renouveau dans le domaine de recherche de la thermoélectricité. Ces dernières années, de nombreux travaux théoriques et expérimentaux ont montré qu'il était possible d'améliorer grandement le facteur de mérite ZT en utilisant des structures semi-conductrices de basse dimensionnalité. Plus particulièrement, les nanofils de Silicium ont été présentés comme de bons candidats pour des applications thermoélectriques. De nombreuses études ont effectivement souligné le fait qu'il est possible de réduire la conductivité thermique au sein des nanofils sans altérer le transport électrique, ce qui va bien évidemment dans le sens d'une amélioration du facteur de mérite. Cependant, il existe peu d'études expérimentales permettant de confirmer ces affirmations. Ici, nous proposons des expériences de microscopie thermique à balayage permettant d'effectuer de l'imagerie thermique de nanofils individuels avec une résolution spatiale de l'ordre de 100nm. A partir des images réalisées et d'un modèle décrivant le comportement thermique de la sonde utilisée, nous déterminons la conductivité thermique des nanofils caractérisés. La technique de mesure proposée est actuellement la seule permettant d'effectuer une mesure thermique statistique sur un grand nombre de nanostructures de type nanofil. Nous validons également la faisabilité d'une mesure de conductivité électrique de nanofils individuels par une technique de microscopie de résistance d'étalement. La conductivité électrique est également un paramètre déterminant, à prendre en compte dans l'évaluation du facteur de mérite thermoélectrique.
Author: François Vaurette Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 20
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Cette thèse porte sur l'étude de nanofils silicium réalisés par approche top-down. Elle s'inscrit dans le contexte de la miniaturisation des composants et la compréhension du transport dans les systèmes 1D. Deux voies de fabrication sont envisagées: la lithographie par AFM (Microscope à Force Atomique) et la lithographie électronique. Cette dernière étant plus reproductible, les dispositifs finaux sont fabriqués par cette technique, à partir d'un substrat SOI et plusieurs étapes de gravure et métallisation. L'étude des nanofils par mesures l(V) nous permet de mettre en évidence une zone déplétée à l'interface Si/SiO2 natif. Grâce à l'utilisation de nanofils de largeurs et de longueurs différentes, nous sommes capables de déterminer la largeur de la zone déplétée, la densité d'états d'interface ainsi que le niveau de dopage des nanofils. L'évolution de la résistance des nanofils avec la température est également étudiée et montre une dépendance associée à la diffusion des phonons de surface. Trois applications sont ensuite décrites : un décodeur, un commutateur de courant et un capteur biologique. En effet, la gravure locale des nanofils conduit à une modulation de la bande de conduction, rendant possible la réalisation d'un décodeur. D'autre part, la fabrication de croix à base de nanofils et de grilles latérales à proximité des croix qui contrôlent le passage du courant dans les différentes branches permet de former un commutateur de courant. Enfin, grâce au rapport important de la surface par rapport au volume des nanofils et leur bonne fonctionnalisation chimiques, ceux-ci sont utilisés pour détecter électriquement des interactions biologiques (détection de l'ovalbumine).
