Conception, fabrication et caractérisation de microsystèmes résonnants pour la détection de l'hydrogène dans l'environnement radioactif

Design, fabrication and characterization of micro resonant systems for hydrogen detection in the radioactive environment

• Auteur / Autrice : Priyadarshini Shanmugam
• Direction : Daniel Alquier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 03/12/2021
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherche en Matériaux, Microélectronique, Acoustique et Nanotechnologies
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Dufour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Alquier, Edwige Bano, Erik Vilain Thomsen, Dominique Certon, Jean-François Michaud
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Edwige Bano, Erik Vilain Thomsen

Mots clés

Mots clés libres

3C-SiC

Micro poutre

Détection de gaz

Capteur d'hydrogène

3C-SiC

Micro cantilever

Gas detection

Hydrogen sensor

Résumé

Un détecteur de gaz est un dispositif capable de détecter des gaz dans notre environnement, notamment des gaz dangereux dans des environnements extrêmes. Notre objectif est de développer un microsystème pour la surveillance de l'hydrogène dans un environnement radioactif. En effet, l'hydrogène est hautement inflammable dans l'air lorsqu'il est mélangé à des concentrations allant de 4 à 70 %. Compte tenu de la nature risquée de ce gaz, le capteur proposé doit être très fiable et efficace afin de protéger nos vies lors d'un accident inattendu. Nous pouvons y parvenir avec un capteur de gaz qui possède des caractéristiques, telles que bonne sensibilité et sélectivité, propriété du matériau adéquate, etc. Jusqu'à présent, les capteurs de gaz disponibles dans le commerce sont pour la plupart recouverts d'un matériau dit sensible, ce qui entraîne des défaillances du dispositif, comme son vieillissement, une fiabilité moindre et un temps de réponse plus long. En revanche, il existe quelques capteurs physiques basés sur le Lidar à la détection de la conductivité thermique, mais ils sont soit de taille énorme, soit ont des limites de détection trop élevées. Pour surmonter ces inconvénients, nous présentons deux types de capteurs physiques du type MEMS (micro-electromechanical systems) sans revêtement sensible. Le premier système est constitué de transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés (CMUTs: Capacitive Micromachined Ultrasound Transducers) en nitrure de silicium. Ils détectent les changements dans le mélange gazeux en raison des variations de la densité massique du gaz et de la vitesse de propagation des ultrasons. Le deuxième système est un microcantilever sans revêtant en carbure de silicium du type cubique (3C-SiC). Le choix de ce matériau est notamment basé sur ses propriétés mécaniques exceptionnelles et sa résistance aux environnements sévères. Les deux microsystèmes sont développés pour détecter la présence d'hydrogènes gazeux en dessous de la limite inférieure d'explosivité, c'est-à-dire <4 %, dans un environnement radioactif. Les résultats obtenus ont prouvé cette hypothèse et ont détecté une concentration d'hydrogène inférieure à 1 %. Mots clés: capteurs d'hydrogène gazeux, CMUTs, 3C-SiC, microcantilevers, densité massique, vitesse ultrasonore, détection de gaz.

A gas sensor is a device that can detect gases in our surroundings, especially dangerous ones in extreme environments. Our goal is to develop a microsystem for hydrogen surveillance in a radioactive environment. Moreover, hydrogen is highly flammable in air when mixed to a level of 4 to 70 %. Given the risky nature of the gas, the proposed sensor should be highly reliable and effective to protect our lives from an unexpected accident. We can accomplish this with a gas sensor that has better-related attributes, such as sensitivity, selectivity, material property, etc. Until now, the commercially available gas sensors are mostly coated with sensitive material, which causes various device failures, like ageing, low reliability and high response time. In contrast, there are few physical sensors based on Lidar and thermal conductivity detection, but these are either huge in size or have higher limits of detection. To overcome these disadvantages, we present two types of MEMS (micro-electromechanical systems) physical sensors without sensitive coating. The first system is capacitive micromachined ultrasonic transducers (CMUTs) made of silicon nitride. This detects changes in gas mixture due to shifts in gas mass density and ultrasound velocity. Second system is an uncoated microcantilever made of cubic silicon carbide (3C-SiC). This material was chosen for its excellent mechanical properties and its ability to withstand harsh/radioactive environments. Both the microsystems are developed to detect the presence of hydrogen gas below lower explosion limit (LEL), i.e. <4 %, in a radioactive environment. The obtained outcomes proved the hypothesis and detected concentration of hydrogen inferior to 1 %. Keywords: hydrogen gas sensors, CMUTs, 3C-SiC, microcantilevers, mass density, ultrasound velocity, gas sensing.