Etude, modélisation et conception d'un multicapteur chimique à base de CNTFET

Study, modeling and design of chemical multisensor based on CNTFET (Carbon NanoTube Field-Effect Transistor)

• Auteur / Autrice : Jérôme Heitz
• Direction : Christophe Lallement, Luc Hebrard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanoélectronique, optoélectronique
• Date : Soutenance le 19/09/2013
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : François Le Normand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paolo Bondavalli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Henri Happy, Hervé Barthélemy

Mots clés

Mots clés contrôlés

MOS (électronique)

Transistors à effet de champ

Nanotechnologie

Modèles mathématiques

Microcapteurs

Gaz, Dynamique des

Mots clés libres

CNTFET

Capteur de gaz

Modélisation

Conception électronique intégrée

Pompe de charge

CNTFET

Gas sensor

Modeling

Integrated electronics design

Charge pump

Résumé

Depuis quelques années, les explosifs artisanaux à base de peroxyde sont fréquemment utilisés dans les actes de terrorisme. Leur simplicité de conception ne les rend pas moins inoffensifs car ils sont tout aussi puissants que ceux à base de TNT (trinitrotoluène). Au regard des enjeux majeurs de la sécurité globale et en particulier de la protection du citoyen, il devient nécessaire de bénéficier d'instruments de détection fiables. C'est dans ce cadre que s'inscrit ce travail de thèse qui vise à développer un capteur intégré, sensible et sélectif aux traces d'explosifs, notamment ceux à base de peroxyde. Ce nez électronique est constitué d'une matrice de transistors à nanotubes de carbone (CNTFET) et d'une électronique et traitement des données. Après une brève introduction relative aux CNTFET pour la détection gazeuse, nous présentons les bases de l'élaboration d'une modélisation électrique du capteur. Cette modélisation a pour but, à terme, de permettre aux concepteurs decircuits intégrés de bénéficier d'un support de simulation des CNTFET, nécessaire à la mise en oeuvre de l'électronique de contrôle et de conditionnement des signaux. Nous détaillerons également ce qui constitue selon nous l'étape fondamentale précédant l'élaboration d'un modèle compact prédictif basé sur la physique, c'est à dire la compréhension topologique du réseau de nanotubes. Nous détaillerons alors différentes probabilités de contacts entre nanotubes. Nous présentons ensuite,l'élaboration de l'électronique permettant le contrôle des potentiels appliqués aux CNTFET et le conditionnement des signaux électriques. Ce conditionnement a pour objectif d'acheminer les réponses électriques du capteur vers des architectures de traitement de données utilisées pour la détection des différents gaz cibles. L'électronique intégrée en technologie CMOS HV (haute tension) est alimentée par pile basse tension. Des pompes de charge, élévateurs de tension, générant ces hautes tensions ont été étudiées, modélisées et réalisées. Nous proposons également dans ce manuscrit une nouvelle architecture de pompe de charge qui constitue, dans certaines plages d'utilisation, une alternative intéressante aux pompes de charge les plus performantes utilisées jusqu'à présent.

For the last few years, improvised peroxide based explosives are frequently used in acts of terrorism. Their simple design does not make them less threatening than those based on TNT because they are equally as powerful as those based on TNT (trinitrotoluene). In view of the major issues of the overall safety and, in particular, the citizens' protection, it becomes necessary to enjoy reliable detection instruments. Such is the background of this PhD work which aims to develop a built-in sensor,sensitive and selective to traces of explosives, especially those based on peroxide. This electronic nose is made up of a network of carbon nanotube field-effect transistors (CNTFET), and data processing hardware. After a brief introduction relating to CNTFETs for gaseous detection, we will provide the basis for the elaboration of an electronic modeling of the sensor. This modeling aims, at the end, to allow designers of integrated circuits to benefit from a simulation support of CNTFETs, required to the implementation of control and signal conditioning electronics. We will also detail what are the fundamental steps mandatory before the development of a predictive compact model based on physics, which means the topological understanding of the nanotubes network. Then, we will describe different probabilities of contacts between nanotubes. Later, we will introduce the elaboration of the electronics allowing the control of the voltages applied to the CNTFETs and the electrical signals conditioning. The objective of this conditioning is to carry electrical responses from the sensor to data processing architectures used for the detection of the different target gasses. High Voltage CMOS integrated electronics are powered by low-voltage batteries. Charge pumps and voltage boosters which generate these high voltages, have been investigated, modeled and carried out. We also provide in this dissertation a new charge pump architecture which offers, in some ranges of application, an interesting alternative to the most efficient charge pumps used until now.