Modèle équivalent

Dans cette partie nous cherchons à proposer un modèle équivalent de notre structure résonante ainsi qu’un modèle équivalent de la partie sensible qui sera intégré. L’objectif est de maitriser et de prévoir l’effet de la variation de l’élément sensible sur le transducteur et de pouvoir valider ces modèles à l'aide d'un processus d'optimisation avec les paramètres S avant et après détection sous gaz.

Le modèle équivalent représenté par la figure A-7 a été réalisé sur le logiciel de modélisation circuit ADS. Ce modèle est constitué d’un circuit RLC avec deux accès microstrip en tenant compte des effets du substrat. Les éléments localisés du circuit équivalent ont été optimisés pour obtenir le meilleur résultat d’ajustement entre les simulations effectuées sur HFSS et sur ADS, sur une plage de fréquence de 1 GHz à 6 GHz. Le travail effectué jusqu’à maintenant nous a permis de s’approcher de l’allure de notre résonateur avec ce modèle équivalent présenté ci-dessous mais il reste encore de l’optimisation à faire.

Figure A-7- Modèle équivalent sous ADS

La figure A-8 présente la simulation des paramètres S effectuée sur HFSS comparée à la simulation effectuée sur ADS.

Figure A-8- comparaison entre la simulation sur ADS et sur HFSS

Parmi nos perspectives est de réussir à trouver un modèle équivalent de la partie sensible qui représente au mieux les effets produits sur notre résonateur également d’associer les paramètres de chaque élément du modèle à ceux du capteur.

Dans la littérature, Rosa et al. [154] ont conçu un modèle électrique de capteurs de gaz à base de nanotubes de carbone multi parois totalement imprimé par impression jet d’encre présenté dans la figure A-9. L’échantillon de test est un capteur de gaz hautement sensible imprimé sur un substrat en papier et exposé à différentes concentrations de dioxyde d'azote.

Figure A-9- échantillon de test : (a)ligne de transmission imprimé par jet d’encre avec de la MWCNTs déposé au milieu (b) Circuit équivalent de la structure de détection de gaz dans l'air

Des mesures d'impédance de 50 MHz à 3 GHz à température ambiante ont été effectuées afin de valider le circuit équivalent (A-10).

Figure A-10- Ajustement à bande étroite autour de 866,5 MHz et 2,4 GHz: comparaison entre la simulation sur le circuit équivalent proposé et les mesures d'impédance en NO2 à différentes

concentrations

Les résultats montrent que les mécanismes de détection introduits par le gaz peuvent être principalement liés à une variation résistive du circuit équivalent (associée à la résistance de contact et à la résistance MWCNT figure A-11).

Figure A-11- Circuit équivalent et éléments variables sous exposition au gaz NO2

Les résultats rapportés confirment que l'encre MWCNT est un candidat très prometteur pour la détection de gaz et que le modèle équivalent proposé peut être exploité à grande échelle.

Jimmy et al. [155] ont présenté un modèle électrique d’un capteur constitué des électrodes interdigitées (IDE) à base de (SWCNT) entièrement imprimé par jet d'encre, dans la gamme de fréquences de 500 MHz à 2 GHz. Ce modelé est présenté dans la figure A-12 avec la structure réalisée.

Figure A-12-(à gauche) Image de la structure flexible entièrement imprimée par jet d'encre, à base sur SWCNT (à droite) Circuit équivalent de la structure IDE de détection

Deux modèles sensibles, l'un intrinsèque au film SWCNT imprimé par jet d'encre, l’autre extrinsèque (pour les IDE) ont d'abord été conçu et superposés. Les modèles ont ensuite été vérifiés à l'aide d'un processus d'optimisation avec les paramètres S avant et après détection sous gaz. Seuls les paramètres intrinsèques montrent une sensibilité de détection significative. Le modèle proposé constitue un tremplin pour l’intégration de capteurs IDE à base de nanomatériaux pour la mise en œuvre de capteurs UHF imprimés à jet d’encre à faible coût.

Capteur de gaz à base de nanotubes de carbone, imprimé par technologie jet d’encre

Au cours de ces dernières années, le développement des capteurs de gaz a connu un essor grandissant pour des applications industrielles, militaires et environnementales afin d’assurer la sécurité et la protection contre les gaz nocifs et toxiques. Ces applications demandent des capteurs sensibles, sélectifs, à faible consommation d’énergie et à faible coût. Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit, s’inscrit dans ce contexte. Il a pour objectif la réalisation d’un capteur hyperfréquence à base de nanotubes de carbone et fabriqué par technologie jet d’encre. Le principe de fonctionnement du capteur repose sur la caractérisation en fréquence d’un résonateur RF, dont un élément est sensible grâce aux nanotubes de carbone, à la présence d’un gaz environnant. Le manuscrit aborde l’ensemble des étapes nécessaires à la réalisation du capteur, à savoir : la conception des dispositifs de test, s’appuyant sur une étude théorique de leur comportement, la caractérisation des matériaux utilisées, la fabrication sur un substrat flexible par une technique d’impression jet d’encre et enfin la caractérisation du capteur de gaz en termes de comportement en fréquence et de sensibilité en présence de gaz.

Mots-clés : Capteur de gaz, nanotube de carbone, impression jet d’encre, résonateur hyperfréquence

Gas sensor based on carbon nanotubes, printed by inkjet technology

In recent years, the development of gas sensors has grown rapidly for industrial, military and environmental applications to ensure safety and protection against harmful and toxic gases. These applications require sensitive, selective, low power and low cost sensors. The thesis work presented in this manuscript fits into this context. Its objective is the realization of a microwave sensor based on carbon nanotubes and manufactured by inkjet technology. The operating principle of the sensor is based on the frequency characterization of an RF resonator, one element of which is sensitive, thanks to the carbon nanotubes, to the presence of a surrounding gas. The manuscript addresses all the steps necessary for the realization of the sensor, namely: the design of the test devices, based on a theoretical study of their behavior, the characterization of the materials used, the fabrication on a flexible substrate by a inkjet printing technique and finally the characterization of the gas sensor in terms of frequency behavior and sensitivity in the presence of gas.