Développement d'un système ultrasonore de détection d'une signature olfactive - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2023

Development of an ultrasonic system for olfactive signatures detection

Développement d'un système ultrasonore de détection d'une signature olfactive

Résumé

Electronic noses are gas detection devices. They offer a solution for standardising measurements of volatile organic compounds (VOCs). The current challenges before industrialisation are miniaturisation and performance in ambient conditions. One technology that can meet these challenges is the CMUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer).In this thesis, a system performing the function of an electronic nose was created using a chip based on CMUTs as the sensitive part. The system also includes a fluidic line and electronics designed to actuate and read the sensors in real time. The creation of an olfactory signature is based on modifying the chemical affinities of the sensors through peptide functionalisation.Creating the different parts of the system required a joint design and a multidisciplinary approach. In particular, this has led to an improved understanding of the fabrication of CMUTs for gas detection, with quality factors of 400 and state-of-the-art membrane thicknesses of 100 nm to 800 nm. We should also mention the development of electronic methods for reading an array of CMUT sensors simultaneously, based on phase-lock-loop or self-oscillating loops, or the establishment of a process for grafting peptides onto CMUT membranes.The membranes resonate at 20 MHz when exposed to a polarisation voltage of 20V, and have a mass sensitivity in the order of Hertz per ppmv, for example 1.74 Hz/ppm for butanol. Measurements show limits of detection in ambient conditions of around ppmv for common VOCs, 3.7 ppmv for butanol, corresponding to the detection of an adsorbed mass of 1 fg. These values are comparable with the main existing gas sensor technologies. The response time of the sensors is of the order of a second, as is the surface renewal time, which sets the work carried out here apart from all the CMUT electronic noses in the literature as faster to carry out a measurement by several orders of magnitude.A proof of concept using four-dimensional measurements showed that it was possible to differentiate between injected gases by observing the olfactory signatures obtained. This preliminary work showed promising results for the continuation of the project and opens the way to a 16-sensor electronic nose with millimetric dimensions, including integrated electronics, and capable of discriminating odours in the time characteristic of human inspiration.
Les nez électroniques sont des appareils de détection de gaz. Ils proposent une solution pour standardiser les mesures de composés organiques volatils (COV). Les enjeux actuels avant l’industrialisation sont la miniaturisation et les performances en conditions ambiantes. Une technologie pouvant y répondre est le CMUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer).Dans cette thèse, un système réalisant la fonction d’un nez électronique a été réalisé avec pour partie sensible, une puce basée sur des CMUTs. Le système d’études comprend également une ligne fluidique ainsi qu’une électronique d’actionnement et de lecture des capteurs en temps réel. La création d’une signature olfactive repose sur la modification des affinités chimiques des capteurs par une fonctionnalisation peptidique.La réalisation des différents ensembles du système a nécessité une conception conjointe et une approche multidisciplinaire. Cela a notamment permis l’amélioration et la compréhension de la fabrication de CMUTs destinés à la détection de gaz, présentant des facteurs de qualité de 400 et des épaisseurs de membranes, égalant l’état de l’art, de 100 nm à 800 nm. On peut également souligner le développement de méthodes électroniques de lecture d’une matrice de capteurs CMUT en simultané, basées sur des phase-lock-loop ou des boucles auto-oscillantes, ou encore l’établissement d’un procédé de greffage de peptides sur les membranes des CMUTs.Les membranes utilisées résonnent à 20 MHz lorsque soumises à une tension de polarisation de 20V, et présentent une sensibilité massique de l’ordre du Hertz par ppmv, par exemple 1,74 Hz/ppm pour le butanol. Les mesures montrent des limites de détection en conditions ambiantes autour du ppmv pour des COV usuels, 3,7 ppmv pour le butanol, correspondant à la détection d’une masse adsorbée de 1 fg. Ces valeurs sont comparables avec les principales technologies de capteur de gaz existantes. Le temps de réponse des capteurs est de l’ordre de la seconde, de même que le temps de renouvellement de surface, différenciant les travaux réalisés ici de l’ensemble des nez électroniques CMUT de la littérature comme réalisant des mesures plus rapides par plusieurs ordres de grandeur.Une preuve de concept utilisant des mesures à quatre dimensions a montré qu’il était possible de différencier les gaz injectés en observant les signatures olfactives obtenues. Ces travaux préliminaires ont montré des résultats prometteurs pour la poursuite du projet et ouvrent la voie à un nez électronique 16 capteurs aux dimensions millimétriques, comprenant l’électronique intégrée, et capable de discriminer des odeurs dans le temps caractéristique d’une inspiration humaine.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04166196 , version 1 (19-07-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04166196 , version 1

Citer

Charles Boutonnet. Développement d'un système ultrasonore de détection d'une signature olfactive. Médecine humaine et pathologie. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2023. Français. ⟨NNT : 2023GRALS009⟩. ⟨tel-04166196⟩
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