Généralités sur les capteurs à bas coût

Généralités sur les capteurs à bas coût

Contexte

La mesure des polluants atmosphériques est un défi. La plupart des polluants gazeux, tels que le dioxyde d’azote (NO2) ou l’ozone(O3), se produisent à des niveaux de parties par milliard (part per billion ou ppb) dans l’air et sont mélangés avec des milliers d’autres composés. Les combustibles non brûlés, par exemple, contribuent à la formation de nombreux hydrocarbures différents dans le mélange atmosphérique urbain. A cela s’ajoutent des quantités importantes et changeantes de vapeur d’eau et de dioxyde de carbone, à des températures comprises entre -30 °C et 50 °C. Il s’agit là d’une chimie analytique complexe et difficile à prédire [1]. Aujourd’hui, le réseau public de surveillance de la qualité de l’air extérieur repose sur des stations de mesure fixes, les gouvernements et les scientifiques utilisent les analyseurs de gaz des plus performants, mais qui sont aussi les plus onéreux tels que des mesures spectroscopiques ou encore en chimiluminescence. Cela entraine à ce jour l’existence d’un faible nombre de ces stations sur le territoire et donc une résolution spatiale de la qualité de l’air très limitée.

Les entreprises du secteur privé se sont lancées dans la production des capteurs de surveillance de la qualité de l’air bon marché, à des prix abordables dit « low cost ». De tels dispositifs très miniaturisés pourraient être déployés en plus grand nombre jusque sur des véhicules ou directement sur les individus. Ces dispositifs pourraient donc combler le fossé entre les mesures de la qualité de l’air réalisées par les pouvoirs publics et les mesures effectuées par les individus afin de suivre leurs expositions personnelles [2].

Dans ce contexte, les capteurs miniaturisés « low-cost » à base de semi-conducteurs représentent une solution très intéressante. Ces derniers sont basés sur une découverte dans les années 1950, où Brattain et Bardeen montrent que l’adsorption d’un gaz à la surface du germanium pouvait entrainer des variations de sa résistance électrique de façon réversible et appréciable [3]. Ces travaux ont permis le développement des premiers capteurs de gaz industriels comme celui de Seiyama [4] en 1962 qui utilise des couches minces de ZnO pour la détection du CO2 et des composés organiques volatils (COV) ou de Taguchi [5] en 1971 à base de SnO2 pour la détection des gaz hydrocarbures explosifs.

Depuis plus de 50 ans, de nombreux travaux ont été menés en termes de recherche de matériaux et d’ingénierie pour accroitre les performances de ces capteurs. Pour la communauté industrielle et scientifique l’amélioration de la sensibilité, de la sélectivité, de la stabilité, de la reproductibilité et des temps de réponses et de recouvrement restent un challenge majeur. Ces types de capteurs peuvent révolutionner les dispositifs de contrôle de la qualité de l’air car ils offrent de nombreux avantages par rapport aux méthodes actuelles de mesures de référence. Parmi ces avantages nous pouvons citer leur facilité et leur faible coût de fabrication, une large variété de matériaux sensibles, et la possibilité d’en déployer un grand nombre permettant ainsi d’aboutir à une résolution spatiale importante. Mais ces dispositifs nécessitent d’être optimisés en termes de matériaux, de composés détectés et de milieu de fonctionnement, c’est pourquoi de nombreuses recherches sont en cours dans cet objectif.

Nous nous proposons, dans ce premier chapitre, de définir les différents types de capteurs de gaz dits « low-cost » utilisés aujourd’hui ainsi que présenter de manière synthétique leurs principes de fonctionnement. Nous nous intéresserons plus en détails aux capteurs résistifs à oxydes métalliques semi-conducteurs et notamment aux différents matériaux utilisés. Par la suite, nous montrerons les dispositifs servant de support aux matériaux sensibles dans les applications de détection de gaz. Enfin, nous présenterons les matériaux étudiés dans le cadre de nos travaux : dans un premier temps l’oxyde de zinc dopé au gallium et dans un second temps les cobaltites de fer (qui font l’objet d’une étude exploratoire).

