Développement d'un système intégré sur silicium et dédié à la détection sélective de traces de COV en milieux confinés : apport de la technique GLAD pour l'élaboration de couches sensibles de SnO2 nano-structurées.

par Achraf El Mohajir

Projet de thèse en Matériaux

Sous la direction de Jean-Baptiste Sanchez et de Franck Berger.

Thèses en préparation à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de SPIM - Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques , en partenariat avec FEMTO-ST Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (laboratoire) et de Micro Nano Sciences et Systèmes (MN2S) (equipe de recherche) depuis le 01-11-2018 .


  • Résumé

    La qualité de l'air intérieur des habitations fait partie des préoccupations sanitaires majeures au même titre que l'est la qualité de l'air extérieur. Parmi les différents polluants recensés dans l'air intérieur (environnement confiné), le formaldéhyde et les BTEX (benzène, toluène, éthylbenzène et xylène) sont considérés aujourd'hui comme des substances prioritaires. Dans ce contexte, l'objectif de ce projet est de développer un dispositif de détection miniaturisé permettant in situ une identification rapide et quantifiée de traces de ces polluants dans des lieux confinés. Le système envisagé intégrera trois unités analytiques distinctes : micro-préconcentrateur, micro-colonne chromatographique et micro-capteur chimique. Elles permettent ainsi d'optimiser les performances de détection. Ce type d'assemblage a récemment été validé au sein de l'équipe et la technologie d'élaboration des deux premières unités analytiques est aujourd'hui parfaitement maitrisée par l'équipe MINAMAS. L'enjeu de ce sujet de thèse porte d'une part sur l'identification de matériaux poreux adsorbants permettant d'abaisser la limite de détection des polluants cibles et ainsi repousser les seuils de détection actuels et d'autre part, sur la synthèse de couches sensibles à base d'oxydes métalliques (SnO2) nano-structurées déposées localement sur des micro-membranes suspendues chauffantes. Le choix de ce type d'oxyde présentant une architecture contrôlée à l'échelle nanométrique, est motivé par le fait qu'une combinaison judicieuse de la nature et de l'architecture des matériaux en couches minces permet une maîtrise précise de la porosité, des performances électroniques et conduit finalement à une optimisation des performances de détection pour des applications dans le domaine des capteurs chimiques. Cette approche portera notamment sur l'exploitation de la technique originale « GLAD » (GLancing Angle Deposition). Ainsi, l'optimisation des paramètres de synthèse des adsorbants et des couches sensibles conduira à des performances accrues en termes de performances de détection.

  • Titre traduit

    Development of a silicon micro-device dedicated to the selective detection of VOCs in indoor air: contribution of the “GLAD” technique for the elaboration of nano-structured SnO2 sensitive layers.


  • Résumé

    The quality of the indoor air within buildings is a topic of major importance for public health. Among the numerous chemical compounds that can be found in indoor air, formaldehyde and BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene and xylene) are considered as one of the most toxic volatile organic compounds (VOCs). In this context, the goal of this study is to develop and deeply characterize an in-situ micro-device able to identify and quantify these chemical compounds in indoor air. A silicon micro-preconcentrator, a silicon gas chromatographic micro-column and a semiconductor based chemiresistor gas sensor will compose this analytical micro-system. The main contributions in this thesis concern on one hand the identification and characterization of suitable porous adsorbents allowing the concentration of indoor air pollutants and, on the other hand the synthesis of nano-structured metal oxides (SnO2) using an original deposition technique. For the micro-preconcentrator, several microporous materials with various porosity scales and chemical functions will be considered in order to evidence their adsorption/desorption capacities of various indoor air pollutants. Concerning the sensing unit of the micro-device, this study will focused on the use of tin oxide-based gas sensor due to their rapid response, stability over the time, easy to use and small size. In particular, the preparation of sensing materials with grain size and porosity in the nanometer range is of technological importance in order to improve the sensing performance. An original approach to obtain well-adjusted metal oxide architecture is to combine two physical vapor deposition techniques based first on a pulsing injection of the reactive gas during the deposition and second focused on the "GLAD" (Glancing Angle Deposition) technique, which enables structuring various architectures. The idea of this study is to develop new nanostructured materials based on tin oxide with unexplored features, especially for gas sensors. These active layers will be deposited on micro-hotplate to produce micro-chemical gas sensors.