Academic literature on the topic 'Capteur de particules - Capteur PM'

Cette thèse explore les dispositifs de circuits photoniques intégrés (PIC) basés sur une plateforme en nitrure de silicium (SiN), en mettant l'accent sur leur potentiel pour la détection de particules dans l'air, un élément clé des capteurs de l'indice de qualité de l'air (AQI). La haute sensibilité volumique des résonateurs à anneaux (MRR) dans ces dispositifs permet la détection de faibles concentrations de particules, tandis que les forces optiques permettent le piégeage spécifique à la taille des particules. Pour relever les défis liés au piégeage de particules diélectriques de moins de 100 nm, cette recherche explore diverses structures photoniques, y compris des guides d'onde diélectriques, des résonateurs en mode d'ordre supérieur (HOM) et des guides d'onde plasmoniques hybrides. cette étude comprend leur conception, leur fabrication et leur compatibilité avec des plateformes industrielles telles que DAPHNE de STMicroelectronics. L'analyse des forces optiques, réalisée à l'aide de méthodes telles que le tenseur de contrainte de Maxwell (MST) et l'approximation de dipôle discret (DDA), fournit un cadre rigoureux pour optimiser la conception et évaluer différentes structures. Les résultats soulignent le potentiel des guides d'ondes HOM et des guides d'ondes plasmoniques hybrides pour le piégeage optique avancé et la détection de l'IQA, ouvrant ainsi la voie à des approches innovantes pour les applications de surveillance de l'environnement<br>This thesis explores photonic integrated circuit (PIC) devices based on a silicon nitride (SiN) platform, focusing on their potential for airborne particle detection, a key component of air quality index (AQI) sensors. The bulk sensitivity of the ring resonators (MRR) in these devices enables detection of low particle concentrations, while the optical forces enable size-specific trapping of particles. To address the challenges of trapping dielectric particles smaller than 100 nm, this research explores various photonic structures, including dielectric waveguides, higher-order mode (HOM) resonators and hybrid plasmonic waveguides. The study includes their design, fabrication and compatibility with industrial platforms such as STMicroelectronics' DAPHNE. Optical force analysis, using methods such as Maxwell's stress tensor (MST) and discrete dipole approximation (DDA), provides a rigorous framework for optimizing the design and evaluating different structures.The findings underscore the potential of HOM waveguides and hybrid plasmonic waveguides for advanced optical trapping and AQI sensing, paving the way for innovative approaches to environmental monitoring applications

Résumé étendu en français<br>Pour les futures expériences de physique des hautes énergies au laboratoire européen de physique des particules (CERN), des technologies de détection alternatives aux détecteurs silicium actuels seront nécessaires. Le travail effectué dans cette thèse présente les performances et les limitations d'une nouvelle technologie de détection. Celle-ci est basée sur la déposition d'un capteur en silicium amorphe hydrogéné directement sur circuit intégré, présentant ainsi un haut degré d'intégration. Le travail présenté comprend l'optimisation et le développement de circuits intégrés pour la caractérisation de cette technologie dite " Thin-Film on ASIC ". L'interface entre le capteur déposé et le circuit intégré a été caractérisée pour comprendre en détail la méthode de segmentation du détecteur. L'induction d'un signal par le passage d'une particule chargée ou d'un rayonnement au travers du capteur a été démontrée et étudiée. La vitesse et l'amplitude du signal induit, ainsi que la résistance à de hauts niveaux de radiations ont été particulièrement appréciées. Le travail présenté démontre la faisabilité du concept de détection proposé et d'intéressantes propriétés de cette technologie pour diverses applications de détection, mais révèlent cependant différentes limitations pour d'éventuelles applications pour la physique des particules<br>Next generation experiments at the European laboratory of particle physics (CERN) require particle detector alternatives to silicon detectors. This thesis presents such a novel detector technology, which is based on the deposition of a hydrogenated amorphous silicon sensor on top of an integrated circuit. Performance and limitations of this technology have been assessed for the first time in this thesis in the context of particle detectors. Specific integrated circuits have been designed and the detector segmentation, the interface sensor – chip and the sensor leakage current have been studied in details. The signal induced by the track of an ionizing particle in the sensor has been characterized and results on the signal speed, amplitude and on the sensor resistance to radiation are presented. The results are promising regarding the use of this novel technology for radiation detection, though limitations have been shown for particle physics application

