Design and production of Gallium Nitride based anti-pollution gas sensors for automotive applications. Conception et réalisation de capteurs de gaz antipollution à base de Nitrure de Gallium pour application automobile

Archive ouverte : Thèse

Chahdi, Hassane Ouazzani

Edité par HAL CCSD

Le nitrure de gallium (GaN) est un semi-conducteur à large bande interdite ayant des propriétés physiques exceptionnelles. C’est un matériau très convoité pour la réalisation de dispositifs en électronique de puissance RF ou de commutation, en plus de pouvoir être fonctionnel à haute température. Dans ce cadre, des transistors à haute mobilité de type HEMT à base de GaN sont mis à profits pour réaliser des capteurs de gaz afin de détecter avec précision et rapidité plusieurs types de polluants automobiles (NO, NO2, NH3). Pour se faire, plusieurs catalyseurs (Pt, Pd, Ir) sont utilisés comme électrodes sensibles tout en formant la commande d’une grille de transistor flottante. La proximité d’un gaz d’électrons à 2 dimensions juste sous la surface de cette électrode, assure la haute sensibilité du dit capteur. Cependant, plusieurs concepts sont à démontrer et plusieurs verrous technologiques restent à relever avant de pouvoir les intégrer dans la ligne d’échappement d’un véhicule automobile. Dans ce contexte, ce travail a pour objectif la conception et la fabrication de réseaux de capteurs de gaz à base de GaN, hautement sensibles, sélectifs et stables pour un fonctionnement en continu jusqu’à 600 C. Ces capteurs packagés une fois optimisés, sont disposés de part et d’autre du filtre à particule d’un véhicule automobile du groupe PSA. La première étape a été de concevoir, de fabriquer et de choisir parmi plusieurs topologies de capteurs (rectiligne, circulaire et serpentin), de les analyser sous un gaz cible donné (O2, H2) dilué ou pas dans de l’azote et pour des températures de fonctionnement variant de 300 C à 550 C. Ce travail a donné lieu à la conception et à la réalisation de plusieurs topologies de nez électronique, hautement sensibles et très rapides relatifs à plusieurs autres gaz cibles (NO, NO2, NH3) dilués sous N2 et optimisés pour fonctionner à une température spécifique. La dernière partie de ce travail a consisté à concevoir et à fabriquer des réseaux de capteurs pouvant fonctionner dans des conditions réelles directement dans son environnement qu’est le véhicule automobile. Dans ce cas, il a fallu prendre en considération la présence d’autres gaz oxydant et réducteur (CO, HC. . . ) pouvant nuire aux performances de nos détecteurs de gaz. Nous avons alors opté pour la conception, la fabrication et l’optimisation de capteurs sélectifs pouvant fonctionner en continu à 600 C. L’ajout d’une ou plusieurs cellules ampérométrique (Pt − Y SZ − Pt), d’une cavité et d’un filtre catalytique permettent d’une part d’éliminer les interférences générées par d’autres gaz réducteurs, en particulier le monoxyde de carbone (CO), l’hydrogène (H2), les hydrocarbures (CxHy) et d’autre part, de quantifier exclusivement les gaz cibles désirés NO, NO2, O2 et NH3. Ce travail entre dans le cadre du projet ANR CLEANING et regroupe différents partenaires : Georgia-Tech Lorraine (Metz-France) pour la synthèse des épitaxies à base de nitrure de gallium, l’IEMN/LN2 pour la conception et la fabrication en salle blanche des réseaux de capteurs et nez électronique et pour tous les aspects packaging en environnement hostiles. . Le nitrure de gallium (GaN) est un semi-conducteur à large bande interdite ayant des propriétés physiques exceptionnelles. C’est un matériau très convoité pour la réalisation de dispositifs en électronique de puissance RF ou de commutation, en plus de pouvoir être fonctionnel à haute température. Dans ce cadre, des transistors à haute mobilité de type HEMT à base de GaN sont mis à profits pour réaliser des capteurs de gaz afin de détecter avec précision et rapidité plusieurs types de polluants automobiles (NO, NO2, NH3). Pour se faire, plusieurs catalyseurs (Pt, Pd, Ir) sont utilisés comme électrodes sensibles tout en formant la commande d’une grille de transistor flottante. La proximité d’un gaz d’électrons à 2 dimensions juste sous la surface de cette électrode, assure la haute sensibilité du dit capteur. Cependant, plusieurs concepts sont à démontrer et plusieurs verrous technologiques restent à relever avant de pouvoir les intégrer dans la ligne d’échappement d’un véhicule automobile. Dans ce contexte, ce travail a pour objectif la conception et la fabrication de réseaux de capteurs de gaz à base de GaN, hautement sensibles, sélectifs et stables pour un fonctionnement en continu jusqu’à 600 C. Ces capteurs packagés une fois optimisés, sont disposés de part et d’autre du filtre à particule d’un véhicule automobile du groupe PSA. La première étape a été de concevoir, de fabriquer et de choisir parmi plusieurs topologies de capteurs (rectiligne, circulaire et serpentin), de les analyser sous un gaz cible donné (O2, H2) dilué ou pas dans de l’azote et pour des températures de fonctionnement variant de 300 C à 550 C. Ce travail a donné lieu à la conception et à la réalisation de plusieurs topologies de nez électronique, hautement sensibles et très rapides relatifs à plusieurs autres gaz cibles (NO, NO2, NH3) dilués sous N2 et optimisés pour fonctionner à une température spécifique. La dernière partie de ce travail a consisté à concevoir et à fabriquer des réseaux de capteurs pouvant fonctionner dans des conditions réelles directement dans son environnement qu’est le véhicule automobile. Dans ce cas, il a fallu prendre en considération la présence d’autres gaz oxydant et réducteur (CO, HC. . . ) pouvant nuire aux performances de nos détecteurs de gaz. Nous avons alors opté pour la conception, la fabrication et l’optimisation de capteurs sélectifs pouvant fonctionner en continu à 600 C. L’ajout d’une ou plusieurs cellules ampérométrique (Pt − Y SZ − Pt), d’une cavité et d’un filtre catalytique permettent d’une part d’éliminer les interférences générées par d’autres gaz réducteurs, en particulier le monoxyde de carbone (CO), l’hydrogène (H2), les hydrocarbures (CxHy) et d’autre part, de quantifier exclusivement les gaz cibles désirés NO, NO2, O2 et NH3. Ce travail entre dans le cadre du projet ANR CLEANING et regroupe différents partenaires : Georgia-Tech Lorraine (Metz-France) pour la synthèse des épitaxies à base de nitrure de gallium, l’IEMN/LN2 pour la conception et la fabrication en salle blanche des réseaux de capteurs et nez électronique et pour tous les aspects packaging en environnement hostiles.

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