Upload
vuongkhanh
View
214
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Institut Mines-Télécom
Développement de micro-préconcentrateurs
pour l'analyse de traces de gaz et explosifs.
1 Jean-Paul VIRICELLE, colloque IMT Matériaux , mars 2016
JP Viricellea, P. Breuila, C. Pijolata, F Jamesa, M. Camarab, D. Briandb
aEcole Nationale des Mines, SPIN-EMSE, CNRS:UMR5307, LGF,
F-42023 Saint-Etienne, France
bEcole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Institute of Microengineering
(IMT), Sensors, Actuators and Microsystems Laboratory (SAMLAB),
Neuchâtel, Switzerland
Institut Mines-Télécom
Outline
Context / Principle
Design and fabrication
Adsorbent characterization / Parameters
Applications
• VOC preconcentration test, GC analysis
• Explosive detection
Conclusions
2 Jean-Paul VIRICELLE, colloque IMT Matériaux , mars 2016
Micro-preconcentrators
Institut Mines-Télécom
Challenge : Gas trace detection
with sensor or analyzers with limited sensitivity
Miniaturized system for in situ detection
3
Introduction: context
• Conventional trap (preconcentration tube)
• Miniaturized
analyzer : Micro-GC module
Reduce dead volume and thermal mass
MEMS technology
Microfabricated preconcentrator
Miniaturized system : Micro-GC /Micro-preconcentrator
coupling
Jean-Paul VIRICELLE, colloque IMT Matériaux , mars 2016
Institut Mines-Télécom 4
Gas pre-conditioning is of importance for the detection of chemical
substances in trace level.
Process : Accumulate a target gas, then desorbed it by a temperature pulse
Introduction: preconcentration principle
Jean-Paul VIRICELLE, colloque IMT Matériaux , mars 2016
Sensor
analyser 10
1000
Micro-préconcentrateur
without preconcentration
with preconcentration
adsorbant
Heating
Adsorption Desorption
Institut Mines-Télécom 5
Introduction: Preconcentration factor
Preconcentration factor : ratio of outlet to inlet concentration
C1. t1. f1= C2. t2. f2 C: concentration
t: time f: flow
Preconcentration factor: 𝑷𝑭 =𝒕𝟏𝒇𝟏
𝒕𝟐𝒇𝟐=
𝑪𝟐
𝑪𝟏
Time (min)
Desorption
step
Adsorption
step
Jean-Paul VIRICELLE, colloque IMT Matériaux , mars 2016
Augmentation du facteur de préconcentration PF implique :
- un débit d’adsorption élevé ;
- un temps d’intégration le plus long possible ;
- un débit de désorption faible ;
- enfin une désorption le plus rapide possible.
Si t1 < temps de perçage,
conservation de la matière :
Institut Mines-Télécom 6
Design
Design and schematic device composition:
a) platinum heater,
b) etched silicon wafer
c) glass cover
d) capillaries
Characteristics Values
Depth 500µm
Chamber volume 14 μL
External diameter
capillary
500 µm
Internal diameter
capillary
385 µm
Resistance value 10 Ω
Inlet/outlet channels preconcentrator/ 1euro
Preconcentrator design
Jean-Paul VIRICELLE, colloque IMT Matériaux , mars 2016
Institut Mines-Télécom 7
Preconcentrator fabrication
Silicon
Photoresist
Deep Reactive Ion Etching (DRIE)
Pyrex glass
Structured resine : design DRIE (500 µm deep) Resin removal Wafer bonding (Si/Pyrex glass)
Structured silicon wafer Silicon material
-good thermal conductiviy,
-suitable material for DRIE)
MEMS preconcentrator
Microfabrication at EPFL, Neuchâtel
Jean-Paul VIRICELLE, colloque IMT Matériaux , mars 2016
Institut Mines-Télécom 8
Heater deposition
Heater deposition by screen printing
0
50
100
150
200
250
300
350
0 10 20 30
Tem
pera
ture
(°C
)
Time (min)
Température calculée à partir de la résistance mesurée
Consigne de température (°C)
Calculed temperature with R value
Temperature set
0
50
100
150
200
250
300
350
0 10 20 30
Tem
pera
ture
(°C
)
Time (min)
Température calculée à partir de la résistance mesurée
Consigne de Température (°C)
Calculed temperature with R value
Temperature set
Si
Better
insulation with
a layer of
silicon nitride
Short circuit
due to the
silicon
conductivity
SiO2
Pt
SiO2
Si3N4
Si
Pt
Jean-Paul VIRICELLE, colloque IMT Matériaux , mars 2016
Institut Mines-Télécom 9
Micro-Preconcentrators development Platinum heater deposition by screen-printing.
Heating element and temperature distribution
Micro-préconcentrateur device
Capillary : Øinterne 220 µm for 325µm deep IMT micro component .
Metallic capillaries sealed with ceramic
cement, with 1/16” connectors.