Les détecteurs de vertex sont importants pour les expériences de la physique des particules, car la connaissance de la saveur présente dans un événement deviendra une question majeure dans le programme de physique auprès du Futur Collisionneur Linéaire. Un capteur monolithique à pixels actifs (MAPS) basé sur une structure originale a été proposé. Le capteur est inséparable de son électronique de lecture, puisque les deux sont intégrés sur la même tranche de silicum basse résistivité qui constitue le substrat classique pour une technologie CMOS. La configuration de base est composée uniquement de trois transistors et d'une diode qui collecte par diffusion thermique la charge. Celle-ci est générée dans la couche épitaxiale mince, non-désertée en dessous du circuit de lecture. Cela permet d'obtenir un détecteur mince, de haute résolution, d'une surface entièrement sensible à la radiation et d'un faible coût de fabrication. Les simulations détaillées ont été effectuées en utilisant le logiciel ISE-TCAD pour étudier le mécanisme de collection de charge. Quatre prototypes ont été fabriqués en technologies CMOS submicroniques pour démontrer la viabilité de cette technique. Le gain des pixels a été calibré par irradiation à l'aide d'une source 55Fe et en appliquant la méthode fondée sur la séquence de Poisson. Les prototypes ont été également exposés aux faisceaux de particules de haute énergie au CERN. D'excellentes performances de détection ont été prouvées. Elles s'expriment par un rapport signal sur bruit supérieur à 30, une résolution spatiale de 1.5 μm et une efficacité de détection proche de 100%. Les tests d'irradiation ont démontré une résistance aux flux de neutrons jusqu'a quelques 1012 n/cm2 et une résistance aux rayonnements ionisants jusqu'à quelques centaines kRad. Des idées futures telles que l'amplification du signal sur le pixel, le double échantillonnage ainsi que la conception d'un pixel en mode courrant ont été également présentées.

Les particules fines ont un impact réel sur la qualité de vie et la santé de millions de personnes dans les grandes zones urbaines, notamment en Asie. Pour les détecter et quantifier leur concentration, les capteurs de particules optiques sont les plus couramment étudiés, mais restent relativement chers et volumineux. Les transducteurs MEMS micropoutres sont largement utilisés pour des applications gravimétriques, pour la détection de particules ou de gaz, ce qui requiert des sensibilités massiques (Sm) élevées et des limites de détection (LOD) basses. Pour cela les micropoutres les plus adaptées sont celles ayant des fréquences de résonance (f0) et facteurs de qualité (Q) élevés, avec de faibles bruits de mesure et des masses faibles. Les micropoutres silicium sont couramment utilisées en tant que capteurs gravimétriques et sont de sérieux candidats pour répondre aux caractéristiques souhaitées. Cependant, la sérigraphie a le potentiel pour une fabrication moins chère, plus rapide et aussi à grande échelle. Pour ces micropoutres, l'actionnement et la lecture de f0 sont possibles par effet piézoélectrique. Bien qu'il existe des solutions inorganiques prometteuses sans plomb, les céramiques de titano-zirconate de plomb (PZT) possèdent encore les meilleures propriétés parmi les matériaux piézoélectriques. Des micropoutres fabriquées en technologie hybride couches épaisses sérigraphiées, à actionnement et lecture piézoélectriques intégrés, libérées à l'aide d'une couche sacrificielle polyester et avec co-cuisson de toutes les couches pour leurs libérations sont présentées ici. Différentes géométries ont été testées de 1 mm à 2 mm de large et de 1 mm à 8 mm de long, pour une épaisseur d'environ 100 μm. Une masse volumique ρ PZT = 7200 kg/m³ a été obtenue (≈ 93%ρ PZT massif). Enfin, avec une micropoutre 1×2×0,1 mm³, une sensibilité Sm ≈ 85 Hz/μm et une LOD de 70 ng ont été trouvées, permettant des applications en détection de particules<br>Fine particulate matters (PM) have a real impact on the quality of life and health of millions of people in large urban areas, especially in Asia. In order to detect them and quantify their concentration, optical PM sensors are the most widely studied, but remain relatively expensive and bulky. MEMS microcantilever transducers are widely used for gravimetric applications, for PM or gas detection, which requires high mass sensitivities (Sm) and low limits of detection (LOD). A solution is to focus on microcantilevers with high resonance frequencies (f0) and quality factors (Q), low measurement noise and low masses. Silicon microcantilevers are commonly used as gravimetric sensors and are serious candidates to meet the desired characteristics. However, screen printing has the potential for cheaper, faster and large scale manufacturing. Such microcantilevers can be actuated and f0 read-out using the piezoelectric effect. Although promising lead-free inorganic solutions exist, titanium lead zirconate (PZT) ceramics still have the best properties among piezoelectric materials. Screen-printed microcantilevers manufactured in hybrid thick-film technology, with integrated piezoelectric actuation and read-out, released using a polyester sacrificial layer and with co-firing of all the layers are presented here. Different geometries were tested from 1 mm to 2 mm wide and from 1 mm to 8 mm long, for a thickness of about 100 μm. A density ρ PZT = 7200 kg/m³ (≈ 93%ρ PZT bulk) was obtained. With a 1×2×0.1 mm³ microcantilever, a sensitivity Sm ≈ 85 Hz/μm and a LOD of 70 ng were found, compatible with applications in PM mass detection

