Development of high-performance silicon carbide based temperature and humidity sensors using low cost, industry ready materials and fabrications techniques

Résumé

Les capteurs physiques imprimés ont été déployés avec succès dans l’industrie et la recherche universitaire au cours des deux dernières décennies. Bien que la plupart des capteurs imprimés soient suffisants pour des applications générales, la plupart des matériaux de détection et des matériaux supplémentaires utilisés sont sensibles aux facteurs environnementaux limitants. Pour que les capteurs imprimés puissent fonctionner dans des conditions environnementales élevées, telles que la température et l’humidité, on utilise souvent des matériaux céramiques. Le carbure de silicium (SiC) est traditionnellement très performant pour les applications de détection de température, d’humidité, de gaz et de photodétection, mais son utilisation dans les capteurs physiques imprimés a été fortement limitée. Le carbure de silicium offre des propriétés importantes telles que la tolérance aux températures élevées et aux produits chimiques corrosifs, tout en étant inerte et biocompatible. Les films imprimés en carbure de silicium à base de nanoparticules offrent une opportunité unique pour les applications de détection où des réseaux denses de nanopaticules SiC facilitent le mouvement des charges. Quelques tentatives ont été faites pour fabriquer des capteurs physiques entièrement imprimés basés sur des nanoparticules de SiC, la majorité des recherches étant encore en cours d’étude théorique et expérimentale, ce qui a conduit à une pénurie de capteurs imprimés SiC fabriqués commercialement. Cette thèse de doctorat vise à étudier et à faire progresser les capteurs de température et d’humidité SiC entièrement imprimés. En raison de leur tolérance élevée à la température, les dispositifs imprimés à base de SiC sont des candidats potentiels pour le déploiement dans des environnements difficiles tels que les températures ultra-élevées. Afin de faciliter l’utilisation de ces dispositifs, les interconnexions en argent imprimées doivent être robustes et durables dans ces conditions. Pour y parvenir, nous devons étudier le mécanisme de défaillance des encres d’argent commerciales à des températures élevées et mettre en oeuvre des modifications pour améliorer la stabilité des encres dans ces conditions. Après un examen approfondi de la littérature, nous commençons par établir les principales propriétés, les techniques de fabrication et les applications du carbure de silicium en tant que matériau de détection, ainsi que les capteurs imprimés conventionnels et les technologies d’interconnexion. Ensuite, nous formulons et fabriquons des capteurs de température et d’humidité à base de nanoparticules SiC à l’aide d’une technique additive peu coûteuse et prête à l’emploi, la sérigraphie. Cela nous permet de fabriquer des dispositifs fiables et reproductibles qui font l’objet d’études plus approfondies. L’architecture simple de l’impression du matériau de détection sur des électrodes interdigitées imprimées permet à ces capteurs d’être incorporés dans des applications de détection à grande échelle avec facilité et un coût supplémentaire insignifiant. Après la fabrication du dispositif, les performances des capteurs de température et d’humidité sont évaluées. Nous signalons des capteurs d’humidité SiC très sensibles et flexibles, des temps d’adsorption et de désespoir bien supérieurs à ceux récemment rapportés dans la littérature. Nous démontrons également la mise en oeuvre de ces dispositifs dans des outils de diagnostic médical et de prévention. Les capteurs de température imprimés en SiC sont très sensibles.

Date	16 févr. 2025
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Sylvain G. Cloutier (Directeur(-trice)) & Martin Bolduc (Codirecteur(-trice))