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Les systèmes multi-capteurs intelligents de gaz (ou nez électroniques), sont déjà déployés dans des domaines aussi divers que la parfumerie, l'industrie alimentaire, la surveillance de l'environnement et à des fins militaires et médicaux. La collaboration engagée dans le cadre du Projet Européen SNIFFER, s'est focalisée sur le développement d'un système type nez-électronique innovant basé sur des capteurs MEMS combinés à des bio-récepteurs olfactifs pour la détection de substances illicites. Dans un autre contexte et ce, dans une démarche interne à ESIEE-Paris, nous avons aussi choisi d'élargir le sujet à la conception d'un système multi-capteurs pour une application en détection de composés organiques volatils.Ainsi, dans la perspective d'une amélioration des technologies par l'utilisation de capteurs MEMS, cette thèse traite de la conception, la fabrication et la caractérisation de capteurs de type micro-poutre résonante en silicium et en diamant et également de la preuve de concept d'un système multi-capteur pour la détection de gaz. Si le choix du silicium en tant que matériaux pour la fabrication de nos capteurs a pour avantage l'énorme éventail de connaissances disponible, le diamant fait sa place dans le monde de la microtechnologie grâce à ses remarquables propriétés physiques et chimiques. Même si certaines études portant sur le développement de dispositifs et de procédés MEMS en diamant sont décrites dans la littérature, une comparaison entre les performances des deux matériaux pour le développement d'un même capteur n'a jamais été étudiée. En conséquence, cette thèse est axée sur l'utilisation de ces deux matériaux pour la conception de micro-poutres résonantes, afin d'établir des éléments de comparaison pour les deux technologies.Dans un premier temps, nous avons mis en place des procédés de micro-structuration du diamant développés auparavant dans notre laboratoire afin de les optimiser pour une fabrication totalement compatible avec les techniques de salle blanche et indépendante des variations des conditions de synthèse du diamant. Nous avons, pour la première fois, réalisé des micro-poutres en diamant avec des jauges en silicium polycristallin intégrées. Nous avons caractérisé le module d'Young du diamant en utilisant deux méthodes différentes aboutissant dans le cas le plus précis à la valeur de 1080 GPa. Ensuite, la sensibilité massique des poutres en silicium et en diamant fabriquées a été évaluée. Dans le meilleur des cas, et pour des fréquences de résonance très proches, les poutres en silicium présentent une sensibilité de 89 Hz/ng tandis que pour les poutres en diamant, la sensibilité s'élève à 212 Hz/ng. Nous avons également observé que pour des faibles variations de masse, l'impact de l'ajout de masse sur le coefficient de qualité des poutres était plus critique pour les structures en silicium.Finalement, une preuve de concept de l'utilisation du système multi-capteur à base de micro-poutres en silicium et en diamant pour la détection de composés organiques volatils a été mise en place. Nous avons démontré la détection de plusieurs composés dans des concentrations de l'ordre de la dizaine de ppm de manière totalement automatique et sans recours à des instruments de mesure. Les résultats de ces détections forment une base de données à partir de laquelle nous avons, par l'application de méthodes statistiques multivariées, abouti à la discrimination des composés testés.
Author: Hayat Zaoui Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Les propriétés thermiques des nanomatériaux offrent une palette variée de comportements. Parfois, le transfert thermique est dégradé comparé à l'échelle macroscopique, produisant un échauffement dans les nanodispositifs électroniques et une augmentation de l'efficacité des modules thermoélectriques. D'autres fois, la conductivité thermique atteint des niveaux supérieurs à ceux des matériaux massifs. Cette thèse étudie le transport de chaleur dans des nanostructures de silicium par simulation à l'échelle atomique. La méthode de la dynamique moléculaire est utilisée dans un cadre original basé sur l'exploitation de transitoires de température, la dynamique moléculaire d'approche à l'équilibre (AEMD i.e. Approach-to-Equilibrium Molecular Dynamics). Après avoir présenté et illustré l'AEMD dans le cas du silicium massif, nous étudions la conductivité thermique de nanofils lisses en fonction de leur diamètre et de la longueur. Nous montrons que le profil de température est conforme à l'équation de la chaleur et que la conductivité thermique des nanofils sature à grande longueur. Nous étudions ensuite l'effet d'une nanostructuration par évidement et de la rugosité de surface. Nos résultats sont comparés à une approche de simulation alternative pour explorer le poids relatif des collisions phononiques internes et surfaciques. Enfin, nous nous intéressons à la conductivité thermique de membranes de silicium nanostructurées fabriquées au sein du laboratoire. Nous montrons que, pour réduire davantage la conductivité thermique et ainsi augmenter l'efficacité de conversion d'un dispositif thermoélectrique, il faudra davantage de nanostructuration que des évidements cylindriques.
