Conception et réalisation d'un multicapteur de gaz intégré à base de plateformes chauffantes sur silicium et de couches sensibles à oxydes métalliques pour le côntrole de la qualité de l'air habitacle PDF Download

Author: Nicolas Dufour
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Languages : fr
Pages : 182

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De nombreuses études récentes ont montré la présence de quantités élevées de polluants à l'intérieur de l'habitacle automobile. La solution proposée pour pallier ce problème est l'élaboration d'un capteur de gaz capable de détecter les polluants pénétrant à l'intérieur du véhicule, engendrant la fermeture des volets d'aération lors de l'observation d'un pic de pollution. Les micro-capteurs chimiques à oxydes métalliques sont les meilleurs candidats pour résoudre cette problématique : ils présentent une grande sensibilité à de nombreux gaz, des temps de réponse rapides, et leur coût de production est faible. Leur principal défaut est un manque de sélectivité. Les travaux de recherches effectués ont consisté à mettre au point un micro-dispositif intégrant un réseau multicapteur de gaz à détection conductimétrique : sur une même puce micro-usinée en silicium sont intégrées plusieurs couches sensibles différentes, visant à détecter sélectivement plusieurs gaz : le monoxyde de carbone (CO), le dioxyde d'azote (NO2), l'ammoniac (NH3), l'acétaldéhyde (C2H4O) et le sulfure d'hydrogène (H2S). Pour se faire, trois axes d'études principaux se sont dégagés. La première partie de cette étude s'est portée sur la conception des micro-plateformes chauffantes à l'aide d'un outil de simulations numériques multiphysiques, pour optimiser, d'une part leur structure et leur géométrie afin d'atteindre les performances thermiques escomptées (optimisation du rendement thermoélectrique et minimisation d'interaction d'une cellule à l'autre), et d'autre part les performances thermomécaniques compte tenu de la possibilité d'utiliser un mode de fonctionnement des capteurs en transitoires thermiques rapides. Le modèle obtenu a été validé par comparaison à des mesures physiques. Celui-ci nous a permis d'améliorer le comportement thermique à la surface de la membrane et de réduire les coûts de fabrication en simplifiant le design. La fabrication en centrale technologique de la plateforme multicapteurs a ensuite été réalisée en tenant compte des améliorations proposées par la modélisation. Une étude spécifique sur l'intégration dans le procédé d'une technique industrielle des dépôts des matériaux sensibles par jet d'encre a été menée. Nous avons ainsi mis au point une méthode permettant de déposer rapidement et à bas coûts plusieurs couches sensibles (ZnO, CuO et SnO2) sur une même structure de détection. Enfin, nous avons procédé à l'élaboration d'un système décisionnel, comprenant deux éléments : la mise au point d'un profil optimisé de contrôle des résistances chauffantes et sensibles permettant d'améliorer la sensibilité, la sélectivité et la stabilité, et une analyse multivariée des données. Il a de ce fait été possible de détecter sélectivement la plupart des gaz ciblés (seuls et mélangés) à de faibles concentrations (0,2 ppm de NO2, 2 ppm de C2H4O, 5 ppm de NH3 et 100 ppm de CO).

Author: Hamida Hallil
Publisher: John Wiley & Sons
ISBN: 1119587344
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 240

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Provides an introduction to the topic of smart chemical sensors, along with an overview of the state of the art based on potential applications This book presents a comprehensive overview of chemical sensors, ranging from the choice of material to sensor validation, modeling, simulation, and manufacturing. It discusses the process of data collection by intelligent techniques such as deep learning, multivariate analysis, and others. It also incorporates different types of smart chemical sensors and discusses each under a common set of sub-sections so that readers can fully understand the advantages and disadvantages of the relevant transducers—depending on the design, transduction mode, and final applications. Smart Sensors for Environmental and Medical Applications covers all major aspects of the field of smart chemical sensors, including working principle and related theory, sensor materials, classification of respective transducer type, relevant fabrication processes, methods for data analysis, and suitable applications. Chapters address field effect transistors technologies for biological and chemical sensors, mammalian cell–based electrochemical sensors for label-free monitoring of analytes, electronic tongues, chemical sensors based on metal oxides, metal oxide (MOX) gas sensor electronic interfaces, and more. Addressing the limitations and challenges in obtaining state-of-the-art smart biochemical sensors, this book: Balances the fundamentals of sensor design, fabrication, characterization, and analysis with advanced methods Categorizes sensors into sub-types and describes their working, focusing on prominent applications Describes instrumentation and IoT networking methods of chemical transducers that can be used for inexpensive, accurate detection in commercialized smart chemical sensors Covers monitoring of food spoilage using polydiacetylene- and liposome-based sensors; smart and intelligent E-nose for sensitive and selective chemical sensing applications; odor sensing system; and microwave chemical sensors Smart Sensors for Environmental and Medical Applications is an important book for senior-level undergraduate and graduate students learning about this high-performance technology and its many applications. It will also inform practitioners and researchers involved in the creation and use of smart sensors.

