Intégration de capteurs en technologie CMOS sur silicium pour les mesures de la qualité de l'air en temps réel

Integration of sensors in CMOS technology on silicon for real-time air quality measurements

• Auteur / Autrice : Aymen Ghouma
• Direction : Bassem Salem, Abdelkader Souifi
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nano électronique et Nano technologies
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Technologies de la Microélectronique

Mots clés

Mots clés libres

Internet des Objets

Qualité de l'Air

Capteurs

Nanotechnologies

Systèmes embarqués

Nanomatériaux sensibles

Nanomaterials

Sensors

Air Quality

Nanotechnology

Embedded systems

Internet of Things

Résumé

Le sujet de thèse proposé s'appuie sur des travaux de recherche initiés entre le CNRS et STMicroelectronics pour le développent de capteurs électrochimiques sur CMOS. Le LTM à Grenoble est notamment partenaire du projet « gas sensing » Nano2022 qui concerne le monitoring de la qualité de l'air en extérieur (« out-door »). Ce projet concerne plus précisément le développement de capteurs de CO2, COx et NOx pour le marché de l'automobile par exemple. La thèse proposée s'intègre dans la continuité des travaux initiés et propose l'étude et le développement de systèmes de capteurs de qualité de l'air en environnement confiné « Indoor ». L'étude proposée concerne plus précisément la détection de composés organiques volatils (COV). Les COV sont principalement liés à l'évaporation de solvants organiques très présents dans l'industrie et dans notre environnement quotidien et peuvent avoir des impacts très négatifs sur la santé. Le contrôle de la concentration de COV en espace fermé présente donc un réel intérêt de santé publique. L'objectif de la thèse est de développer et d'étudier un système multiplexé intégrant la mesure de température, et du taux d'humidité (RH) à la détection simultanée de composés organiques volatils. Le démonstrateur proposé associera plusieurs capteurs avec une approche System in Package (SiP) après le développement de capteurs sélectifs aux polluants ciblés. Les figures de mérites des capteurs chimiques sont nombreuses : sensibilité, limite de détection, réversibilité, plage de détection, sélectivité, temps de réponse, dérive temporelle, durée de vie, consommation d'énergie… Dans ce projet de thèse, nous intéresseront naturellement aux propriétés de sensibilité, de sélectivité, de réversibilité et de dérive temporelle en tenant compte des applications visées. La priorité sera cependant accordée à l'étude de la réduction des températures d'opération des capteurs afin de limiter la consommation des systèmes pour répondre aux enjeux de basse consommation et d'autonomie primordiales pour des applications compatibles avec l'IoT.

Air quality monitoring is now a major challenge, given the high environmental impacts associated with transport, industrial and domestic activities. Current systems for detecting and identifying pollutants are generally cumbersome and very expensive. In this context, the development of embedded and autonomous multi-sensor systems presents a very promising alternative. Over the past decades, we have witnessed a significant development of “e-nose” based on integrated gas sensors on CMOS technologies. The proposed PhD project will concern air quality sensor systems for «Indoor» applications. The PhD project will be focused on volatile organic compounds (VOCs) sensors integrated on FDSOI-CMOS. VOCs are mainly related to the evaporation of organic solvents that are very present in industry and in our daily environment and can have very negative impacts on health. Controlling the concentration of VOCs in enclosed spaces is therefore of real public health interest. The aim of the project is to study and develop a multiplexed system integrating the measurement of temperature, humidity (RH) and the simultaneous detection of volatile organic compounds. The proposed demonstrator will combine several sensors with a System in Package (SiP) approach. The sensor's parameter will be carefully studied: sensitivity, selectivity, reversibility and drift. However, priority will be given to the study of the reduction of sensor operating temperatures in order to limit the energy consumption of the systems to meet the challenges of low consumption and autonomy essential for applications compatible with IoT.