Les matériaux hybrides organique/inorganiques ont reçu beaucoup d'attention ces dernières années dans les études des nanomatériaux. En effet, ils possèdent des propriétés physiques et chimiques uniques grâce aux effets synergiques de chaque composant. En particulier, les nanoparticules de silice (SiO2) présentent des caractéristiques intéressantes, comme une bonne stabilité chimique et thermique. Elles peuvent être préparées de différentes tailles et peuvent aussi être facilement fonctionnalisées. Les polymères conducteurs intrinsèques comme le polythiophène et la polyaniline (PANI) peuvent exister sous différents états d'oxydation et donc répondre à des stimuli extérieurs en changeant une de leur caractéristique (couleur, conductivité, etc…). La PANI est un polymère non-toxique, thermiquement stable et peu coûteux avec une conductivité relativement élevée qui a été utilisée comme film antistatique, matériel d'électrode, inhibiteur de corrosion et comme surface sensible de capteur. Depuis la découverte des polymères conducteurs en 1977, plusieurs travaux ont été effectués sur la préparation, la caractérisation et les applications de films polymériques construits à la surface de matériaux comme la silice. Parmi les différents types de composites existants, les particules de type cœur@coquille composées d’un cœur inorganique et d’une couronne de polymère sont les plus prometteurs. Dans cette étude, nous avons donc décidé de travailler sur la synthèse de composites cœur@coquille constitués d’une coquille de PANI et d’un cœur de particules de silice.Dans la littérature, en utilisant des protocoles expérimentaux similaires, deux morphologies très contradictoires ont été obtenues après la polymérisation par oxydation chimique d'aniline en présence de particules de silice : cœur@coquille et framboise (structure inversée avec la PANI comme cœur). Nous avons alors décidé de réexaminer la synthèse de PANI en présence de particules de silice. Pour cela, nous avons, dans un premier temps, synthétisé des particules de silice monodisperses de différentes tailles (300, 160 et 90 nm) par procédé Stöber. Nous avons ensuite réalisé la polymérisation chimique de l'aniline en présence de ces particules de silice dans des conditions contrôlées afin de promouvoir une adsorption des ions aniliniums en surface des particules. Différents paramètres expérimentaux ont été étudiés tels que la température, la concentration en réactifs, la taille des particules… Les résultats en termes de morphologie sont discutés en fonction de ces paramètres. Dans un second temps, nous avons fonctionnalisé la surface des particules de silice par un alcoxysilane afin de favoriser la polymérisation de l’aniline à la surface des particules. Ainsi, nous avons obtenu des structures SiO2@PANI avec une épaisseur de polymère contrôlable. La dernière partie de ce travail traite des premiers essais qui ont été réalisés afin d’utiliser ces composites SiO2@PANi pour des applications environnementales. Deux applications ont notamment été envisagées, l'adsorption de métaux pour l'aspect de particule et la détection de gaz pour les capacités conductrices de la PANI<br>Organic/inorganic hybrid materials have received much attention in recent years such as in the field of nano-materials. Indeed, these materials possess unique physical and chemical properties due to the synergistic effect of both components. In particular, silica nanoparticles (SiO2) present interesting properties, such as good chemical and thermal stabilities. They can be prepared in different size and can be easily chemically modified. Intrinsically conducting polymers such as polythiophene and polyaniline (PANI) can exist in different oxidation states and respond to external stimuli by changing one of their characteristics (color, conductivity, …). PANI is a non-toxic, thermally stable and low cost polymer with relatively high conductivity that has been used as antistatic coating, electrode materials, corrosion inhibitor and active layer of sensors. Since the discovery of conducting polymer in 1977, several works have been carried out on the preparation, characterization and applications of polymeric films build on various surfaces like silica. Among the different kinds of composites that exist, inorganic-polymer core-shell nanoparticles are more promising candidates. In this study, we decided to work on the synthesis of core@shell hybrid compounds based on PANI shells and silica nanoparticles cores.In the literature, using similar experimental protocols, two morphologies have been obtained