Par: Hamida HALLIL Philippe MENINI Hervé AUBERT

1. 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 Collaboration : LAAS-CNRS ; CEMES ; ONERA ; CIRIMAT

2. IV. Conclusion I. Introduction II. Problématique III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence 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 • … 2

3. IV. Conclusion IV. Conclusion II. Problématique II. Problématique I. Introduction II. Problématique I. Introduction I. Introduction II. Problématique I. Introduction II. Problématique II. Problématique I. Introduction I. Introduction III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence • 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: • 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

4. IV. Conclusion I. Introduction II. Problématique III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence • 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 Bonne détection de gaz • Simplification du traitement • pour la communication • - Minimiser la consommation Solution Passive

5. III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence Zc = 50Ὼ DDR=6.5mm coplanar waveguides HDR=360mm Acces3 Hspacer=270mm Acces1 Zc = 50Ὼ Spacer Résonateur diélectrique: TiO2 Membrane: SiO2+SiNx Metal :Au Substrat: Si(haute résistivité) IV. Conclusion I. Introduction II. Problématique Principe et conception Membrane ε≈1 DR • 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

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

7. III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence IV. Conclusion I. Introduction II. Problématique 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

8. III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence IV. Conclusion I. Introduction II. Problématique 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

9. III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence IV. Conclusion I. Introduction II. Problématique 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

10. ’’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 “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 Travaux en cours et perspectives • Elaboration etCaractérisation 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 Capteur Signal émis Radar Antenne de réception Signal retour Rx antenna IV. Conclusion II. Problématique I. Introduction III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence • 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 Franck Chebila 1, 2, Mohamed Mehdi Jatlaoui1, 2, Hervé Aubert1, 2, Patrick Pons1 Publications et congrès: 10

11. Merci pour votre attention