Development of a new technique for photoacoustic gas detection based on silicon microelectromechanical resonator.

par Wioletta Trzpil

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Aurore Vicet et de Michaël Bahriz.

Soutenue le 16-12-2021

à Montpellier , dans le cadre de École Doctorale Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Développement d'une nouvelle technique de détection de gaz photoacoustique basée sur un micro-résonateur mécanique en silicium.


  • Résumé

    Le marché des capteurs de gaz est en constante croissance. Cette croissance est dominée par un large éventail d'applications et des contraintes législatives croissantes sur la surveillance de l'air. Malgré la grande variété des capteurs de gaz, il est difficile de trouver celui qui offre un bon équilibre entre sensibilité, sélectivité, stabilité, compacité et coût. De plus, un marché en expansion continue exige le développement de nouvelles solutions qui se traduiront par davantage d'innovations technologiques.Cette thèse fait partie d'un projet de recherche qui vise à développer un capteur de gaz compact, intégré et portable avec une excellente sélectivité, une haute sensibilité (ppb) et un temps de réponse rapide. Il se concentre principalement sur le développement d'un composant permettant la réalisation de capteurs compacts et sensibles.Le capteur proposé dans cette thèse est basé sur la détection photoacoustique. Nous avons étudié et réalisé un micro-résonateur mécanique en silicium (MEMS) caractérisé par un facteur de qualité élevé comparé aux microphones commerciaux. L’emploi de silicium et la transduction capacitive rend le capteur compatible avec la technologie CMOS.Le résonateur développé nous a permis d’atteindre un NNEA de 5.5⋅10^(-7) W⋅cm^(-1) Hz^(-1/2) en détection capacitive. Nous avons confronté ces résultats à un diapason en quartz en configuration “on-beam” pour lequel nous avons obtenu un NNEA de 1,3⋅10^(-7) W⋅cm^(-1) Hz^(-1/2) montrant que le résonateur fabriqué atteint l’état de l’art.Dans cette thèse, nous avons proposé une approche innovante basée sur un micro-résonateur mécanique qui permet d'intégrer et de miniaturiser les capteurs de gaz faisant progresser la recherche et le marché du capteur.


  • Résumé

    The gas sensors market is constantly growing. This growth is driven by a wide range of applications and increasing legislative constraints on air monitoring. Moreover, gases play a vital role in many aspects of people’s life. Despite the wide variety of gas sensors, it is challenging to find the one that provides a good balance between sensitivity, selectivity, stability, compactness and cost. Furthermore, a continuously expanding market demands the development of new solutions that will result in more technological innovations.This thesis is a part of a research project which aims to develop a compact, integrated and portable gas sensor with excellent selectivity, high sensitivity (ppb) in fast and continuous response. It primarily focuses on the development of an active sensor component that is responsible for compactness and high sensitivity measurement.The sensor proposed in this thesis is based on photoacoustic gas detection. We studied and realized a silicon microelectromechanical (MEMS) resonator characterized by a well-defined resonance with high quality factor, compared to the standard microphone. Subsequently, to detect the photoacoustic wave, we used silicon with a capacitive readout mechanism, which allows avoiding any material deposition and CMOS compatibility.With a fabricated resonator, we reach a NNEA of 5.5⋅10^(-7) W⋅cm^(-1) Hz^(-1/2) under capacitive detection. Subsequently, we compared the results to a bare quartz tuning fork in on-beam configuration for which we got an NNEA of 1.3⋅10^(-7) W⋅cm^(-1) Hz^(-1/2). Thus we can claim that the fabricated resonator presents state-of-the-art performance.In this thesis, we proposed an innovative approach based on a microelectromechanical resonator which, we believe, will allow to integrate and miniaturize gas sensors while advancing the sensor’s research and market.


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