3 cm
1,5
cm
380°C T
405°C
300
°C
Etched Silicon
Microcomponent
Adsorbent chamber
Thèses M. CAMARA (2010)
F James (2015)
Jean-Paul VIRICELLE, colloque IMT Matériaux , mars 2016
Institut Mines-Télécom 10
Sorbent deposition
Carbon Nanopowder deposition by microfluidic method
Characterizations Carbon Tenax TA
Particule diameter 100 nm 200 µm
Surface Area 95 m2/g 20 m2/g
Mass deposition :
2 mg carbon nanopowder
Jean-Paul VIRICELLE, colloque IMT Matériaux , mars 2016
Institut Mines-Télécom
0,0E+00
5,0E-09
1,0E-08
1,5E-08
2,0E-08
0 100 200 300 400 500
Inte
ns
ity (
a.u
)
Temperature (°C)
Toluene
Blank
11
Sorbent material study
Temperature Programmed Desorption
Thermal desorption of gas species analyzed by mass spectrometry
Pv=2,9 kPa
b.p = 110°C
Vapor exposure :
1 ppm of Toluene
during1 hour at 10L/h
Thermal desorption:
Desorption
temperature at 250-
300°C
Jean-Paul VIRICELLE, colloque IMT Matériaux , mars 2016
Carbon
nanopowder
Institut Mines-Télécom 12
Preconcentration test. Laboratory test bench
Setup
Photo Ionisation Detector (PID)
for Vapour Organic Compounds
(VOCs)
Carbon Preconcentrator Permeation tube
Jean-Paul VIRICELLE, colloque IMT Matériaux , mars 2016
Institut Mines-Télécom 13
Preconcentration test. Parameter influence
Heating rate and flow rate influence
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
10 10,5 11 11,5 12 12,5 13
Co
ncen
trati
on
(p
pm
)
Time (min)
désorption à 1L/h
désorption à 3L/h
désorption à 5L/h
désorption à 10L/h
Flow rate :1L/h
Flow rate :3L/h
Flow rate :5L/h
Flow rate :10L/h
0
10
20
30
40
50
60
70
5 6 7 8 9 10 11
Co
ncen
trati
on
(p
pm
)
Time (min)
Montée en 40°C/s à 300°C
Montée en 15°C/s à 300°C
Heat rate : 40°C/s to reach 300°C
Heat rate : 15°C/s to reach 300°C
High heating rate for high peak
detection
Low flow rate for high peak
detection
rateflow
particlesdesorbedofNumberC
out
Vapor exposure : 1 ppm of Toluene during 5 min at 10L/h
Jean-Paul VIRICELLE, colloque IMT Matériaux , mars 2016
Institut Mines-Télécom 14
1rst application : GC Analysis. Industrial Setup
Setup and GC process
Preconcentrator 6 ways valve
Sampling Heating and
injection
Preconcentrator as a sample loop
Jean-Paul VIRICELLE, colloque IMT Matériaux , mars 2016
Institut Mines-Télécom 15
1rst application : GC Analysis
Target Gas Initial
Concentrations
Preconcentration
factors (PF)
Toluene 37 ppb 200
Vinyl acetate
monomer 39 ppb 800
Chloroform 46 ppb 600
MIBK 35 ppb 200
ppb trace level analysis with interferences (natural gas)
ppm trace level analysis
Target Gas Initial
Concentrations
Preconcentration
factors (PF)
Toluene 8 ppm 689
Vinyl acetate
monomer 9 ppm 658
Chloroform 11 ppm 438
MIBK 7 ppm 576
Chromatograms
PF=𝑨𝟐
𝑨𝟏 A : peak area
Jean-Paul VIRICELLE, colloque IMT Matériaux , mars 2016
Industrial applications:
Gas mixture analysis (Toluene,Methylisobutyketone,
Chloroforme, Vinyl acetate)
Institut Mines-Télécom 16
ppb trace level analysis
Explosive detection
Micropreconcentration of DNT
(Dinitrotoluène)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0 5 10 15 20 25 30
Co
nce
ntr
atio
n (
pp
b)
Temps (min)
DNT adsorption 300 ppb
Silicium poreux
Silicium normal
0,0E+00
2,0E-13
4,0E-13
6,0E-13
8,0E-13
1,0E-12
0 100 200 300 400
Inte
nsi
té (
u.a
)
Temperature (°C)
Silicium poreux
Thermal Programmed Desorption
of DNT on porous silicon
Preconcentration test
of DNT on porous silicon
Desorption
@ 250°C
pore size Ø : 1-2 µm and thickness: 90-110 µm
Use of porous silicon (composant wall)
as adsorbant
Jean-Paul VIRICELLE, colloque IMT Matériaux , mars 2016
2nd application : Explosive detection
Institut Mines-Télécom 17
Conclusions
Microfabricated MEMS preconcentrator
• Low volume :14 µL
• Fast Heating rate :40°C/s
• Flow rate : 1 to 20 L/h
Various adsorbent material : Carbon nanopowder or nanotubes,
Tenax, porous silicon , …
• Good adsorption capacity for large range of VOCs, explosives,
drugs…
Wide range of applications
• Coupling micropreconcentrator/µ-GC or with other analyzer
• Air quality monitoring (VOCs)
• Security applications (explosives, drugs)
• Any need of traces detection…
Jean-Paul VIRICELLE, colloque IMT Matériaux , mars 2016
Institut Mines-Télécom
Thank you for attention 18 Jean-Paul VIRICELLE, colloque IMT Matériaux , mars 2016
EC project on Explosive detection
FP7-SEC-2011-1 N° 285203
Acknowledgments
TraceTech Security
L’analyse en ligne au coeur des procédés