Diviseur intégré au substrat pour la multi-détection de gaz

Diviseur intégré au substrat pour la multi-détection de gaz

Introduction

La fonctionnalisation du diviseur SIW présenté dans la figure 3.1 permet à ce dernier de changer de comportement en présence et en fonction de la grandeur physique à détecter. Pour ce faire, des trous vides sont percés à l’intérieur des branches du diviseur de puissance. Ces régions sont ensuite remplies d’un matériau diélectrique sensible à la présence de gaz ou de l’humidité. La figure 3-2 présente le diviseur de puissance intégré proposé avec la région fonctionnalisée.

Conception

Dans l’application suivante (figure .3.3), le diviseur de puissance a été conçu dans la bande de fréquence [8.4-8.6] GHz à base de trois guides SIW identiques, disposant des paramètres caractéristiques indiqués dans le tableau 1. Les guides SIW sont connectés de façon à former un T. On ajoute ensuite dans cette jonction, un cylindre métallique inductif de rayon r, positionné à xp, afin de minimiser les pertes par réflexion au niveau du port d’ entrée. Pour réaliser cet objectif, une optimisation du rayon r et de la position xp de l’élément perturbateur est nécessaire. Le rayon r du trou métallisé est fixe ensuite optimisé à l’aide des outils de simulation.

Matériaux utilisés

Le dioxyde d ‘étain : Sn02

La micro-poudre d’oxyde d’étain est un bon choix pour les détecteurs de gaz dans divers milieux pour ses caractéristiques avantageuses :
• Une grande sensibilité à divers gaz oxydants et réducteurs.
• Le faible coût.
• Simplicité de fabrication.
La grande majorité des capteurs sont basés sur la variation de la conductivité électrique de 1’oxyde d’étain, avant 1’adsorption des espèces gazeuses.
Dans ce travail de recherche, nous nous sommes intéressés aux changements de la constante diélectrique de la poudre de Sn02 en présence d’une faible concentration d’hydrogène (:52% dans 1’air) à température ambiante. Nous avons reçu la poudre Sn02 commerciale avec une taille de grain initiale entre 1 et 10 !lm de diamètre et avec une pureté de 99,9% d’Alfa Aesar (selon les données du fournisseur). Ensuite, la poudre a été broyé à l’aide d’un vibro-mill 8000 M Spex CertiPrep dans l’air, avec un rapport de masse entre la poudre et les billes de fraisage en acier de 1: 1 0, la poudre a été broyée à l’intérieur d’un creuset en acier pendant 60 minutes exactement. Après l’étape de broyage, aucun traitement post-recuit n’a été appliqué à la poudre broyée qui a été utilisée pour les expériences présentées ultérieurement. Une analyse structurale a été effectuée afin de déterminer 1’effet du broyage sur les propriétés de la poudre.
Les tests de sensibilité effectué dans [31], ont été menés à la fois avec la poudre non broyée et la poudre broyée durant 1 heure. Contrairement à la poudre commerciale initiale, l’échantillon Sn02 traité montre une sensibilité capacitive à la présence d’hydrogène.
Concrètement, ce résultat est lié à la différence de propriétés structurelles des deux poudres.
La sensibilité de la poudre peut être expliqué par la présence de défauts microstructurales qui agissent comme des sites d’adsorption. De plus, il est largement démontré dans la littérature que la diminution de la taille de cristalline Sn02 peut considérablement améliorer la sensibilité du capteur [32]. La figure 3.4 montre deux images MET (microscopie électronique en transmission) de la poudre de l’oxyde d’étain broyé et non broyé.

Nano cellulose

La cellulose est un composé organique avec la formule (C6HIOOS), est un composant structural important de la première paroi cellulaire des plantes vertes, de nombreuses formes d’algues et les oomycètes. Certaines espèces de bactéries le sécrètent pour former des biofilms .[33] La cellulose est le plus abondant organique polymère sur la Terre [34]. La teneur en cellulose de la fibre de coton est de 90%, et celle du bois est de 40 à 50% [35], [36].
La cellulose est principalement utilisée pour produire du carton et du papier. De petites quantités sont transformées en une grande variété de produits dérivés tels que cellophane et rayonne. La conversion de cellulose à partir de cultures énergétiques dans les biocarburants , tels que l’éthanol cellulosique est à l’étude en tant que source de combustible. La cellulose à usage industriel est principalement obtenue à partir de la pâte de bois et du coton [34].
Le CNF est un matériau composé de fibrilles de cellulose nanosatées avec un rapport d’aspect élevé (rapport longueur / largeur). Les largeurs typiques de fibrilles sont de 5 à 20 nanomètres avec une large gamme de longueurs, généralement de plusieurs micromètres, ce qui en fait des matériaux appropriés pour les mécanismes de détection micro-ondes. Il est pseudo-plastique et présente une thixotropie, la propriété de certains gels ou fluides épais (visqueux) dans des conditions normales, mais devient moins visqueux lorsqu’il est secoué ou agité. Lorsque les forces de cisaillement sont retirées, le gel retrouve une grande partie de son état d’origine. Les fibrilles sont isolées de toute source contenant de la cellulose, y compris les fibres à base de bois (fibres de pâte) par une homogénéisation, un broyage ou une microfluidisation à haute pression, à haute température et à grande vitesse.