after chemical polymerization of aniline in the presence of silica particles: core@shell and raspberry (inverted structure with PANI as core). We thus decided to reinvestigate the synthesis of PANI in the presence of silica particles. For this, we first synthesized silica particles with different sizes by Stöber process. We then performed the chemical polymerization of aniline in the presence of these naked silica particles under different conditions: temperature, concentration of reactive. However, in all cases, we never managed to obtain core@shell structures. Finally, we succeed in developing a method to prepare these core@shell particles which relies on the functionalization of the SiO2 by alkoxysilanes followed by the polymerization of aniline at room temperature. A series of core-shell particles with tunable PANI thickness has been prepared by this method. The last part of this work deals with the first tests that have been carried out in order to use these composites SiO2@PANi for environmental applications. Two applications have been considered, the adsorption of metals for the particle appearance and the detection of gas for the conductive capacities of the PANI

Les particules ultrafines émises par les moteurs thermiques ont un impact grave sur la santé. Depuis la norme Euro 3, la règlementation EOBD impose aux véhicules d’auto-diagnostiquer leurs propres organes de dépollution. Depuis la norme Euro 6b, le nombre de particules émises par les moteurs Diesel et essence est réglementé. Les capteurs résistifs permettent d’estimer le dépassement de seuil en concentration massique d’un aérosol de suie. Les suies se déposent entre les électrodes du capteur, créant des microstructures semblables à des ponts dont la résistance est mesurée.Leur robustesse et leur faible coût de fabrication en font de bons candidats pour le diagnostic embarqué des filtres à particules mais la concentration en nombre de particules n’est pas encore accessible.L’objectif de ce travail est d’étudier les mécanismes de captation conduisant à la formation des microstructures de suie. Dans une approche expérimentale, les particules de suie ont été classifiées en fonction de leur taille grâce à deux techniques différentes : la classification électrostatique et la classification aérodynamique. Cela a permis d’étudier le comportement du capteur soumis à des particules entre 60 et 150 nm.Enfin, un modèle de compréhension simule la construction des microstructures de suie. Les trajectoires des particules sont calculées et la modélisation de leur dépôt sur les électrodes est couplée avec le calcul des champs électrique et la dynamique des fluides. Cette méthode s’inspire d’un modèle de la littérature et l’enrichit d’un mécanisme appelé diélectrophorèse, expliquant mieux la formation des microstructures. L’influence de la taille des particules a été étudiée pour expliquer les tendances observées expérimentalement<br>Ultrafine soot particle emissions from thermal engines have harmful health effects. Since Euro 3 standard, EOBD regulation obliges vehicules to perform the on-board diagnostic of their own aftertreatment system. Since Euro 6b standard, the particle number (PN) emitted from Diesel and gasoline engines is regulated. Resistive sensors evaluate a particulate matter (PM) of soot threshold exceedance. The nanoparticles are collected between interdigitated electrodes, building bridgelike micro-structures of which. Although their robustness and their low production cost make the resistive soot sensor a good candidate for the Diesel particulate filter diagnosis, the current understanding does not allow to access PN.The objective of this work is to study the deposit mechanisms leading to the soot micro-structures. Particles have been classified according to their diameters in an experimental approach thanks to two different techniques : the electrostaticclassification and the aerodynamic classification. Those methods allow the study the sensor behaviour to monodisperse aerosol between 60 and 150 nm.Finally, a model for understanding the soot micro-structures construction have been developed. Soot particles are tracked until their deposit on the electrodes, which is coupled with the electric and aerodynamic fields computation. This approach is inspired by a model from the literature and is extended by a mechanism called dielectrophoresis, which provides a better understanding of the micro-structures construction. The influence of particle size was studied to explain trends observed experimentally

