par: hamida hallil philippe menini hervé aubert conseil d'orientation du gip cnfm 26 novembre...
TRANSCRIPT
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
2
III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence
Principe d’un capteur
Entrée à analyser (Gas,T,F,P …)
Signal électrique analogique (R, C,V, I)
3
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 élevée
2. Utiliser la théorie de Relaxation diélectrique en hyperfréquences
1. Compatible avec le TiO21. Compatible avec le TiO2
- Simplification du traitement pour la communication
- Minimiser la consommation
- Simplification du traitement pour la communication
- Minimiser la consommation
2. Grande surface2. Grande surface
Bonne détection de gaz
Principe
5
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)
6
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
-5
30 32 34 36 38 40
Frequency (GHz)
S13 (
dB
)
Transmission WGH6,2,0
802TiO =e
Mode WGH6, 2, 0 à fr =33.24 GHz
7
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)
WGH6,2,0
WGH6,2,0 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) 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.
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.
III. Détecteur de Gaz Hyperfréquence
Fabrication
Le capteur de gaz (lignes coplanaires+ RD) 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
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
Mesures sous banc de mesure
Radio Fréquence
9
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
-5
30 32 34 36 38 40
Frequency (GHz)
Tran
sm
iss
ion
(dB
)
S13_Measurement WGH6,2,0
802TiO =e
DR (BaSmTiOxide) with sensitive layer TiO2 (er=80)-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
30 32 34 36 38 40
Frequency (GHz)S
13 (
dB
)
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 Pons1Franck Chebila 1, 2, Mohamed Mehdi Jatlaoui1, 2, Hervé Aubert1, 2, Patrick Pons1
10
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: %8fr
f=
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 “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 “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“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 ’’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 ‘’Détecteur de gaz hyperfréquence à modes de galerie’’;JNM, Mai 2009
Publications et congrès:Publications et congrès:
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)Mesurer la teneur en gaz pour valider les résultats obtenus (en cours)
Interrogation radar et identification du capteur(simulations en cours) Interrogation radar et identification du capteur(simulations en cours)
Merci pour votre attention