Capteurs environnementaux à base de dispositifs photonique pour la surveillance de la qualite de l’air dans l’automobile

Photonics-based environmental sensors for automotive air quality monitoring

• Auteur / Autrice : Chander Bhan Chander Bhan
• Direction : Régis Orobtchouk, Paul Charette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, micro et nanoélectronique, optique et laser
• Date : Soutenance le 19/12/2024
• Etablissement(s) : Lyon, INSA en cotutelle avec Université de Sherbrooke (Québec, Canada)
• 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 : Institut des Nanotechnologies de Lyon (Villeurbanne -Ecully, Rhône ; 2007) - Institut des Nanotechnologies de Lyon - Site de l'INSA / INL
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : INL - I-Lum - INL - Ingénierie et conversion de lumière (i-Lum)
• Jury : Président / Présidente : Yves Jourlin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Régis Orobtchouk, Paul Charette, Yves Jourlin, Emmanuel Hadji, Élise Ghibaudo, Michael Canva, Aurore Vicet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Hadji, Élise Ghibaudo
• DOI : 10.70675/9089c46dzbebbz4849zae81z08ec94b2d2e9

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique

Détecteurs de gaz

Qualité de l'air

Automobiles

Pollution atmosphérique

Mots clés libres

Electronique

Capteur de particules - Capteur PM

Dispositif photonique

Résonateur en anneau

Piègeage optique

Force optique

Guide d'onde

Qualité de l'air

Piègeage des nanoparticules

Détection optique

Particules fines

Electronics

PM sensor - Particle sensor

Photonic devices

Ring resonator

Optical trapping

Optical force

WaveGuide

Air quality

Nanoparticle trapping

Optical detection

Fine particles

Résumé

Cette thèse explore les dispositifs de circuits photoniques intégrés (PIC) basés sur une plateforme en nitrure de silicium (SiN), en mettant l'accent sur leur potentiel pour la détection de particules dans l'air, un élément clé des capteurs de l'indice de qualité de l'air (AQI). La haute sensibilité volumique des résonateurs à anneaux (MRR) dans ces dispositifs permet la détection de faibles concentrations de particules, tandis que les forces optiques permettent le piégeage spécifique à la taille des particules. Pour relever les défis liés au piégeage de particules diélectriques de moins de 100 nm, cette recherche explore diverses structures photoniques, y compris des guides d'onde diélectriques, des résonateurs en mode d'ordre supérieur (HOM) et des guides d'onde plasmoniques hybrides. cette étude comprend leur conception, leur fabrication et leur compatibilité avec des plateformes industrielles telles que DAPHNE de STMicroelectronics. L'analyse des forces optiques, réalisée à l'aide de méthodes telles que le tenseur de contrainte de Maxwell (MST) et l'approximation de dipôle discret (DDA), fournit un cadre rigoureux pour optimiser la conception et évaluer différentes structures. Les résultats soulignent le potentiel des guides d'ondes HOM et des guides d'ondes plasmoniques hybrides pour le piégeage optique avancé et la détection de l'IQA, ouvrant ainsi la voie à des approches innovantes pour les applications de surveillance de l'environnement.

This thesis explores photonic integrated circuit (PIC) devices based on a silicon nitride (SiN) platform, focusing on their potential for airborne particle detection, a key component of air quality index (AQI) sensors. The bulk sensitivity of the ring resonators (MRR) in these devices enables detection of low particle concentrations, while the optical forces enable size-specific trapping of particles. To address the challenges of trapping dielectric particles smaller than 100 nm, this research explores various photonic structures, including dielectric waveguides, higher-order mode (HOM) resonators and hybrid plasmonic waveguides. The study includes their design, fabrication and compatibility with industrial platforms such as STMicroelectronics' DAPHNE. Optical force analysis, using methods such as Maxwell's stress tensor (MST) and discrete dipole approximation (DDA), provides a rigorous framework for optimizing the design and evaluating different structures.The findings underscore the potential of HOM waveguides and hybrid plasmonic waveguides for advanced optical trapping and AQI sensing, paving the way for innovative approaches to environmental monitoring applications.