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Par: Hamida HALLIL Philippe MENINI Hervé AUBERT Conseil d'orientation du GIP CNFM 26 Novembre 2009 Paris Nouveau Détecteur de Gaz Hyperfréquence à Modes.

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1 Par: Hamida HALLIL Philippe MENINI Hervé AUBERT Conseil d'orientation du GIP CNFM 26 Novembre 2009 Paris Nouveau Détecteur de Gaz Hyperfréquence à Modes de Galerie Collaboration : LAAS-CNRS ; CEMES ; ONERA ; CIRIMAT

2 Domestique Fuite de gaz Mauvaise combustion Automobile Habitacle Pot déchappement Industrielle Respect des normes antipollution Environnement Effet de serre … Domaines dapplication des capteurs de gaz 2 I. IntroductionII. Problématique III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence IV. Conclusion

3 Principe dun capteur Entrée à analyser (Gas,T,F,P …) Signal électrique analogique (R, C,V, I) 3 IV. Conclusion II. Problématique I. Introduction Conditionnement du signal analogique Conditionnement du signal analogique Transducteur sans-fil Signal électrique numérique Transmission de données CAN Circuits RF III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence II. Problématique I. Introduction III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence II. Problématique I. Introduction IV. Conclusion III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence II. ProblématiqueI. IntroductionII. ProblématiqueI. Introduction III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence II. ProblématiqueI. Introduction Entrée à analyser (Gas,T,F,P …) Inconvénient des Capteurs de gaz Semi-conducteurs(les plus rependus) - Forte consommation dénergie: fonctionnent à des T° très élevées! - Mesures basses fréquences - Nécessité dacquisition importante! Difficultés pour: - Lautonomie (problème de batterie) - La transmission sans fil - La mise en réseau de capteurs Notre objectif: Développer un nouveau capteur de gaz: Sensible Faible consommation Communicant

4 Intégrer la fonction RF: - Résonateur Diélectrique(DR) Solution Passive 4 I. IntroductionIV. Conclusion II. Problématique III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence Recherche dune solution Faible coût : - Technologie microélectronique - Intégration dun matériau sensible aux gaz tel que TiO 2 : 1. permittivité très élevée 2. Utiliser la théorie de Relaxation diélectrique en hyperfréquences 1. Compatible avec le TiO2 - Simplification du traitement pour la communication - Minimiser la consommation 2. Grande surface Bonne détection de gaz Principe

5 5 DR H DR =360 m D DR =6.5mm H spacer =270 m Spacer I. IntroductionIV. ConclusionII. Problématique III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence 1.B. Guillon, «Conception et réalisation de circuits millimétriques micro-usines sur silicium: application à la réalisation dun oscillateur à résonateur diélectrique en bande Ka», Ph.D thesis, The university of Paul Sabatier, France, Principe et conception coplanar waveguides Acces3 Acces1 Zc = 50 Membrane ε 1 Résonateur diélectrique: TiO 2 Membrane: SiO2+SiNx Metal :Au Substrat: Si(haute résistivité )

6 6 I. IntroductionIV. Conclusion II. Problématique III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence Simulations avec HFSS Coefficient de couplage S13 en fonction de la fréquence Mode WGH 6, 2, 0 à fr =33.24 GHz

7 7 I. Introduction IV. Conclusion II. Problématique III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence Exemple: à la présence de H 2 O, la permittivité (ε r) de TiO 2 diminue de 18% V. A. Skryshevsky end all, Electrical characterization of gas sensing devices based on porous TiO2, Phys.stat. sol., (a) 197, no.2,pp ,2003 Analyser limpact dune modification de la permittivité sur la sensibilité de la structure Coefficient de couplage S13 au voisinage du mode de galerie WGH6.2.0 modification de 8% sur la fréquence de résonance Application: détection de gaz Résultats Simulations avec HFSS

8 1. Dépôt dune membrane de 1.4 µm sur un substrat en Silicium de 370 µm SiO 2 (0.8 um) + SiNx (0.6 um): LPCVD(bicouche). 2. Un dépôt métal en Ti/Au de 1 µm: Procédé LIFT OFF: Ti/Au(50nm/1µm) par évaporation sous vide. 3. Ouverture de la membrane face arrière: a) Couche SiO2/SiNx: gravée par voie ionique réactive(RIE) b) Le Si: gravé par l'effet du bombardement ionique(DRIE). 4. Assemblage: Report du résonateur diélectrique avec la cale sur les lignes coplanaires. I. Introduction IV. Conclusion II. Problématique III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence Fabrication Le capteur de gaz (lignes coplanaires+ RD) Matériel Station sous pointes : Bruit HF VNA : VectorStar (ANRITSU 70 GHz) Sondes : 2*Picoprobe 67GSG100, BeCu 2*Cascade 67GHz, 150µm mesure du capteur Mesures sous banc de mesure Radio Fréquence

9 9 I. IntroductionIV. Conclusion II. Problématique III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence Mesures Coefficient de couplage S13 en fonction de la fréquence Mode WGH 6, 2, 0 à fr =33.35 GHz Simulations avec HFSS Validation du design, puisque les résultats de mesure confirment les résultats de simulation. Mode WGH 6, 2, 0 à fr =33.24 GHz

10 Franck Chebila 1, 2, Mohamed Mehdi Jatlaoui1, 2, Hervé Aubert1, 2, Patrick Pons1 10 I. IntroductionII. Problématique III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence Faisabilité dun détecteur de gaz à base dun résonateur diélectrique en mode de galerie RD en TiO 2 pour la détection de la vapeur deau: IV. Conclusion Détecteur passif, interrogeable sans fil Antenne démission Rx antenna Antenne de réception Signal émis Signal retour Capteur Radar Novel Microwave Gas Sensor using Dielectric Resonator With SnO2 Sensitive Layer ;Eurosensors XXIII conference,Septembre2009 New microwave gas detector using dielectric resonator based on a Whispering-Gallery-Mode ;European microwave conference,octobre2009 NOVEL MILLIMETER-WAVE GAS SENSOR USING DIELECTRIC RESONATOR WITH TiO2 SENSITIVE LAYER,IEEE Sensors.2009 Nouveau capteur de gaz hyperfréquence à base dun résonateur diélectrique en SnO2 ;JNRDM,Mai 2009 Détecteur de gaz hyperfréquence à modes de galerie;JNM, Mai 2009 Publications et congrès: Travaux en cours et perspectives Elaboration et Caractérisation des matériaux sensibles: TiO 2 et SnO 2 Mesurer la teneur en gaz pour valider les résultats obtenus (en cours) Interrogation radar et identification du capteur(simulations en cours)

11 Merci pour votre attention


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