L’alcool polyvinylique : le PVOH

Le poly (alcool vinylique) (PVOH, PVA, ou PVAL) est un polymère synthétique soluble dans l’eau. Il répond à la formule idéalisée [CH2CH (OH)] n. Il est utilisé dans la fabrication du papier, du textile, et une variété de revêtements. Il est blanc (incolore) et inodore. Il est parfois fourni sous forme de billes ou de solutions dans l’eau [38].
Le PVOH est un matériau atactique qui présente une cristallinité. En termes de microstructure, il est composé principalement de liaisons 1,3-diol [-CH2-CH (OH) -CH2- CH (OH) -] mais quelques pour cent de 1,2-diols [-CH2-CH (OH) -CH (OH) -CH2-], en fonction des conditions de polymérisation du précurseur d’ester vinylique [38].
L’alcool polyvinylique présente d’excellentes propriétés filmogènes, émulsionnantes et adhésives. Il est également résistant à l’huile, à la graisse et aux solvants. Il présente une résistance à la traction et une flexibilité élevées, ainsi que des propriétés de haute qualité pour l’oxygène et l’arôme. Cependant, ces propriétés dépendent de l’humidité, en d’autres termes, avec une humidité plus élevée, plus d’eau est absorbée. L’eau, qui agit comme plastifiant, réduira alors sa résistance à la traction, mais augmentera son allongement et sa résistance à la déchirure.

Résultats de détection de l’hydrogène à 2% et discussion

Cette section présente une preuve de concept pour vérifier la faisabilité du multi-capteur intégré au substrat pour la détection de gaz. La structure a été simulée pour optimiser ses fonctionnalités et pour choisir sa bande d’opération. Le prototype du multi-capteur de gaz a été fabriqué avec deux régions sensibles dans les branches du diviseur de puissance. Le dioxyde d’étain Sn02 a été choisi pour fonctionnaliser le diviseur de puissance et le rendre sensible à la présence d’hydrogène.
Le multi-capteur SIW a été conçu en utilisant l’ outil de simulation ADS [39] pour développer la structure du diviseur de puissance SIW et pour effectuer une analyse de propagation. Cette simulation permet d’estimer les caractéristiques du diviseur SIW telles que la fréquence de fonctionnement, la distribution du champ électrique à l’intérieur et la phase. L’effet de la forme de la région fonctionnalisée introduite à l’intérieur des branches du capteur SIW a été examiné. Les conditions limites absorbantes ont été appliquées le long des parois entourant la structure du multi capteur SIW. Le substrat utilisé est le Rogers 4003C (Er = 3,55, tan Ô = 0,0023, h = 1,524 mm) et une couche de cuivre d’épaisseur 17 j..lm. Le dioxyde d’étain Sn02 a été choisi pour fonctionnaliser le capteur et le rendre sensible à la présence d’hydrogène. L’introduction de la région fonctionnalisée avec le matériau sensible provoque des pertes de réflexion. Ceci n’affecte pas le principe de fonctionnement basé sur la mesure de phase.
Le banc de test présenté dans la figure 4.1 a été utilisé pour tester la capacité du capteur à détecter l’hydrogène. En augmentant le pourcentage d’hydrogène de 0% à 2%, le déphasage a été mesuré pour le multi-capteur SIW où la région sensible à l’hydrogène est dans la branche 2 (figure 3.2).
Le banc d’essai peut générer de 0% à 2% H2. Les tests commencent dans le vide avec une pression mesurée à l’intérieur de la chambre d’essai à 0,2 atm. Le débit de gaz d’azote est ensuite porté à 500 sccm pour remplir la chambre d’essai et la pression est stabilisée à 1 atm.
Les gaz d’azote et l’hydrogène qui pénètrent dans la boîte de mélange sont ensuite répartis en utilisant deux contrôleurs (MFCl et MFC2) présenté dans la figure 4.2. La quantité de gaz d’ azote dans la boîte de mélange diminue progressivement tandis que la quantité d’hydrogène augmente en conséquence.

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Table des matières

Résumé 
Remerciements 
Tables des matières 
Liste des figures 
Liste des tableaux
Chapitre 1 : Introduction 
1.1 . Problématique
1.2. Les objectifs et l’originalité du sujet
Chapitre 2 : Revue de la littérature 
2.1 Introduction
2.2 Les guides d’ondes
2.2.1 Généralités
2.2.2 Principe de fonctionnement
2.2.3 Analyse
2.3 Généralité sur les SIW
2.4 Transition des lignes microrubans aux guides d’ondes intégrés au substrat
2.5 Les diviseurs de puissance
2.5.1 Présentation
2.5.2 Théorie des diviseurs de puissance
2.6 Les diviseurs de puissance intégrés au substrat SIW
Chapitre 3 – Diviseur intégré au substrat pour la multi-détection de gaz
3.1 Introduction
3.2 Conception
3.3 Matériaux
3.3.1 Matériaux présentés dans la littérature pour la détection de gaz
3.3.2 Matériaux utilisés
3.3.2.1 Le dioxyde d’ étain : Sn02
3.3.2.2 Nano cellulose
3.3.2.3 L’alcool polyvinylique: le PVOH
Chapitre 4 – Résultats et discussion 
4.1. Résultats de détection de l’hydrogène à 2%et discussion
4.2. Résultats de détection de l’humidité et discussion
4.2.1. Nanocellulose
4.2.2. PVOH
4.3. Considérations de conception
4.3.1. Variation des dimensions de la zone fonctionnalisée en considérant une longueur fixe des branches
4.3.2. Variation de la longueur des branches en considérant des dimensions fixes de la zone fonctionnalisée
4.3.3. Variation de la longueur des branches et des dimensions de la zone fonctionnalisée
4.4. Multicapteur à plusieurs branches
Chapitre 5 : Conclusion 
Références

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