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Les capteurs de gaz à base d'oxydes métalliques connaissent un engouement croissant pour des applications industrielles, militaires et environnementales. Néanmoins, ces capteurs se montrent peu sélectifs et nécessitent des températures de travail élevées pour obtenir une bonne sensibilité. La nanostructuration des matériaux permet d'augmenter la surface de réaction entre le gaz et le matériau hôte, améliorant ainsi la performance du capteur. ZnO est un semi-conducteur à large gap direct (3,37 eV) possédant de nombreuses propriétés physico-chimiques intéressantes, et aussi un matériau très prometteur pour les capteurs de gaz de type oxyde métallique. L'Elaboration de nanostructures de ZnO a conduit à un grand nombre d'études pour divers domaines d'applications. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif la synthèse des réseaux de nanofils de ZnO par voie hydrothermale et l'étude de leurs propriétés de détection. La première partie de ce travail porte sur l'étude systématique des différents paramètres influençant la synthèse des nanofils de ZnO. Les résultats montrent que la température de croissance, le pH de la solution et le temps de croissance influent sur la morphologie des nanofils de ZnO. Des nanofils avec un facteur d'aspect proche de 30 ont été obtenus sous conditions d'élaboration optimisées. La seconde partie de ce travail consiste en l'étude des propriétés de détection de nanofils de ZnO, par des méthodes électrique et optique. Les mesures électriques montrent une variation de résistance des nanofils, tandis que l'absorption UV révèle un déplacement du bandgap en présence du gaz. Une diminution de la résistance et un blue-shift de bandgap ont été observés lors de la présence d'un gaz réducteur tel que l'éthanol.
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LE TRAVAIL DE RECHERCHE PRESENTE DANS CETTE THESE EST CONSACRE A L'ETUDE DE NOUVEAUX MATERIAUX ET DISPOSITIFS DE MESURES THERMIQUES POUR LA CONCEPTION ET LA REALISATION DE MICROCAPTEURS ET MICROSYSTEMES BIOMEDICAUX. LES BIOCAPTEURS THERMIQUES, BASES SUR DES DISPOSITIFS DISCRETS (THERMISTANCES ET TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP), ONT ETE REALISES POUR LA DETECTION IN VITRO DU H#2O#2 ET DU GLUCOSE. ILS NE REPONDENT PAS A TOUTES LES EXIGENCES NECESSAIRES AFIN D'ETRE APPLIQUES POUR LES MESURES IN VIVO. EN CONSEQUENCE, UNE NOUVELLE SOLUTION ADEQUATE, BASEE SUR LA MICROTECHNOLOGIE SILICIUM (REALISATION D'UNE MICROTHERMOPILE AL/POLY SI DEPOSEE SUR UN SUPPORT EN SILICIUM), A ETE ELABOREE. AFIN DE RESOUDRE LE PROBLEME DE GRANDE CONDUCTIVITE THERMIQUE (CT) DU SUPPORT EN SI QUI DIMINUE D'UNE FACON IMPORTANTE LA SENSIBILITE DE MESURE, LE SI A ETE MIS A L'ETAT POREUX (SILICIUM POREUX (SP)) CARACTERISE PAR DES VALEURS DE CT D'ORDRES DEUX A TROIS FOIS PLUS FAIBLES QUE CELLES DU SI. POUR INTERPRETER CES VALEURS, UNE APPROCHE THEORIQUE A ETE ELABOREE POUR DECRIRE LES MECANISMES SPECIFIQUES DU TRANSPORT DE CHALEUR DANS LE SP TEL QUEL ET OXYDE. L'INFLUENCE DE LA POROSITE ET DE L'EPAISSEUR DES COUCHES DU SP SUR LA CONDUCTANCE THERMIQUE DE STRUCTURES SI/SP A ETE ETUDIEE EXPERIMENTALEMENT. EN UTILISANT LA METHODE D'ANALYSE DES ELEMENTS FINIS (LOGICIEL ANSYS 5.3), LA SIMULATION THERMIQUE DE STRUCTURES SI/SP A DEMONTRE L'EFFICACITE D'APPLICATION DU SP COMME ISOLANT THERMIQUE. AFIN D'ASSURER L'ISOLATION THERMIQUE NECESSAIRE, QUELQUES NOUVELLES METHODES DE FABRICATION ET D'OXYDATION DES COUCHES EPAISSES DU SI NANO- ET MESO-POREUX ONT ETE PROPOSEES. UNE PROCEDURE TECHNOLOGIQUE DE FABRICATION COLLECTIVE DES THERMOPILES AL/POLY SI, DEPOSEES SUR UN SUPPORT EN SP, A ETE DEFINIE. ENFIN, LES MESURES EXPERIMENTALES ONT ETE REALISEES POUR DETERMINER LE POUVOIR THERMOELECTRIQUE DES THERMOPILES ET L'EFFICACITE D'ISOLATION THERMIQUE PAR LE SP. LE SP APPARAIT COMME LE MATERIAU DE CHOIX AUX MULTIPLES PROPRIETES THERMIQUES QUI RESTENT ENCORE A EXPLORER.
