Développement et conception de filtres sélectifs en technologie coplanaire : potentialités pour la spectroscopie non-dispersive en infrarouge lointain et submillimétrique, appliquée à la détection de composés organiques volatils

Development and conception of coplanar selective filters : feasibilities for the non-dispersive and far-infrared spectroscopy, applied to the detection of volatile organic compounds

• Auteur / Autrice : Gwenal Le Dem
• Direction : Didier Robbes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique et micro-électronique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Caen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composés organiques volatils

Détecteurs de gaz

Antennes hyperfréquences

Lignes à bandes

Filtres pour microondes

Résumé

Un bilan des différentes méthodes de détection in-situ du gaz benzène a été réalisé. Le projet de spectrométrie non-dispersive en infrarouge lointain, présenté dans ce mémoire, n’a d’intérêt que s’il autorise une détection du seuil de 5 μg∙m-3 de benzène en quelques secondes. Les bolomètres couplés à antenne en V ont été retenus pour la partie active des capteurs du projet. L’étude des antennes en V a démontré la nécessité d’introduire un élément de filtrage dans la chaîne de détection. Les filtres BIP 1D coplanaires en couches minces (t < 3 μm) sont apparus être de bons candidats, pour leurs performances (Q > 1607 dans le cas idéalisé sans pertes) et pour leur intégration dans le couplage avec le bolomètre. Les caractérisations et les calculs analytiques à 40 GHz des précédents filtres ont montré que leur facteur de qualité sont extrêmement dégradés à cause des pertes dues aux résistances linéiques R de l’ordre de 150 Ω∙m-1 : Q = 70, S21 = -33 dB, S11 = -0,7 dB à la résonance. De plus, le calcul des pertes et la pénétration des champs dans les conducteurs, dont l’épaisseur t est proche ou égale à l’épaisseur de peau, demeurent encore des enjeux pour les solveurs numériques 3D. Une procédure de simulation et de chaînage des filtres a donc été mise au point en vue de l’employer pour différentes structures plus sélectives. L’approche en modèle de ligne complet avec pertes a également été menée, précisant l’effet de discontinuités géométriques aux changements d’impédances caractéristiques et permettant de relier de façon plus rapide pertes linéiques et coefficient de qualité admissible. Ces dernières estimations orientent les futurs dispositifs de filtrage en vue d’atteindre le domaine infrarouge lointain.

A revue of the different methods for the online benzene detection has been achieved. The non-dispersive and far-infrared spectroscopic project aims at the detection of benzene below the 5 μg∙m-3 threshold within a few seconds. V-antenna coupled bolometers have been chosen as detectors. Due to the low selective performance of V-antennae, bolometric devices required high-Q filters. Thin-film (t < 3 μm) coplanar 1D photonic bandgap filters appeared to be good candidates due to their performance (Q > 1607 in lossless case) and their integration into the bolometer coupling. Results of experimental characterisations and analytical studies at 40 GHz demonstrate that the quality factors of such thin-film filters are very low (Q = 70, S21 = -33 dB, S11 = -0,7 dB at the 40-GHz resonant frequency) because of the conductor losses, defined by the resistance per meter R in the range of 150 Ω∙m-1. Furthermore the calculated losses and field penetration into the conductors always remain challenges for 3D numerical software, when the conductor thickness (t) is equal to or near to the skin depth (δ). That is why a simulation procedure and the T-matrix method are employed in order to simulate and to calculate responses of other more selective filters. The full transmission-line lossy model was also performed. Thus, effects, due to geometric discontinuities associated to characteristic impedance jumps in the PGB filters, are been better estimated. Results help to better understand links between losses and Q in such structures. Such estimations suggest new futures filters adapted to far infrared domain.