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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. IV. Conclusion. I. Introduction.

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Presentation Transcript

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


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

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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

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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


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.

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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

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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

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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


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

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’’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:

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Merci pour votre attention résonateur diélectrique en SnO2 ’’ ;JNRDM ,Mai 2009


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