Nouveau Détecteur de Gaz Hyperfréquence Conseil d'orientation du GIP CNFM 26 Novembre 2009 Paris Nouveau Détecteur de Gaz Hyperfréquence à Modes de Galerie Par: Hamida HALLIL Philippe MENINI Hervé AUBERT Mesdames et monsieur :Bonjour! Permettez moi de me présenter, je m’appelle Hamida Hallil ,je travaille au sein du laboratoire d’architecture et d’analyse de systèmes avec Mr Philippe menini et Mr Hervé aubert. Dans Cette communication je vous présente un nouveau détecteur de gaz hyperfréquence à modes de Galerie! Collaboration : LAAS-CNRS ; CEMES ; ONERA ; CIRIMAT

III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence I. Introduction II. Problématique III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence IV. Conclusion Domaines d’application des capteurs de gaz Domestique Fuite de gaz Mauvaise combustion Automobile Habitacle Pot d’échappement Industrielle Respect des normes antipollution Environnement Effet de serre … Aujourd’hui, la détection et la mesure de gaz devient de plus en plus importante pour le contrôle de la qualité de l’air(autmobile,habitat) ou le contrôle et suivi industriels, ou encore pour la sécurité avec des normes de plus en plus strictes qui nécessitent des mesures de plus en plus fines. 2

Principe d’un capteur sans-fil Notre objectif: I. Introduction I. Introduction I. Introduction I. Introduction I. Introduction I. Introduction II. Problématique II. Problématique II. Problématique II. Problématique II. Problématique II. Problématique III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence IV. Conclusion IV. Conclusion Principe d’un capteur sans-fil Signal électrique analogique (R, C,V, I) Conditionnement du signal analogique Entrée à analyser (Gas,T,F,P …) Entrée à analyser (Gas,T,F,P …) Transducteur Transmission de données Signal électrique numérique Circuits RF CAN Inconvénient des Capteurs de gaz Semi-conducteurs(les plus rependus) - Forte consommation d’énergie: fonctionnent à des T° très élevées! - Mesures basses fréquences - Nécessité d’acquisition importante! Difficultés pour: Si maintenant on veut rendre ce type de capteur communicant sans fil,il existe des solutions qui intégrent :des circuits RF,protocoles et normes de transmission ….lire! Il y’a d’ailleurs des solutions commercialisées comme le montre cette figure… Notre objectif: Développer un nouveau capteur de gaz: Sensible Faible consommation Communicant - L’autonomie (problème de batterie) - La transmission sans fil - La mise en réseau de capteurs 3 3

III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence I. Introduction II. Problématique III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence IV. Conclusion Recherche d’une solution Faible coût : Technologie microélectronique Intégration d’un matériau sensible aux gaz tel que TiO2: Principe 1. permittivité très élevée 2. Utiliser la théorie de Relaxation diélectrique en hyperfréquences Intégrer la fonction RF: Résonateur Diélectrique(DR) 1. Compatible avec le TiO2 2. Grande surface Notre objectif alors, c’est de développer un nouveau capteur : Très sensible au gaz À faible consommation(passif) Communicant(intégrer la fonction RF) Bonne détection de gaz Simplification du traitement pour la communication - Minimiser la consommation Solution Passive

III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence Principe et conception I. Introduction II. Problématique III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence IV. Conclusion Principe et conception coplanar waveguides Acces3 Acces1 Zc = 50Ὼ HDR=360mm DDR =6.5mm Hspacer=270mm Spacer Membrane ε ≈1 DR Résonateur diélectrique: TiO2 Membrane: SiO2+SiNx Metal :Au Substrat: Si(haute résistivité) On s’appuyant sur les résultats de la thèse de Guillan ,on a conçu notre système de la manière suivante: Le dispositif est constitué de deux parties: les lignes coplanaires micro usinées sur membrane utilisées pour la propagation du champ électromagnétique et le résonateur diélectrique utilisé pour la détection de gaz! Le RD est maintenu sur le plan des lignes par une cale qui permet de controler le couplage du champ magnétique! Le matériau du RD soit en TiO2 ou SnO2, La membrane est à base de SiO2/SiN4avec une permittivité relative proche de 1! La cale est à base de l’alumine et le métal sera en Or! La partie usinée permet de ne pas fragiliser les membranes en faisant reposer l’essentiel du RD sur la partie en silicium massif! B. Guillon, «Conception et réalisation de circuits millimétriques micro-usines sur silicium: application à la réalisation d’un oscillateur à résonateur diélectrique en bande Ka», Ph.D thesis, The university of Paul Sabatier, France, 1999. 5 5

Coefficient de couplage S13 en fonction de la fréquence I. Introduction II. Problématique III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence IV. Conclusion Simulations avec HFSS Coefficient de couplage S13 en fonction de la fréquence Mode WGH6, 2, 0 à fr =33.24 GHz 6 6

Application: détection de gaz I. Introduction II. Problématique III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence IV. Conclusion Résultats Simulations avec HFSS Application: détection de gaz Exemple: à la présence de H2O, la permittivité (εr) de TiO2 diminue de 18% Analyser l’impact d’une modification de la permittivité sur la sensibilité de la structure V. A. Skryshevsky end all, “Electrical characterization of gas sensing devices based on porous TiO2”, Phys .stat. sol. , (a) 197, no.2,pp.534-538,2003 Coefficient de couplage S13 au voisinage du mode de galerie WGH6.2.0 modification de 8% sur la fréquence de résonance 7 7

III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence I. Introduction II. Problématique III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence IV. Conclusion Fabrication 1. Dépôt d’une membrane de 1.4 µm sur un substrat en Silicium de 370 µm SiO2 (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. Le capteur de gaz (lignes coplanaires+ RD) mesure du capteur Matériel Station sous pointes : Bruit HF VNA : VectorStar (ANRITSU 70 GHz) Sondes : 2*Picoprobe 67GSG100, BeCu 2*Cascade 67GHz, 150µm Mesures sous banc de mesure Radio Fréquence

Mesures Coefficient de couplage S13 en fonction de la fréquence I. Introduction II. Problématique III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence IV. Conclusion Mesures Coefficient de couplage S13 en fonction de la fréquence Simulations avec HFSS Mode WGH6, 2, 0 à fr =33.35 GHz Validation du design, puisque les résultats de mesure confirment les résultats de simulation. Mode WGH6, 2, 0 à fr =33.24 GHz 9 9

III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence I. Introduction II. Problématique III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence IV. Conclusion Faisabilité d’un détecteur de gaz à base d’un résonateur diélectrique en mode de galerie RD en TiO2 pour la détection de la vapeur d’eau: Détecteur passif, interrogeable sans fil Travaux en cours et perspectives Elaboration et Caractérisation des matériaux sensibles: TiO2 et SnO2 Mesurer la teneur en gaz pour valider les résultats obtenus (en cours) Interrogation radar et identification du capteur(simulations en cours) Antenne d’émission Rx antenna Antenne de réception Signal émis Signal retour Capteur Radar Franck Chebila 1, 2, Mohamed Mehdi Jatlaoui1, 2, Hervé Aubert1, 2, Patrick Pons1 Nous avons montré par la simulation (lire)la Faisabilité d’un détecteur de gaz à base d’un résonateur diélectrique en mode de galerie Utilisation d’un RD en…lire Publications et congrès: “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 d’un résonateur diélectrique en SnO2 ’’ ;JNRDM ,Mai 2009 ‘’Détecteur de gaz hyperfréquence à modes de galerie’’;JNM, Mai 2009 10 10

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