Détection multi-gas avec interféromètre de Fabry-Perot sur puce de silicium

The replication of a biological nose is one of the last sense that we are not able to fully
achieve. Smell allows us to identify million different chemical species in our surroundings
and can be used as a safety and an identification organ that we rely on every day. Artificial
noses could have a great impact on applications such as cancer detection, increase security
in mines and quality control of industrial processes.
Inspired by the human nose, this project is based on a non-selective polymer optical sensor
array to analyse gas mixtures and to predict their concentrations. The sensor is made of two
silicon air Bragg mirrors etched vertically on a silicon chip to form a Fabry-Perot cavity. The
cavities are filled with different polymers such as PDMS, PEG and SU8 as their sensitive
elements. When exposed to a gas, swelling of the polymers can be observed, which widens
the Fabry-Perot cavity causing a shift of the resonant frequency. This change in frequency
is then directly correlated to gas concentrations.
This project will demonstrate the possibility to predict the individual concentrations of different
gas mixtures such as IPA, butanol, water vapors and valeric acid. Even though polymers
are sensitive to a wide variety of gas, it will be shown that by combining multiple signals
it is possible to get selectivity between two gases. Limits of detection as low as 8,1 ppm for
valeric acid is obtained while being in a mixture. Relative errors of concentrations as low as
7,7% and 21% are obtained for water vapors and IPA mixture respectively. Finally, other
properties of the sensor such as sensitivity, selectivity, limit of detection and time response
will be presented.

Résumé

La réplique d'un nez biologique est depuis longtemps un sujet sur lequel les chercheurs travaillent,
car l'odorat est l'un des derniers sens à avoir son équivalent artificiel. Ce sens nous
permet d'identifier des millions d'espèces chimiques dans l'environnement qui nous entoure
et agit à la fois comme dispositif de santé-sécurité ainsi que d'identification de substances
dont l'on se sert tous les jours. Les nez artificiels voient plusieurs applications potentielles
telles que la détection du cancer, la détection de méthane et de gaz irritants chez les bovins,
la sécurité minière ainsi que les contrôles de qualité.
Inspiré du nez humain, ce projet se base sur une matrice de senseurs fonctionnalisés avec des
polymères non sélectifs pour faire l'analyse de mélanges gazeux et ainsi en déterminer les
concentrations. Le senseur est fabriqué sur puce de silicium en gravant verticalement deux
miroirs de Bragg formant une cavité Fabry-Perot. Il est fonctionnalisé en remplissant la cavité
de différents polymères tels que le PDMS, le PEG et le SU8. Lorsqu'exposés à des gaz, ces
polymères prennent de l'expansion et déforment les cavités Fabry-Perot ce qui entraîne un
changement de la fréquence de résonance de la cavité. Les décalages en longueur d'onde sont
ensuite corrélés avec les concentrations de gaz auxquelles le senseur est exposé.
Le projet vise à montrer la possibilité de déterminer les concentrations de mélanges gazeux.
Les gaz mélangés sont le butanol, l'IPA, des vapeurs d'eau ainsi que l'acide valérique. Il
sera montré que la limite de détection, dans un cas de mélange, atteint 8,1 ppm pour l'acide
valérique. Il sera aussi montré que les polymères, de manière individuelle, n'offrent aucune
sélectivité pour un mélange de gaz. Toutefois, l'ensemble de leurs signaux permet de faire
les mesures de concentrations avec des erreurs relatives 7,7% et de 21% pour un mélange
d'eau et d'IPA respectivement. D'autres propriétés du senseur, telles que la sensibilité aux
différents gaz, la sélectivité, les limites de détections ainsi que le temps de réponse seront
présentés.