Etude de la sensibilité d'un résonateur SAW pour la détection d'une série de gaz.

Abstract

Certains gaz constituent une menace sérieuse pour la vie des personnes se trouvant à leur proximité. Il est donc nécessaire de détecter leur présence avant qu'ils n'atteignent des seuils critiques du danger (inflammabilité, explosivité ou toxicité). Les dispositifs basés sur les ondes acoustiques de surface (SAW pour Surface Acoustic Wave) peuvent être utilisés comme des capteurs de gaz. La sensibilité d'un capteur de gaz est la mesure du décalage fréquentiel du signal causé par une particule par million du gaz. Dans ce mémoire, on fait appel à la simulation numérique via l'outil COMSOL Multiphysics pour analyser le comportement électroacoustique d'un résonateur SAW à base de ZnO/SiO2/Si, le décalage fréquentiel de sa réponse (électrique) aux gaz étant modélisé en tenant compte de l'effet de masse combiné au gonflement de la couche sensible. On se propose ici de comparer les sensibilités (à trois gaz, le méthane, le butane et le dichlorométhane, où chacun de ces gaz est virtuellement injecté seul dans la simulation) de deux résonateurs SAW identiques sauf en termes de la couche polymère sensible (le polydimethylsiloxane (PDMS) pour l'un, et le polyisobutylène (PIB) pour l'autre). Cette comparaison a pour but de déterminer le polymère qui donne le meilleur résultat en termes de sensibilité. Une fois la structure du résonateur est générée et les conditions aux frontières appliquées, la tension électrique en régime harmonique au niveau de la borne d'entrée du transducteur interdigités va lancer des ondes de surface stationnaires. Nous avons pu obtenir, pour chacun des deux résonateurs SAW, les réponses fréquentielles simulées (en termes d'admittance électrique d'entrée Y11) en absence et en présence des gaz considérés. Ces réponses ont montré l'apparition du phénomène de résonance et d'antirésonance. Le déplacement mécanique total des résonateurs SAW a confirmé que le mode de propagation est de type Rayleigh confiné prés de la surface du capteur. D'autre part, le PDMS a offert une meilleure sensibilité que le PIB. Le polymère offrant la meilleure sensibilité est donc celui possédant le coefficient de partitionnement Kp le plus élevé. En perspectives, on se propose d'optimiser les paramètres géométriques de la structure afin d'améliorer ses performances.