Développement de microcapteurs d’humidité à base d’oxyde de cérium

Development of humidity microsensors based on cerium oxide

• Auteur / Autrice : Tetiana Toloshniak
• Direction : Bertrand Boudart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance en 2015
• Etablissement(s) : Caen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale structures, informations, matière et matériaux (Caen ; 1992-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire universitaire des sciences appliquées de Cherbourg (1994-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne Leriche
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bertrand Boudart, Anne Leriche, Pascal Aubert, Yannick Guhel, Jérôme Bernard, Xavier Hochart
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne Leriche, Pascal Aubert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches épaisses (électronique)

Couches minces

Oxydes de cérium

Humidité

Capteurs (technologie)

Résumé

Les travaux de cette thèse avaient pour but la réalisation de capteurs d'humidité à base d’oxyde de cérium (CeO2) en utilisant trois procédés technologiques différents. Le premier procédé technologique a consisté à fabriquer un capteur à partir d'une pastille céramique de CeO2. Afin d’améliorer la sensibilité des capteurs d'oxyde de cérium vis-à-vis de l’humidité, nous avons ajouté du LiF (entre 1 et 5% massique) et avons montré que la meilleure sensibilité est obtenue pour une quantité de LiF de 5%. Le deuxième procédé technologique nous a permis de réaliser des capteurs en déposant une couche épaisse de CeO2 (> 1 µm) sur un substrat de silicium. La méthode a consisté à déposer par spin coating une suspension constituée de poudre de CeO2 et d’un polymère (carbopol). Ensuite, un recuit post-dépôt a été réalisé afin de densifier la couche épaisse obtenue. Afin d’obtenir une couche uniforme, le comportement rhéologique des suspensions a été étudié. Les couches épaisses de CeO2 ont été caractérisées par microscopie électronique à balayage et spectroscopie Raman. Ensuite, nous avons étudié la sensibilité de ces dernières vis-à-vis de l'humidité. Le troisième procédé technologique a permis la fabrication de capteurs d'humidité sur des couches minces de CeO2 (< 1 µm). Les couches minces ont été déposées sur un substrat de silicium par pulvérisation cathodique RF magnétron. L'influence des différents paramètres de dépôt de CeO2 (traitement de surface du silicium, débit d’argon, pression de travail, etc…) et de recuits post-dépôt (RTA, micro-ondes, conventionnel) sur la cristallinité et les propriétés électriques des couches ont été étudiées. En effet, toutes les couches déposées et recuites ont été caractérisées par spectroscopie Raman et leurs propriétés électriques ont été étudiées à partir de mesures capacité-tension. La sensibilité vis-à-vis de l'humidité des capteurs réalisés en couches minces a également été étudiée. Une analyse comparative des performances des différents capteurs a été effectuée à l'issue de ce travail : il est possible d’augmenter la sensibilité à l’humidité, de diminuer le temps de réponse et l’effet d’hystérésis de capteurs en les miniaturisant du capteur massif au capteur en couche épaisse ou mince.

The work scope of this thesis is within the context of realization of moisture sensor-based cerium oxide (CeO2) using three different technological processes. The first technological process is to produce a sensor from a ceramic pellet CeO2. In order to improve the sensitivity of cerium oxide sensors towards moisture, we added LiF to CeO2 (between 1 and 5% by weight) and have shown that the best sensitivity is obtained for a LiF amount of 5%. The second technological process has enabled us to realize sensors by depositing a thick layer CeO2 (> 1 µm) on a silicon substrate. This last one consisted of dropping off made suspension of CeO2 powder and a polymer (carbopol) by spin-coating to cover the Si substrate. Then, a post-deposition annealing was done to densify the thick layer obtained. In order to obtain a uniform layer, the rheological behavior of suspensions was studied. The thick layers of CeO2 were characterized by electron microscopy scanning, and Raman spectroscopy. After that we studied the sensitivity of this last to the moisture. The third technology method has enabled the manufacture of moisture sensors on CeO2 thin layers (< 1 µm). The thin films were deposited on a silicon substrate by r. F. Sputtering magnetron. The influence of various parameters to deposit thin layers of CeO2 (silicon surface treatment, argon flow rate, working pressure, etc…) and post-deposition annealing (RTA, microwaves, conventional) on the crystallinity and electrical properties of layers were studied. Indeed, all the layers deposited and annealed were characterized by Raman spectroscopy and their electrical properties were studied from capacity-voltage measurements. The sensitivity vis-a-vis the realized moisture sensors thin films has also been studied. A comparative analysis of the performance of different sensors should be effected at the conclusion of this study : it is possible to increase the moisture sensitivity by reducing the response time and hysteresis effect by miniaturizing the solid sensor to thick film and thin film sensor.