Integrated SOI photoacoustic gas sensor at THz frequencies for food quality control application. Capteur à gaz intégrée sur SOI pour la détéction photoacoustique aux fréquences THz, appliqué au contrôle de qualité alimentaire

Archive ouverte : Thèse

Akiki, Elias

Edité par HAL CCSD

In this thesis work, a photoacoustic THz gas sensor (operating in the 620-690 GHz band) used for monitoring Volatile Organic compounds (VOCs) in food packages is presented. This gas sensor is fabricated on low-loss THz High resistivity Silicon (HR-Si) waveguides. The design, modal analysis, and propagation losses of the suspended Si waveguide are discussed in detail. Highly competitive losses not exceeding 0.6 dB/cm in this band have been measured. Three different resonators: photonic, acoustic, and mechanical are at the origin of the gas sensor designs. They allow to triply enhance the detected photoacoustic signal and to reduce the minimum detection limit of the gas sensor. Photonic crystal (PhC) cavities representing the THz photonic resonator are created on top of the Si waveguide. The design optimization and experimental characterizations of several THz PhC cavities are presented in this work. This has led to a resonant PhC cavity at 640 GHz with a record Q factor of 18000. A central hole of the PhC cavity behaves as an acoustical resonator. It is covered by a stressed polycrystalline silicon (Poly-Si) membrane that corresponds to the mechanical resonator. Analytical analysis and experimental characterization measurements are performed to study these acousto-mechanical resonators. The combination of the above realizations has allowed us to demonstrate the first THz photoacoustic detection of low concentrations (200 ppm) of H2S molecules on an integratable platform. H2S being a crucial indicator of food spoilage, this work is therefore an important first step towards a real time compact sensor technology, both for food quality control applications as well as environmental and biomedical ones. . Ce travail de thèse présente un capteur de gaz photoacoustique aux fréquences THz utilisé pour surveiller les composés organiques volatils (COV) dans les emballages alimentaires. Ce capteur de gaz est fabriqué sur un guide d'onde THz à faible perte en silicium à haute résistivité (HR-Si). La conception, l'analyse modale et les pertes de propagation du guide d'onde Si suspendu sont discutées en détail. Des pertes très compétitives ne dépassant pas 0,6 dB/cm dans cette bande ont été mesurées. Trois résonateurs différents : photonique, acoustique et mécanique sont à l'origine de la conception des capteurs de gaz. Ils permettent d'amplifier le signal photoacoustique détecté et de réduire la limite de détection minimale du capteur de gaz. Des cavités cristaux photoniques (PhC) représentant le résonateur photonique THz sont créées au-dessus du guide d'onde Si. L'optimisation du design et les caractérisations expérimentales de plusieurs cavités PhC THz sont présentées dans ce travail. Cela a conduit à une cavité PhC à 640 GHz avec un facteur Q record de 18000.Un trou central de la cavité PhC se comporte comme un résonateur acoustique. Il est recouvert d'une membrane de silicium polycristallin (Poly-Si) sous contrainte qui correspond au résonateur mécanique. Une analyse analytique et des mesures de caractérisation expérimentales sont effectuées pour étudier ces résonateurs acoustomécaniques. La combinaison des réalisations ci-dessus nous a permis de démontrer la première détection photoacoustique THz de faibles concentrations (200 ppm) de molécules H2S sur une plateforme intégrable. Le H2S étant un indicateur crucial de la dégradation alimentaire, ce travail est donc un premier pas important vers une technologie de capteur compact, temps réel, à la fois pour des applications de contrôle de qualité alimentaire et des applications environnementales et biomédicales.

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