Étude et optimisation de capteurs d’oxyde d’azote (NO2) à base de couches sensibles de dioxyde d'étain (SnO2) pour des applications aux mesures de la qualité de l’air

Study and optimization of nitrogen oxide (NO2) sensors based on tin dioxide thin films for air quality measurement applications

• Auteur / Autrice : Antonio Assaf
• Direction : Abdelkader Souifi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, micro et nanoélectronique, optique et laser
• Date : Soutenance le 24/02/2023
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône) - Institut des Nanotechnologies de Lyon - Site de l'INSA / INL
• Jury : Président / Présidente : Adnane Abdelghani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelkader Souifi, Adnane Abdelghani, Paolo Bondavalli, Sandrine Bernardini, Bassem Salem, Bertrand Vilquin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Adnane Abdelghani, Paolo Bondavalli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Air -- Qualité

Détecteurs de gaz

Électronique

Mots clés libres

Electronique

Capteur de gaz

Qualité de l'air

Dioxyde d'étain - SnO2

Catalyseur

Basse température

Oxyde métallique

Dioxyde d'azote - NO2

Electronics

Gas Sensor

Air quality

SnO2 - Tin dioxide

Catalyst

Low Temperature

Metal oxide

NO2 - Nitrogen dioxide

Résumé

Le besoin en capteurs de gaz évolue avec le développement des applications dans les domaines de l’industrie et de l’automobile. Pour répondre à cette demande, les capteurs à base d’oxyde métallique présentent des avantages uniques comme leur faible coût, une grande sensibilité́ et une intégration facile dans un système portable miniaturisé. Cependant, ces capteurs souffrent d'un coût énergétique élevé du fait de leurs hautes températures de fonctionnement. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail est d'optimiser les capteurs à base de dioxyde d'étain afin d'abaisser leur température de fonctionnement. Le gaz cible dans cette étude est le dioxyde d'azote (NO2). D’abord, nous avons optimisé la synthèse des films de SnO2 élaborés par pulvérisation à radiofréquence de manière à obtenir les caractéristiques morphologiques, stœchiométriques et électriques les plus adaptées à la détection de gaz. Aussi, nous avons également optimisé le dépôt de couches de palladium à la surface des films de SnO2 par évaporation servant de catalyseurs. Par la suite, nous avons simulé l'architecture du capteur (électrodes interdigitées + film sensible) à l'aide du logiciel SILVACO TCAD afin d’optimiser la géométrie du capteur. Des capteurs à base de SnO2 sans catalyseur ont ensuite été développés afin de sélectionner la géométrie optimale pour la détection du NO2. Le capteur retenu possède une température de fonctionnement optimale de 100°C pour la détection de NO2, avec une limite de détection de 250 ppb. Finalement, des capteurs à base de SnO2 dopé au palladium ont été conçus. Ces capteurs montrent une bonne sensibilité au NO2 à très basse température (50°C). Ce résultat est l’aboutissement du projet dont l’objectif à terme vise la réalisation de capteurs de gaz à base oxyde métallique à faible consommation d’énergie.

With the developing of industrial and automotive applications, the demand for gas sensors is evolving. In order to meet this demand, metal oxide-based sensors offer unique benefits such as low cost, high sensitivity and simple integration into a miniaturized portable device. However, such sensors suffer from high power consumption due to their high operating temperatures. In this context, the objective of this work is to optimize tin dioxide based sensors in order to reduce their operating temperature. The target gas in this study is nitrogen dioxide (NO2). First, we have optimized the deposition of SnO2 films via PVD RF sputtering to obtain the most suitable morphological, stoichiometric and electrical characteristics for gas sensing. Moreover, we have optimized the deposition of palladium thin layers on the surface of SnO2 films via thermal evaporation to serve as catalysts. Next, we have simulated the sensor architecture (interdigitated electrodes + sensitive film) using SILVACO TCAD software to optimize the sensor geometry. SnO2-based sensors without catalyst were then developed to select the optimal geometry for NO2 detection. The selected sensor has an optimal operating temperature of 100°C for NO2 detection, with a detection limit of 250 ppb. Last, palladium doped-SnO2 sensors have been developed. These sensors show a good sensitivity to NO2 at low temperature (50°C). This result is the main outcome of this work, which aims towards developing low power consumption metal oxide gas sensors.