Microsystèmes durables de mesures de concentration d'hydrogène utilisant des micropoutres sans couche sensible

par Mohand-Tayeb Boudjiet

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Isabelle Dufour Dabadie et de Claude Pellet.

Le président du jury était Kamal Youcef-Toumi.

Le jury était composé de Johan Bertrand, Lionel Buchaillot, Liviu Nicu.

Les rapporteurs étaient Daniel Alquier, Gaëlle Lissorgues.


  • Résumé

    Ces travaux de thèse tentent de répondre à un besoin de surveillance fiable et durable de la concentration d’hydrogène dans un environnement radioactif. Dans ces travaux, nous proposons l’étude et le développement d’un capteur physique d’hydrogène à base de micropoutres résonantes en silicium. La particularité de ce type de capteur vient du fait qu’il ne contient pas de couche sensible et est donc moins sujet au vieillissement que les capteurs chimiques à base de couche sensibles. Compte tenu de la faible masse volumique de l’hydrogène par rapport à celle de l’air et de la bonne sensibilité des micropoutres résonantes aux propriétés physiques du gaz environnant (masse volumique et viscosité), l’utilisation de micropoutres résonantes pour le suivi de la concentration de l’hydrogène dans l’air est tout à fait possible. L’objectif de ces travaux de recherche est l’amélioration de la sensibilité et de la limite de détection de ce type de capteur. Tout d’abord, une étude des méthodes de suivi de faibles variations de la fréquence de résonance a été effectuée. Ceci a permis de déterminer la méthode ayant le meilleur rapport signal sur bruit, permettant ainsi d’améliorer la limite de détection en termes de variation de fréquence de résonance. Dans une seconde partie, une étude de l’influence de la géométrie et des dimensions sur la sensibilité vis-à-vis des variations de la masse volumique du gaz environnant a été réalisée. A l’issu de cette étude, des critères géométriques et dimensionnels permettant l’optimisation de la sensibilité ont été dégagés. D’autres aspects visant à améliorer les performances (sensibilité et limite de détection) de ces capteurs ont été étudiés, comme l’influence du courant d’actionnement et des tensions de polarisation (actionnement électromagnétique et détection piézorésistive) et l’utilisation des modes supérieurs de résonance. Par ailleurs, l’étude de l’influence des paramètres environnementaux (température et pression) sur le comportement des micropoutres résonantes a été établie.

  • Titre traduit

    Sustainable microsystems for hydrogen concentration measurements using uncoated microcantileves


  • Résumé

    These PhD research tries to meet a need for a reliable and a sustainable hydrogen concentration monitoring in a radioactive environment. In this work, we propose the study and development of resonant silicon microcantilever-based physical hydrogen sensors. The special feature of this sensor is that it does not contain any sensitive and consequently the reliability is improved, compared to devices with sensitive coating. In view of the low density of hydrogen compared to that of air, and the good sensitivity of a resonant microcantilever to the physical properties of the surrounding gas (density and viscosity), the use of vibrating uncoated microcantilever for monitoring hydrogen concentration in air is therefore possible. The objective of this research is to improve the sensitivity and the limit of detection of such sensors. First of all, a study of methods for monitoring small changes in resonant frequency has been conducted in order to determine the method having the best signal to noise ratio, thus, allowing improvement of its resolution in terms of resonant frequency variation measurement. In a second part, a study of the influence of microcantilever geometries and dimensions on their sensitivity to the gas density variation has been performed. As a result, geometrical and dimensional criteria for optimizing the sensitivity to the gas density have been identified. Other factors in a view of improving performance (sensitivity and detection limit) of vibrating microbeams have been studied, such as the influence of the actuating current and bias voltages (electromagnetic actuation and piezoresistive detection) and using high resonant modes. Furthermore, the study of the influence of environmental parameters (temperature and pressure) on the sensors behavior has been established.


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