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

DomestiqueFuite de gazMauvaise combustion

AutomobileHabitaclePot d’échappement

IndustrielleRespect des normes antipollution

EnvironnementEffet de serre …

Domaines d’application des capteurs de gaz

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III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence

Principe d’un capteur

Entrée à analyser (Gas,T,F,P …)

Signal électrique analogique (R, C,V, I)

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Conditionnement du signal

analogiqueTransducteur

sans-fil

Signal électrique numérique

Transmission de données CANCircuits RF

III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence

Entrée à analyser (Gas,T,F,P …)

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:

- L’autonomie (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

Intégrer la fonction RF:- Résonateur Diélectrique(DR)

Solution Passive 4

III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence

Recherche d’une solution Faible coût :- Technologie microélectronique- Intégration d’un matériau sensible aux gaz tel que TiO2:

1. permittivité très élevée2. Utiliser la théorie de Relaxation diélectrique en hyperfréquences

1. Compatible avec le TiO2

- Simplification du traitement pour la communication

- Minimiser la consommation

2. Grande surfaceBonne détection de gaz

Principe

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DR

HDR=360m DDR =6.5mm

Hspacer=270m

Spacer

III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence

1.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.

Principe et conception

coplanar waveguidesAcces3

Acces1

Zc = 50Ὼ

Zc = 50Ὼ

Membrane ε ≈1

Résonateur diélectrique: TiO2

Membrane: SiO2+SiNx

Metal :Au

Substrat: Si(haute résistivité)

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III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence

Simulations avec HFSS Coefficient de couplage S13 en fonction de la fréquence

DR (BaSmTiOxide) with sensitive layer TiO2 (er=80)-35

-30

-25

-20

-15

-10

-530 32 34 36 38 40

Frequency (GHz)

S13

(dB

)

Transmission WGH6,2,0

802TiO =e

Mode WGH6, 2, 0 à fr =33.24 GHz

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III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence

Exemple: à la présence de H2O, la permittivité (εr) de TiO2 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.534-538,2003

10)%(12 RD2TiO =ee

Analyser l’impact d’une modification de la permittivité sur la sensibilité de la structure

Coefficient de couplage S13 au voisinage du mode de galerie WGH6.2.0

802TiO =e

modification de 8% sur

la fréquence de résonance

Application: détection de gazRésultats Simulations avec HFSS

-12

-11

-10

-9

-8

-7

-6 31 32 33 34 35 36

Frequency (GHz)

S13(

dB)

Sensitive layer TiO2(εr=80)Sensitive layer TiO2(εr=70)Sensitive layer TiO2(εr=90)

WGH6,2,0WGH6,2,0 WGH6,2,0

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) parévaporation 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.

III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence

Fabrication

Le capteur de gaz (lignes coplanaires+ RD)

MatérielStation 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

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III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence

Mesures Coefficient de couplage S13 en fonction de la fréquence

Mode WGH6, 2, 0 à fr =33.35 GHz

Sensor_DR(TiO2)_Measurement-35

-30

-25

-20

-15

-10

-530 32 34 36 38 40

Frequency (GHz)

Tran

smis

sion

(dB

)

S13_Measurement WGH6,2,0

802TiO =e

DR (BaSmTiOxide) with sensitive layer TiO2 (er=80)-35

-30

-25

-20

-15

-10

-530 32 34 36 38 40

Frequency (GHz)S1

3 (d

B)

Transmission WGH6,2,0

Simulations avec HFSS

Validation du design, puisque les résultats de mesure

confirment les résultats de simulation.

Mode WGH6, 2, 0 à fr =33.24 GHz

Franck Chebila 1, 2, Mohamed Mehdi Jatlaoui1, 2, Hervé Aubert1, 2, Patrick Pons1

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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: %8

frf

=

Détecteur passif, interrogeable sans fil

Antenne d’émission

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 d’un 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 perspectivesElaboration 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)

Merci pour votre attention