Microsystèmes résonants pour la détection d'hydrogène sans couche fonctionnalisée

Abstract

Le dihydrogène, communément appelé hydrogène, est un gaz dangereux qui devient explosif au-dessus d'une concentration de 4% dans l'air. Par conséquent, de nombreuses applications pour lesquelles l'hydrogène est utilisé ou produit nécessitent des capteurs d'hydrogène pour s'assurer que cette limite n'est jamais atteinte. Ces applications comprennent la surveillance des déchets radioactifs, la production d'énergie propre ou plus généralement la surveillance des gaz industriels. La plupart des dispositifs de détection existants actuellement sur le marché sont basés sur l'utilisation d'un composé chimique ou d'une couche sensible spécifiquement conçue, qui dans la plupart des cas n'est pas stable dans le temps, généralement au bout quelques mois il y a une dégradation des propriétés de la couche ou du composé chimique. Cela a conduit au développement de méthodes qui reposent sur des mécanismes de détection physiques plutôt que chimiques pour la détection de l'hydrogène : ces méthodes ont l'avantage d'être stables sur des périodes beaucoup plus longues. Dans le contexte de la surveillance des déchets radioactifs, des travaux antérieurs avaient montré que les micropoutres non revêtue de couche sensible étaient capables de détecter l'hydrogène gazeux jusqu'à 0,01% en mesurant leur changement de fréquence de résonance. Les travaux de cette thèse prolongent cette étude en y ajoutant la capacité de distinguer l'hydrogène des autres gaz potentiellement interférents. Dans le cas des micropoutres, la discrimination des gaz est réalisée en mesurant non seulement la masse volumique du gaz mais aussi sa viscosité grâce à la mesure simultanée de la fréquence de résonance et du facteur de qualité. Des transducteurs ultrasoniques micro-usinés capacitifs (CMUT) ont également été utilisés comme alternative aux micropoutres. Avec les CMUT, la vitesse du son et l'atténuation acoustique ont également été mesurées à l’aide d’un montage de type mesure de temps de vol au lieu des mesures du spectre du dispositif à la résonance. Dans le cas de la mesure de l'atténuation, une méthode permettant d'obtenir une bonne sélectivité de la détection d'hydrogène vis-à-vis de gaz interférents tels que le dioxyde de carbone et le méthane a été développée.