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L'objectif poursuivi dans cette thèse, est la conception, modélisation et caractérisation de nouveaux capteurs de forte pression. Différentes géométries du résonateur ont été analysées afin de comparer leurs sensibilités. Les influences de la température sont étudiées et une méthode de compensation est proposée. Des résultats expérimentaux sur des prototypes en fonction de la pression et de la température ont validé la théorie avec bons accords. La thèse est ensuite orientée ver deux types de capteur résonant: électrostatique et optique. Dans le cas de l'activation/détection électrostatique, différents modèles électromécaniques sont étudiés et comparés. Les hystérésis dues aux non-linéarités du résonateur sont quantifiées. Un modèle comportemental numérique du système électromécanique sous MATLAB/Simulink a été réalisé. De même, le principe de l'électronique associée est abordé et un modèle équivalent électrique du résonateur est extrait afin d'analyser les influences des différents éléments parasites. Les théories et les simulations sont validées avec les résultats expérimentaux. Dans le cas de capteur optique, le modèle analytique de l'activation photo-thermique a été introduit avec une étude de l'influence de la puissance optique. Des résultats de simulations par éléments finis et les tests optiques effectués ont validé les modèles théoriques. La dernière partie approfondit l'étude en s'intéressant à l'environnement du capteur. La première étude a concerné le calcul du facteur de qualité du résonateur vis à vis de la pression de l'air entourant le résonateur. Cette étude a été validée par des mesures. La deuxième étude a consisté à déterminer la résolution absolue du capteur en fonction des sources de bruit présentes dans l'oscillateur. La dernière étude concerne le packaging du capteur. La géométrie du packaging mécanique et le matériau de la pièce de support ont été examiné afin de minimiser les contraintes thermiques.
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Au cours des dernières années, les efforts de recherche et de développement pour les capteurs de gaz se sont orientés vers l'intégration de nanomatériaux afin d'améliorer les performances des dispositifs. Ces nouvelles générations promettent de nombreux avantages notamment en matière de miniaturisation et de réduction de la consommation énergétique. Par ailleurs, la détection sous gaz (sensibilité, seuil de détection, temps de réponse, ...) s'en retrouve améliorée à cause de l'augmentation du ratio surface/volume de la partie sensible. Ainsi, de tels capteurs peuvent être intégrés dans des systèmes de détections ultrasensibles, autonomes, compactes et transportables. Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser des réseaux verticaux de nanofils semi-conducteurs pour créer des dispositifs de détection de gaz hautement sensibles, sélectifs, avec une faible limite de détection (de l'ordre du ppb) et intégrable dans des technologies CMOS, tout en étant générique et adaptable à plusieurs types de matériaux afin de discriminer plusieurs gaz. Une première partie expose la mise au point d'un procédé grande échelle, reproductible, compatible avec l'industrie actuelle des semi-conducteurs (CMOS), pour obtenir un capteur basé sur une architecture 3D à nanofils. Le dispositif est composé de deux contacts symétriques en aluminium à chaque extrémité des nanofils, dont l'un est obtenu par l'approche dite du " pont à air ", permettant la définition d'un contact tridimensionnel au sommet du nanofil. La seconde partie présente les performances sous gaz des dispositifs développés et les mécanismes de fonctionnement. Le capteur démontre des performances record en matière de détection du dioxyde d'azote (30% à 50 ppb) en comparaison à l'état de l'art (25% à 200 ppb). De plus, cette approche permet de mesurer de très faibles concentrations de ce gaz (
Author: Jérémie Ruellan
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