Détection de gaz par un senseur microfabriqué à cavité Fabry-Pérot fonctionnalisée avec des polymères

L'odorat est l'un des derniers sens qui n'est pas encore complètement repliqué. Le problème principal est qu'alors que la vue n'a que trois longueurs d'onde principales à identifier, l'odorat en a selon les plus basses estimations des milliers. Un travail colossal est nécessaire pour créer des senseurs assez sensibles et surtout capable de discerner ces différentes odeurs. Plusieurs industries voudraient profiter de senseurs de gaz sélectifs qui permettraient par exemple de suivre l'évolution d'un procédé chimique ou encore de mesurer l'émission de polluants de manière à respecter des normes environnementales. Le senseur de gaz développé dans le cadre de ce mémoire a comme principe de base l'expansion d'un polymère en présence de certains gaz. Pour pouvoir mesurer cette expansion, une cavité optique résonante appelée cavité Fabry-Pérot est utilisée. Les propriétés de cette cavité change avec l'expansion du polymère et ce phénomène est très précis, ce qui permet de détecter de très petites expansions, donc d'être très sensible. Ce travail porte sur un senseur dont la première génération a été développée par St-Gelais et al. (2013). Les buts principaux de cette maîtrise étaient l'amélioration de deux caractéristiques importantes de tout senseur, soit la sensibilité et la sélectivité. Le premier objectif a été atteint à l'aide de l'optimisation du design du senseur avec une amélioration de 120% de la sensibilité avec un senseur en réflexion par rapport au senseur de première génération. La sélectivité a quant à elle été démontrée à l'aide de trois différents polymères, soient le PDMS, le SU8 et le 2,6-diaminotoluène, utilisés avec quatre différents gaz, soient le toluène, le 1-butanol, l'acide valérique et le limonène. Respectivement, des sensibilités maximales de 1,07 ˙ 10−3, 1,53 ˙ 10−4, 3,15 ˙ 10−3 et 1,07 ˙ 10−2 nm/ppm ont été obtenues. D'autres caractéristiques importantes à tout senseur comme la reproductibilité ont aussi été evaluées. La dépendance en température et humidité ainsi que la stabilité du polymère ont révélé des problèmes potentiels. Une évaluation du bruit et du temps de réponse a aussi permis de proposer des améliorations au montage expérimental. Finalement, la limite de détection a été estimée sous la partie par million (ppm).

Abstract

Smell is one of the last senses which is not completely replicated. The main problem is that while the eyes only have to detect three different wavelengths, a nose needs to detect thousands of odors or even more depending on which estimate you choose. A huge amount of work is necessary if we want to engineer sensors sensitive enough and also able to differentiate odors. Many industries would benefit from a selective sensor which would be able to monitor a chemical reaction or even detect the emission of pollutant. The gas sensor developed as part of this dissertation is based on the expansion of a polymer in the presence of certain gases. To quantify this expansion, a resonant optical cavity called Fabry-Pérot cavity is used. The properties of such a cavity change with the expansion of the polymer and it is extremely precise. Such a sensor is then able to detect very small expansions which makes it very sensitive. This main purpose of this work was to improve the two main attributes of a previously reported sensor (St-Gelais et al. (2013)), which are sensitivity and selectivity. The first objective was reached with the help of the optimization of the sensor design. A reflective sensor allowed an improvement of 120% of the sensitivity compared to the first generation of sensors. Selectivity was demonstrated with three different polymers and four gases. The polymers were polydimethylsiloxane (PDMS), SU8 and 2,6-diaminotoluene while the gases were toluene, 1-butanol, valeric acid and limonene. Respectively, maximal sensitivities were 1,07 ˙ 10−3, 1,53 ˙ 10−4, 3,15 ˙ 10−3 et 1,07 ˙ 10−2 nm/ppm. Other important characteristics like reproducibility were assessed. The sensor's dependance to temperature and humidity and the polymer stability were determined as potential problems. An evaluation of noise and response time helped to identify improvements to the experimental setup. Finally, the detection limit was estimated to lower than a ppm.