Principaux types de capteurs de gaz dits « low-cost »

Le détecteur à photo-ionisation (Photo Ionisation Detector ou PID)

Aujourd’hui, le type de capteur le plus utilisé, en particulier pour les mesures des composés organiques volatils (COV), est le détecteur à photo-ionisation ou capteur PID. Les capteurs PID disposent d’une source UV d’une énergie connue qui excite les molécules du gaz cible, ce qui entraîne l’arrachement d’électrons dans ces molécules et donc la formation d’ions chargés positivement. Les molécules de gaz ionisées qui passent entre deux électrodes polarisées permettent alors le passage d’un courant mesurable (signal capteur) proportionnel à la concentration du gaz cible. Les ions se recombinent après avoir passé le détecteur pour reformer leurs molécules d’origine [6]. L’énergie de la lumière UV dépend des gaz qui sont généralement le xénon, le deutérium, le krypton ou l’argon [6].

Les capteurs à PID dépendent très peu de la température et de l’humidité relative. Ils ont un temps de réponse rapide (quelques secondes) et sont très sensibles. Leurs principales faiblesses sont leur consommation électrique, leur dérive de signal à court terme et surtout leur manque de sélectivité. En effet, ils ne sont pas du tout sélectifs puisqu’ils mesurent toutes les molécules ayant un potentiel d’ionisation inférieur à l’énergie de la lampe [6].

Les capteurs électrochimiques

La famille des capteurs électrochimiques fait partie des plus utilisés sur le marché. On peut séparer les capteurs de gaz électrochimiques en deux familles :
– Les capteurs potentiométriques : où la réaction chimique entre le matériau et le gaz cible se traduit par une différence de potentiel électrique.
– Les capteurs ampérométriques : où la réaction chimique entre le matériau et le gaz cible se caractérise par une variation de courant électrique. Ce sont les types de cellules électrochimiques les plus utilisés.

Les capteurs électrochimiques sont dotés de 3 électrodes : une électrode de détection, une électrode de référence et une contre-électrode toutes placées dans un électrolyte commun. Le gaz pénètre dans le capteur et réagit avec l’électrode de mesure où a lieu une réaction chimique. Ces réactions produisent un courant qui peut être mesuré grâce à un circuit électronique dédié. Ces capteurs, réagissent généralement à une large gamme de concentrations (de quelques ppb à quelques centaines de ppm). Ils fonctionnent à faible puissance car ils n’ont pas besoin d’énergie pour activer la réaction chimique, ils sont relativement rapides (de l’ordre de la seconde) et ont généralement une faible limite de détection.

Cependant, comme tous les capteurs, ils présentent des faiblesses qui affectent la qualité de leurs mesures : ils sont fortement influencés par les changements de température et d’humidité relative de l’air. En outre, ils ont une dérive importante du signal et une durée de vie limitée (3 ans environ).

Les capteurs à infrarouge non dispersifs (NDIR)

Dans les capteurs optiques, la technologie la plus répandu actuellement est l’infrarouge non dispersif (Non dispersive Infrared ou NDIR). Cette technologie repose sur la loi d’absorption de BeerLambert et a été mis au point par Luft en 1943 [8]. Son principe repose sur l’absorption d’une longueur d’onde par le gaz cible. Cette technologie est largement utilisée dans la détection du CO2. Mais dans l’avancement actuel ces capteurs ne détectent qu’un seul gaz cible (avec une source monolongueur d’onde) .

