Conception et test de microsystèmes résonants pour la détection d'hydrogène

par Luis Iglesias Hernandez

Projet de thèse en Electronique

Sous la direction de Isabelle Dufour Dabadie et de Cédric Ayela.

Thèses en préparation à Bordeaux , dans le cadre de Sciences Physiques et de l'Ingénieur , en partenariat avec Laboratoire de l'Intégration du Matériau au Système (laboratoire) et de ÉLectronique ORGAnique (ELORGA) (equipe de recherche) depuis le 22-09-2017 .


  • Résumé

    Classiquement, des micropoutres en silicium fabriquées par des techniques de fabrication dérivées de celles de la microélectronique peuvent servir de microcapteurs chimiques. Pour cela, une couche sensible est déposée sur la micropoutre. Son rôle est de capter de façon sélective l'espèce chimique que l'on souhaite détecter. La sorption de composés par cette couche modifie entre autre la masse du système et donc sa fréquence de résonance. Le but de cette thèse est de montrer qu'il est possible de s'affranchir de la présence de la couche sensible afin d'augmenter la fiabilité à long terme de ce type de microcapteur résonant. A l'échelle micrométrique, les propriétés des vibrations dépendent non seulement des propriétés de la microstructure (géométrie, matériaux) mais aussi des propriétés du fluide environnant (densité, viscosité). En effet, de façon schématique, la présence du fluide se traduit par deux phénomènes : un phénomène d'inertie et un phénomène dissipatif. Ainsi il est théoriquement possible à partir de l'analyse de la réponse fréquentielle des microstructures de remonter aux propriétés mécaniques du gaz environnant et donc de pouvoir déterminer par exemple la concentration d'une espèce dans un mélange binaire composé de deux espèces de densités différentes. Bien sûr la suppression de la couche sensible diminue la sensibilité du capteur mais le point intéressant est la suppression des problèmes liés au vieillissement et à l'encrassement de la couche sensible. Des travaux préliminaires prometteurs sur cette thématique ont été menés entre 2012 et 2015 à l'IMS en partenariat avec l'ANDRA. L'IMS s'associe à 3 laboratoires (LAAS, GREMAN, CRHEA) dans le cadre du projet H2MEMS afin d'améliorer les performances de ces capteurs. L'objectif de cette thèse est d'optimiser les performances de ce type de capteur en termes de sensibilité, de durée de vie et d'immunité aux grandeurs d'influence telles que la température par exemple. Pour obtenir une sélectivité partielle, la détermination conjointe de la masse volumique et de la viscosité du gaz à partir des mesures de la fréquence de résonance et du facteur de qualité est prévue. Des structures en silicium et en carbure de silicium seront dimensionnées puis testées en environnement gazeux. L'application visée est la détection d'hydrogène dans l'air au sein d'alvéoles de stockage souterrain de déchets radioactifs nécessitant une fiabilité de la mesure sur une durée pluriannuelle. Au cours de la thèse tous les tests des capteurs seront faits sur la ligne à gaz du Laboratoire IMS.

  • Titre traduit

    Design and Test of Resonant Microelectromechanical Systems for Hydrogen Detection


  • Résumé

    Classically, microcantilevers produced by silicon manufacturing techniques derived from those of microelectronics can be used as chemical microsensors. This has traditionally been accomplished by depositing onto the microcantilever a sensitive coating whose purpose is to selectively capture a target chemical species. The sorption of compounds by this sensitive layer modifies the mass of the coated beam and, thus, the resonant frequency of the system. The main objective of this thesis is to demonstrate the feasibility of eliminating the need for the sensitive layer in MEMS-based microsensing applications, thereby increasing the long-term reliability of these devices. At the micrometer scale, the vibrations properties depend not only on the characteristics of the microstructure (geometry, materials) but also on the surrounding fluid properties (density, viscosity). Indeed, the presence of the fluid results in two phenomena: an inertia effect and a dissipative phenomenon. Consequently, it is theoretically possible from the analysis of the frequency response of microstructures in fluid environments to probe the mechanical properties of the surrounding fluid and, thus, to determine for example the concentration of a species in a binary gaseous mixture when the two species are of different densities. Of course, the removal of the sensitive layer decreases the sensitivity of the sensor; however its absence will eliminate problems related to aging and deterioration of the sensitive layer. Promising preliminary work on this subject was conducted in 2012-2015 at the IMS Laboratory in partnership with ANDRA. The IMS joins 3 French laboratories (LAAS, GREMAN, CRHEA) within the H2MEMS project to improve the sensors performances. The overall objective of this thesis is to optimize the performance of this coating-free sensor in terms of sensitivity, lifetime and robustness with respect to changes in operational conditions such as temperature. To provide a partial selectivity, simultaneous determination of both the density and viscosity of the gas from the measurements of both the resonant frequency and the quality factor will be made. Silicon and silicon carbide microstructures will be design and tested in gaseous media. The targeted application of the thesis is the detection of hydrogen release in radioactive waste disposal facility, an application that requires measurement reliability over a multiyear period. During the thesis all tests of the sensors will be made on the gas line of the IMS Laboratory.