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

par Nicolas Dufour

Thèse de doctorat en Micro et nanosystèmes

Sous la direction de Philippe Ménini et de Corinne Lucie Frida Wartelle.

Soutenue en 2013

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    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).

  • Titre traduit

    Design and implementation of an integrated gas multi-sensor based on silicon heating platforms and metal oxide sensitive layers for controlling the quality of the cabin air


  • Résumé

    Many recent studies have shown the presence of high amounts of pollutants inside the car cabin. The proposed solution for this problem is the development of a gas sensor capable of detecting pollutants entering in the vehicle, resulting in the closing of vents in the case of a pollution peak. Metal-oxides chemical micro-sensors are the best candidates to solve this problem: they are highly sensitive to many gases, fast response times, and their production cost is low. Their main drawback is a lack of selectivity. The research work consisted of developing a micro-device incorporating a gas multi-sensor array based on conductivity detection: different sensitive layers are integrated on a single silicon micro-machined chip, in order to selectively detect several gases: carbon monoxide (CO), carbon dioxide nitrogen (NO2), ammonia (NH3), acetaldehyde (C2H4O) and hydrogen sulfide (H2S). To do this, three main areas of research have emerged. The first part of this study focused on the design of the heating micro-platforms using a multiphysics simulations tool to optimize, on the one hand, their structure and geometry to achieve the expected thermal performances (thermoelectric efficiency optimization and minimizing interaction of a cell to another), and on the other hand, the thermo-mechanical performance given the possibility to use sensors in a fast thermal transient mode. The resulting model was validated by comparison with physical measurements. This has allowed us to improve the thermal behavior of the membrane surface and reduce manufacturing costs by simplifying the design. The manufacturing in clean room of the multisensor platform was then performed taking into account the improvements proposed by the modeling. A specific study on the integration process of an industrial technique to deposit sensitive materials by inkjet was conducted. A method for depositing quickly and at low costs several sensitive layers (ZnO, CuO and SnO2) on a single sensing structure has been developed. Finally, we proceeded to develop a decision-making system, including two elements: the development of an optimized profile to control the heating and sensitive resistors to improve the sensitivity, selectivity and stability, and a data multivariate analysis. It has therefore been possible to selectively detect most of the target gas (alone and mixed) at low concentrations (NO2-0. 2ppm, C2H4O-2ppm, NH3-5ppm and CO-100ppm).

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Informations

  • Détails : 1 vol. (182 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 160-170. Annexes

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