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Introduction bibliographique
A. GENERALITES SUR LES CAPTEURS A BAS COUT
1. CONTEXTE
2. PRINCIPAUX TYPES DE CAPTEURS DE GAZ DITS « LOW-COST »
B. LES CAPTEURS RESISTIFS A OXYDES SEMI-CONDUCTEURS
1. STRUCTURE ET DESCRIPTION
2. CARACTERISTIQUES DES CAPTEURS DE GAZ
3. LES OXYDES METALLIQUES SEMI-CONDUCTEURS
4. MICRO ET NANOSTRUCTURES ET ELABORATION
5. DISPOSITIFS
C. MATERIAUX ETUDIES
1. L’OXYDE DE ZINC DOPE AU GALLIUM (ZNO:GA)
2. MECANISME DE DETECTION
3. COBALTITES DE FER A STRUCTURE SPINELLE
Chapitre 2 : Techniques expérimentales
A. TECHNIQUES D’ELABORATION DES COUCHES ET DISPOSITIFS DE TEST
1. ELABORATION DES COUCHES MINCES SENSIBLES PAR PULVERISATION CATHODIQUE
1.1 Principe physique
2. VEHICULES DE TEST ET MICRO-PLATEFORMES
2.1 Véhicules de test
2.2 Les micro-plateformes
B. TECHNIQUES DE CARACTERISATION
1. CARACTERISATION STRUCTURALE PAR DIFFRACTION DES RAYONS X
2. CARACTERISATION ELEMENTAIRE PAR MICROSONDE ELECTRONIQUE
3. CARACTERISATION MICROSTRUCTURALE
4. CARACTERISATIONS ELECTRIQUES
C. MESURES DES PERFORMANCES CAPTEURS
1. MESURES DE LA REPONSE DU MATERIAU
2. MESURE DE LA REPONSE DES CAPTEURS
Chapitre 3 : Etudes et caractérisations des couches minces de ZnO:Ga
A. CONDITIONS DE PREPARATION DES FILMS MINCES
B. CARACTERISATIONS CHIMIQUES
1. DOSAGE PAR MICROSONDE ELECTRONIQUE
2. SPECTROSCOPIE DE DECHARGE LUMINESCENTE
C. CARACTERISATIONS STRUCTURALES ET MICROSTRUCTURALES
1. STRUCTURE
2. MORPHOLOGIE
D. CARACTERISATIONS ELECTRIQUES
1. PROPRIETES ELECTRIQUES
2. PROPRIETES THERMOELECTRIQUES
3. MESURES DES REPONSES DES COMPORTEMENTS ELECTRIQUES SOUS ATMOSPHERE CONTROLEE
E. CONCLUSION
Chapitre 4 : Intégration et mesure des performances capteurs
A. INTEGRATION DU ZNO:GA SUR PLATEFORME DE CARACTERISATION
1. FABRICATION DES ECHANTILLONS
2. CARACTERISATION MORPHOLOGIQUE DES FILMS
B. MESURE DES PERFORMANCES ET OPTIMISATION
1. MONTAGE EXPERIMENTAL
2. DETERMINATION DES PARAMETRES OPTIMUM
C. INTEGRATION DU MATERIAU SENSIBLE SUR MICRO-PLATEFORME CHAUFFANTE (CAPTEUR)
1. MASQUE POLYMERE
2. MASQUE METALLIQUE
D. CONCLUSION
Chapitre 5 : Evaluation exploratoire des cobaltites CoxFe3-xO4 pour la détection de l’éthanol
A. INTRODUCTION
B. SYNTHESE DES DISPOSITIFS DE TEST
1. SYNTHESE DES MATERIAUX
2. FABRICATION DES ECHANTILLONS POUR LA REALISATION DES TESTS SOUS GAZ
C. CARACTERISATIONS STRUCTURALES ET MICROSTRUCTURALES
1. CARACTERISATION MICROSTRUCTURALE
2. CARACTERISATIONS CHIMIQUES ET STRUCTURALES
D. MESURES SOUS GAZ
1. ESSAIS DE DETECTION ET PROTOCOLE
E. CONCLUSION
Conclusion générale
Références

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