Author: Habib Chalabi
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Languages : fr
Pages : 160

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Les capteurs de gaz à oxydes semi-conducteurs actuels reposent souvent sur des structures peu stables dans le temps et présentent toujours une faible sélectivité aux gaz. Ainsi ce travail détaille le développement de microcapteurs de gaz dits de « nouvelle génération ». Les différents éléments qui composent ce type de dispositif ont été étudiés et améliorés. En particulier, une nouvelle plateforme chauffante à résistance en platine a été développée en s’appuyant sur une simulation numérique basée sur la méthode des éléments finis. Le bon contrôle des procédés technologiques a permis la mise au point d'une filière technologique multi-capteur associant quatre cellules sur une puce. Une couche sensible de WO3 a pu être intégrée à ce dispositif et les caractérisations électriques et thermographiques ont permis de valider le fonctionnement et la très bonne stabilité de ces structures. Des tests préliminaires en ambiance gazeuse contrôlée ont permis de montrer de bonnes performances globales en termes de sensibilité et de sélectivité. Ce travail constitue une première étape encourageante pour la réalisation d’un nez électronique intégré

Author: N'Goran Pamela Marie Josephe Yoboue
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Languages : fr
Pages : 156

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Avec les préoccupations actuelles de protection de l'environnement et des personnes, le développement des capteurs de gaz à base d'oxyde métallique connaît un essor grandissant. Force est de constater que les capteurs commercialisés aujourd'hui présentent des performances mitigées avec une température de fonctionnement limitée à 450°C. Malgré une sensibilité intéressante avec des seuils de détection autour de quelques ppm, ils présentent une faible sélectivité et de grandes instabilités ; ce qui limite leur utilisation à de simples détecteurs. Ces imperfections sont d'ailleurs le moteur de nombreux travaux de recherche notamment sur le développement de nouveaux matériaux de détection mais aussi de nouveaux transducteurs. Le but de cette thèse est de prouver qu'il est possible de bien améliorer les performances de ces capteurs à oxydes métalliques notamment sur les aspects consommation, stabilité mécanique et électrothermique. Pour cela notre travail a consisté dans un premier temps à redéfinir un nouveau design puis à optimiser les procédés technologiques pour réaliser des plateformes chauffantes "haute-température". Nous avons réussi à développer une structure capable de fonctionner jusqu'à 600°C avec une puissance convenable (

Author: Stéphane Astié
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Languages : fr
Pages : 194

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La problématique générale de cette thèse est la réalisation et I'optimisation de capteurs chimiques à base de dioxyde d'étain intégrés sur silicium, destinés à la détection de gaz. Nos travaux réalisés au sein du Laboratoire Capteur et Intégration de Puissance, associant MOTOROLA, la Région Midi-Pyrénées et le LAAS-CNRS concernent plus particulièrement la membrane et la résistance chauffante qui supportent la couche sensible. La première partie de nos travaux a été consacrée à l'optimisation d'un capteur à membrane silicium à partir d'un capteur développé par la société Microsens. A cet effet, différentes structures et une simulation électro-thermique de l'ensemble du capteur ont été développées pour caractériser son comportement thermique, mécanique ainsi qu'évaluer l'influence des paramètres nécessaires à la simulation. La bonne corrélation entre simulation et expériences, nous a permis de proposer une géométrie optimale pour notre dispositif. De plus, les contraintes résiduelles liées aux techniques d'élaborations et celles présentes dans le capteur fini ont été déterminées. L'ensemble de cette étude a conduit à la mise sur le marché du premier capteur de gaz intégré sur silicium par la société Motorola en novembre 1996. La simulation électro-thermique montre clairement qu'une membrane diélectrique permet d'atteindre des consommations électriques de l'ordre de 100 mW. Dans la deuxième partie de nos travaux, nous avons donc réalisé différentes membranes diélectriques et étudié leur déformation et leur tenue mécanique. Nous avons ainsi développé une nouvelle membrane oxynitrure, réalisée en une seule étape, présentant une excellente tenue mécanique et une faible conductivité thermique. Enfin, à l'aide de la simulation, nous avons proposé une nouvelle géométrie de l'ensemble capteur liée à la présence d'une membrane oxynitrure autorisant une puissance consommée de 65 mW et une diminution par deux de la taille de la puce.

