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Suspended carbon nanotube beams fabricated by a low temperature surface micromachined process for humidity and gas sensing

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Arunachalam, Shiva Ram (2020). Suspended carbon nanotube beams fabricated by a low temperature surface micromachined process for humidity and gas sensing. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The world we live in today is connected in more ways than we can imagine. Smart devices and networks form the core of our everyday lives. The advent of the Internet of Things and Industry 4.0, which are terms defined to make the world around us more connected via the internet at a domestic and industrial setting respectively, necessitates various kinds of sensors working in conjunction with each other. Keeping this in mind, this thesis explores the application of Suspended Single walled Carbon Nanotubes for Gas Sensing. Gas Sensors are used in a variety of environments such as hospitals, space shuttles and domestic kitchens to detect and prevent the leakage of hazardous gases. A variety of materials such as Polymers, ceramics and metal oxides and detection mechanisms have been used to identify various gases. More recently, Carbon nanotubes have garnered considerable attention for gas sensing applications due to their excellent electrical properties and ease of surface modification. With advancements in production techniques, the cost of Carbon Nanotube production has reduced significantly which has enabled the development of Carbon Nanotube based gas sensors. Although multiple Carbon Nanotube based gas sensors have been studied in the past, the overall device structure remains broadly similar. Additionally, these devices offer suffer from large hysteretic effects, often because of the effect of the substrate on the overall sensing mechanism, which can lead to unreliable measurement outputs.

This work aims to solve the issue of hysteresis by using suspended Carbon Nanotubes and thereby isolating the sensing element from the effects of the substrate. To do this, first, a low temperature surface micromachining process is developed to obtain suspended devices. Once the process is well developed, the suspended device is used to detect humidity. The performance of the suspended device is compared to a non-suspended device to demonstrate the advantages of suspended Carbon nanotubes.

Next, the performance metrics of the suspended sensor are improved by chemically functionalizing the nanotubes to make them more sensitive to water vapor. The nanotubes are obtained commercially, pre-functionalized, and used in the fabrication process. A comparative study between suspended and non-suspended functionalized nanotube-based sensors is also done. Lastly, the device design has been modified to fabricate an ionization gas sensor based on horizontally aligned suspended carbon nanotubes. The ionization potential of various gases is identified and other parameters such as the repeatability, long term stability, etc. have been studied.

Titre traduit

Faisceaux de nanotubes de carbone suspendus fabriqués par un procédé micromachiné en surface à basse température pour la détection d'humidité et de gaz

Résumé traduit

Le monde dans lequel nous vivons aujourd'hui est connecté de plus de façons que nous ne pouvons l'imaginer. Les appareils intelligents et les réseaux sont au coeur de notre vie quotidienne. L'avènement de l'Internet des objets et de l'industrie 4.0 nécessite différents types de capteurs fonctionnants conjointement. Gardant cela à l'esprit, cette thèse explore l'application des nanotubes de carbone à simple paroi en suspension pour la détection de gaz. Les détecteurs de gaz sont utilisés dans une variété d'environnements tels que les hôpitaux, les navettes spatiales et les cuisines domestiques pour détecter et empêcher les fuites de gaz dangereux. Une variété de matériaux tels que les polymères, la céramique et les oxydes métalliques et les mécanismes de détection ont été utilisés pour identifier divers gaz. Plus récemment, les nanotubes de carbone ont suscité une attention considérable pour les applications de détection de gaz en raison de leurs excellentes propriétés électriques et de leur facilité de modification de surface. Avec les progrès des techniques de production, le coût de production des nanotubes de carbone a considérablement diminué, ce qui a permis le développement de capteurs de gaz à base de nanotubes de carbone. Bien que plusieurs capteurs de gaz à base de nanotubes de carbone aient été étudiés dans le passé, la structure globale du dispositif reste globalement similaire. De plus, ces dispositifs offrent souffrent de grands effets hystérétiques, souvent en raison de l'effet du substrat sur le mécanisme de détection global, ce qui peut conduire à des sorties de mesure peu fiables.

Ce travail vise à résoudre le problème de l'hystérésis en utilisant des nanotubes de carbone en suspension et ainsi isoler l'élément de détection des effets du substrat. Pour ce faire, tout d'abord, un procédé de micro-usinage de surface à basse température est développé pour obtenir des dispositifs suspendus. Une fois le processus bien développé, le dispositif suspendu est utilisé pour détecter l'humidité. Les performances du dispositif suspendu sont comparées à celles d'un dispositif non suspendu pour démontrer les avantages des nanotubes de carbone suspendus.

Ensuite, les mesures de performance du capteur suspendu sont améliorées en fonctionnalisant chimiquement les nanotubes pour les rendre plus sensibles à la vapeur d'eau. Les nanotubes sont obtenus dans le commerce, pré-fonctionnalisés et utilisés dans le processus de fabrication. Une étude comparative entre les capteurs à base de nanotubes fonctionnalisés suspendus et non suspendus est également réalisée. Enfin, la conception de l'appareil a été modifiée pour fabriquer un capteur de gaz d'ionisation basé sur des nanotubes de carbone suspendus alignés horizontalement. Le potentiel d'ionisation de divers gaz est identifié et d'autres paramètres tels que la répétabilité, la stabilité à long terme, etc. ont été étudiés.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 92-100).
Mots-clés libres: nanotubes de carbone, suspendu, humidité, ionisation
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Nabki, Frédéric
Codirecteur:
Codirecteur
Izquierdo, Ricardo
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 22 juill. 2020 20:19
Dernière modification: 22 juill. 2020 20:19
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2505

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