Lettre du LAAS

Publication trimestrielle du Laboratoire
d'analyse et d'architecture des systèmes du CNRS

Cette étude avait comme objectif de montrer la faisabilité d'un nouveau capteur de gaz à transduction RF, passif et communicant. Pour cela, il y donc eu une première étape de conception, puis de réalisation et enfin de caractérisation. Ce nouveau type de capteur est composé d'une part d'une plateforme silicium avec des lignes coplanaires sur membrane et d'autre part d'un résonateur diélectrique (RD), monté sur une cale, entre les deux lignes coplanaires. L'association de ces deux éléments permet de réaliser un filtre que nous excitons par une onde électromagnétique aux hyperfréquences en modes de galerie. Grâce à l'effet de « Relaxation Diélectrique » (variation de la permittivité en fonction de la fréquence liée à l'adsorption de molécules gazeuses), nous pouvons détecter une variation de l'ambiance gazeuse par un décalage d'une fréquence de résonance du filtre. La première étape de conception a été réalisée grâce à un outil de simulation numérique 3D (le logiciel HFSSTM). Celui-ci nous a permis de générer une structure optimisée géométriquement pour atteindre les meilleures performances possible du filtre. Les résultats ont montré par simulation que la mesure de la fréquence de résonance d'un des modes de galerie dans le RD permettait de détecter facilement la présence de gaz avec une très grande sensibilité (grâce à un facteur de qualité très élevé). Le développement de ce circuit simulé a été réalisé en deux étapes : la fabrication des lignes coplanaires micro-usinées et l'élaboration du résonateur diélectrique à base d'un oxyde métallique capable d'adsorber différents gaz et ayant une permittivité relative compatible avec le domaine de fréquence visé (Bande Ka). Plusieurs voies ont été étudiées pour cette réalisation délicate compte tenu des dimensions à respecter (6,5mm de diamètre sur 360µm d'épaisseur) et des techniques existantes. La réalisation d'un RD en TiO2 avec une porosité contrôlée a été abordée en collaboration avec le CIRIMAT en utilisant la technique SPS (Spark Plasma Sintering), une voie prometteuse mais non encore maitrisée pour nos structures. Compte tenu des difficultés rencontrées et des délais nécessaires, nous avons validé le concept du capteur en utilisant un résonateur en céramique (BaSmTiOxide) réalisé par Temex-Ceramics. L'assemblage des deux parties du capteur, grâce à la technique du Flip-Chip, nous a permis d'obtenir les premiers dispositifs et de les caractériser à l'aide d'un testeur sous-pointes hyperfréquence sous différentes ambiances (air, eau, éthanol et isopropanol). Les résultats obtenus coïncident bien avec ceux de simulation ce qui valide le principe et le design de ce nouveau capteur. A titre d'exemple, la présence de vapeurs d'isopropanol et d'éthanol engendre un décalage en fréquence de 120MHz et de 200MHz respectivement par rapport à la mesure sous air autour de 30GHz. Enfin, une dernière partie de l'étude est focalisée sur la communication sans fil de ce capteur passif grâce à un RADAR FMCW réalisé au LAAS.