Conception et réalisation de capteurs de gaz antipollution à base de Nitrure de Gallium pour application automobile
Publication date
2020Author(s)
Ouazzani Chahdi, Hassane
Subject
Capteur de gazAbstract
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.
Collection
- Moissonnage BAC [4459]
- Génie – Thèses [973]