L'objectif de cette thèse était de développer un outil de détection des bactéries leptospira capable de les détecter dans divers échantillons, tels que l'urine et le sang humains, ainsi que l'eau et le sol de l'environnement. Le développement d’une méthode de détection rapide de la leptospirose, basée sur le principe de l’agglutination des particules de latex, a impliqué l’élaboration d’un latex de polystyrène sensibilisé par adsorption des anticorps anti-leptospira. Cette méthode, basée sur une observation à l'œil nu, a démontré une bonne sensibilité et spécificité pour la détection de la leptospira dans des échantillons d'eau environnementale. De plus, pour augmenter la sensibilité, un capteur électrochimique basé sur l’utilisation d’une séquence d'oligonucléotide spécifique a été utilisé pour détecter l'ADN de la bactérie leptospira dans des échantillons d'urine artificielle. Le capteur développé a montré une très bonne sensibilité, indiquant une limite de détection inférieure à l'attomole (aM) et sans réactions croisées avec d'autres bactéries contaminant l'urine. Cette thèse propose des méthodes de détection allant d’une détection macroscopique simple à l’utilisation d’un capteur électrochimique pour une détection sensible et spécifique<br>The objective of this thesis was to develop a detection tool for leptospiral bacteria capable of detecting them in various samples, such as human urine and blood, as well as water and soil from the environment. The development of a rapid leptospirosis detection method, based on the principle of latex particle agglutination, involved the preparation of polystyrene latex sensitized by adsorption of anti-leptospira antibodies. This method, based on visual observation, demonstrated good sensitivity and specificity for the detection of leptospira in environmental water samples. Additionally, to increase sensitivity, an electrochemical sensor based on the use of a specific oligonucleotide sequence was employed to detect leptospiral DNA in artificial urine samples. The developed sensor showed very good sensitivity, indicating a detection limit below the attomole (aM) level and no cross-reactions with other bacteria contaminating the urine. This thesis proposes detection methods ranging from simple macroscopic detection to the use of an electrochemical sensor for sensitive and specific detection

L’objectif de cette thèse est de développer un détecteur innovant de particules chargées, dénommé 3D Silicon Coincidence Avalanche Detector (3D-SiCAD), réalisable en technologie silicium CMOS standard avec des techniques d’intégration 3D. Son principe de fonctionnement est basé sur la détection en "coïncidence" entre deux diodes à avalanche en mode "Geiger" alignées verticalement, avec la finalité d’atteindre un niveau de bruit bien inférieur à celui de capteurs à avalanche standards, tout en gardant les avantages liés à l’utilisation de technologies CMOS; notamment la grande variété d’offres technologiques disponibles sur le marché, la possibilité d’intégrer dans un seul circuit un système complexe de détection, la facilité de migrer et mettre à jour le design vers une technologie CMOS plus moderne, et le faible de coût de fabrication. Le détecteur développé dans ce travail se révèle particulièrement adapté au domaine de la physique des particules de haute énergie ainsi qu’à la physique médicale - hadron thérapie, où des performances exigeantes sont demandées en termes de résistance aux rayonnements ionisants, "material budget", vitesse, bruit et résolution spatiale. Dans ce travail, un prototype a été conçu et fabriqué en technologie HV-CMOS 0,35µm, en utilisant un assemblage 3D de type "flip-chip" avec pour finalité de démontrer la faisabilité d’un tel détecteur. La caractérisation du prototype a finalement montré que le dispositif développé permet de détecter des particules chargées avec une excellente efficacité de détection, et que le mode "coïncidence" réduit considérablement le niveau de bruit. Ces résultats très prometteurs mettent en perspective la réalisation d’un système complet de détection CMOS basé sur ce nouveau concept<br>The objective of this work is to develop a novel position sensitive charged particle detector referred to as "3D Silicon Coincidence Avalanche Detector" (3D-SiCAD). The working principle of this novel device relies on a "time-coincidence" mode detection between a pair of vertically aligned Geiger-mode avalanche diodes, with the aim of achieving negligible noise levels with respect to detectors based on conventional avalanche diodes, such as Silicon Photo-Multipliers (SiPM), and, at the same time, providing single charged particle detection capability thanks to the high charge multiplication gain, inherent of the Geiger-mode operation. A 3D-SiCAD could be particularly suitable for nuclear physics applications, in the field of High Energy Physics experiments and emerging Medical Physics applications such as hadron-therapy and Proton Computed Tomography whose future developments demand unprecedented figures in terms of material budget, noise, spatial resolution, radiation hardness, power consumption and cost-effectiveness. In this work, a 3D-SiCAD demonstrator has been successfully developed and fabricated in the Austria Micro-Systems High-Voltage 0.35 μm CMOS technology by adopting a “flip-chip” approach for the 3D-assembling. The characterization results allowed demonstrating the feasibility of this novel device and validating the expected performances in terms of excellent particle detection efficiency and noise rejection capability with respect to background counts