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

Wadhwa, Arjun (2025). Development of high-performance silicon carbide based temperature and humidity sensors using low cost, industry ready materials and fabrications techniques. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Printed physical sensors have been successfully deployed in industry and academic research over the past two decades. Although most printed sensors suffice for general purpose applications, most sensing and supplementary materials used are susceptible to limiting environmental factors. For printed sensors to perform at elevated environmental conditions such a temperature and humidity, often ceramic materials are employed. Silicon carbide ( SiC ) traditionally performs exceptionally well towards temperature, humidity, gas and photodetection applications, however its use in printed physical sensors has severely been limited. Silicon carbide offers significant properties such as high temperature and corrosive chemical tolerance along with being inert and bio-compatible. Nanoparticle based silicon carbide printed films pose a unique opportunity towards sensing applications where dense networks of SiC nanopaticles facilitate the movement of charge. Some attempts have been made towards fabricating fully printed physical sensors based on SiC nanoparticles with a majority of research still under theoretical and experimental investigation leading to a scarcity of commercial fabricated SiC printed sensors. This doctoral thesis aims to investigate and advance fully printed SiC temperature and humidity sensors. Owing to its high temperature tolerance, SiC based printed devices are potential candidates for deployment in harsh environments such as ultra high temperatures. In order to facilitate these devices the printed silver interconnects must be robust and sustainable under these conditions. To achieve this, we need to investigate the failure mechanism of commercial silver inks at high temperatures and implement modifications to enhance the inks stability at said conditions.

After an extensive literature review we first establish the key properties, fabrication techniques and applications of silicon carbide as a sensing material and conventional printed sensors and interconnect technologies. Next, we formulate and fabricate SiC nanoparticle based temperature and humidity sensors using industry ready, low cost additive technique; screen printing. This allows us to fabricate reliable and repeatable devices which are further investigated. The simple architecture of printing the sensing material atop printed interdigitated electrodes allows these sensors to be incorporated into large scale sensing applications with ease and insignificant cost addition.

Following the device fabrication, the performance of both the temperature and humidity sensors are evaluated. We report highly sensitive and flexible SiC humidity sensors adsorption and desperation times far superior to those recently reported in literature. We also demonstrate the implementation of these devices into medical diagnostic and prevention tools. The printed SiC temperature sensors are highly sensitive to changes in temperature with in a large range. We also investigate the impact of bending and humidity on these sensors with repeatable and adequate response. Lastly, we achieve significant operational temperature enhancement of commercial silver ink using silicon additives. The Zener pinning mechanism helps stabilize the inks morphology and electrical conductivity at ultra high temperature making it an excellent low cost alternatives to precious metal inks. Overall, this doctoral thesis successfully delivers all printed, low cost SiC temperature and humidity sensors along with the understanding and means to modify commercial interconnect silver inks for high temperature applications.

Titre traduit

Développement de capteurs de température et d’humidité à base de carbure de silicium de température et d’humidité à base de carbure de silicium de l’industrie à faible coût et des techniques de fabrication

Résumé traduit

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.

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 223-281).
Mots-clés libres:	carbure de silicium, thermistance imprimée, capteur d’humidité imprimé, électronique imprimée, encre d’argent, électrodes interdigitées en argent, croissance du grain, épinglage zener, sérigraphie
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Cloutier, Sylvain G.
Codirecteur:	Codirecteur Bolduc, Martin
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	27 mai 2025 15:13
Dernière modification:	27 mai 2025 15:13
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3619

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