Author: Vincent Demarne
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Languages : fr
Pages : 216

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Author: Hicham Gourari
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Languages : fr
Pages : 164

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La prise en compte de la protection de l'environnement des économies d'énergie comme le contrôle de la qualité de l'air domestique ont provoqué un effort considérable de recherche sur les capteurs de gaz. Durant les années 60 avec les travaux de Seiyama et collaborateurs puis Taguchi est arrivée la production commerciale de masse d'un capteur à base de dioxyde d'étain semi-conducteur (structure tetragonale). Malheureusement ce type de capteur réagit non seulement à son gaz cible mais aussi à un grand nombre d'autres gaz, d'où un manque crucial de sélectivité. C'est pourquoi on introduit dans la composition de la couche mince d'autres oxydes, et/ou des catalyseurs qui améliorent la sélectivité et la sensibilité à un seul gaz. D'après les travaux de Nomura et collaborateurs l'ajout de manganèse augmente la sélectivité, la sensibilité à l'hydrogène. La première partie de ce travail a concerné la fabrication de couches minces à base de dioxyde d'étain par spray électrostatique assisté par pyrolyse (ESD). La caractérisation structurale et morphologique a permis de sélectionner les paramètres de fabrication afin d'obtenir des couches minces d'oxyde mixte d'étain SNO2 (tetragonal) et de manganèse MN2O3 (cubique) de structure poreuse avec une répartition homogène de l'étain et de manganèse. La seconde partie, qui concerne la caractérisation électrique sous gaz a permis de montrer que les couches d'oxyde mixte d'étain et de manganèse de composition molaire 10/1 présente une bonne sensibilité et sélectivité à l'hydrogène et ceci indépendamment de la nature des électrodes (PD, PT, AU). Les autres compositions présentent une sensibilité très faible ou nulle. Tous les échantillons de la composition 10/1 présentent un comportement plus ou moins éloigné du comportement ohmique montrant l'effet du gaz au niveau de l'électrode. L'étude des diagrammes d'impédance a permis de trouver un schéma équivalent unique pour toute composition de couche ou nature d'électrode : R(RC) avec une capacité constante compte tenu des erreurs expérimentales pour un échantillon donné quelles que soient la température ou la concentration de gaz appliquées et une résistance obéissant à un comportement d'Arrhenius. Ceci nous permet de dire que cette capacité correspond à la capacité géométrique de l'échantillon et la résistance à l'effet volumique de la couche mince

Author: Antonio Assaf
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Pages : 0

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Le besoin en capteurs de gaz évolue avec le développement des applications dans les domaines de l'industrie et de l'automobile. Pour répondre à cette demande, les capteurs à base d'oxyde métallique présentent des avantages uniques comme leur faible coût, une grande sensibilité́ et une intégration facile dans un système portable miniaturisé. Cependant, ces capteurs souffrent d'un coût énergétique élevé du fait de leurs hautes températures de fonctionnement. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail est d'optimiser les capteurs à base de dioxyde d'étain afin d'abaisser leur température de fonctionnement. Le gaz cible dans cette étude est le dioxyde d'azote (NO2). D'abord, nous avons optimisé la synthèse des films de SnO2 élaborés par pulvérisation à radiofréquence de manière à obtenir les caractéristiques morphologiques, stœchiométriques et électriques les plus adaptées à la détection de gaz. Aussi, nous avons également optimisé le dépôt de couches de palladium à la surface des films de SnO2 par évaporation servant de catalyseurs. Par la suite, nous avons simulé l'architecture du capteur (électrodes interdigitées + film sensible) à l'aide du logiciel SILVACO TCAD afin d'optimiser la géométrie du capteur. Des capteurs à base de SnO2 sans catalyseur ont ensuite été développés afin de sélectionner la géométrie optimale pour la détection du NO2. Le capteur retenu possède une température de fonctionnement optimale de 100°C pour la détection de NO2, avec une limite de détection de 250 ppb. Finalement, des capteurs à base de SnO2 dopé au palladium ont été conçus. Ces capteurs montrent une bonne sensibilité au NO2 à très basse température (50°C). Ce résultat est l'aboutissement du projet dont l'objectif à terme vise la réalisation de capteurs de gaz à base oxyde métallique à faible consommation d'énergie.

Author: Maira Possas Abreu
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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: Jérémie Ruellan
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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.