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 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

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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

-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

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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

-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

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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: %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