Revue des capteurs d'hydrogène commerciaux et étude de performances

Un état de l’art des différentes technologies commercialisées pour la détection d’hydrogène dans les nouveaux véhicules à hydrogène est effectué. Cinq principales technologies sont distinguées : la technologie catalytique (CAT), la technologie électrochimique (EC), la technologie à conductivité thermique (TCD), la technologie à oxyde métallique (MOX) ainsi que la technologie Métal – Oxyde – Semi-conducteur (MOS). Dans ce qui suit, chacune des technologies est présentée et son principe de fonctionnement est détaillé.

Technologie catalytique (CAT)

Le capteur catalytique est constitué de deux fils en platine recouvrèrent d’une bille. Une bille de détection recouverte d’un catalyseur afin d’accélérer la réaction chimique ainsi qu’une bille de référence qui permet de compenser les effets environnementaux. Les deux billes se composent de deux résistances, une résistance fixe ainsi qu’une résistance variable. Les résistances sont montées en pont de Wheatstone . En présence du gaz cible une combustion, une combustion catalytique a lieu dans la bille de détection ce qui génère une chaleur due à la combustion et fait varier la température de la bille. Cette variation de température implique un changement de la valeur de la résistance, ce qui déséquilibre le pont et génère un signal à la sortie. La valeur du signal dépend de la concentration de gaz disponible.

Technologie électrochimique (EC)

Le capteur électrochimique , consiste en un empilement de trois électrodes séparées par un électrolyte. En présence du gaz cible, le gaz se diffuse à travers la barrière et atteint la surface de la première électrode, l’électrode de travail. Une réaction électrochimique a lieu. Les électrons résultants de la réaction contribuent à la génération d’un signal de sortie. La valeur de ce signal varie en fonction de la concentration d’hydrogène disponible. Les protons résultants de la réaction traversent l’électrolyte jusqu’à la contre électrode et contribuent à la génération d’un contre-courant qui équilibre le courant généré à l’électrode de travail. L’ électrode de référence quant à elle permet de conserver une tension fixe à l’ électrode de travail.

Technologie à conductivité thermique (l’CD)

Ce type de capteurs est également monté en pont de Wheatstone avec deux cellules. Une cellule de mesure et une cellule de référence. Ce type de capteurs est généralement utilisé avec des gaz chromatographes, ce qui permet de détecter toute variation de la conductivité thermique du gaz causant ainsi une variation de température et, par conséquent, une variation de la résistance, ce qui déséquilibre le pont. La différence avec la technologie catalytique est l’absence de réaction chimique dans ce type de capteurs.

Technologie à oxyde métallique (MDX)

Ce type de capteurs consiste en deux électrodes métalliques connectées à un matériau sensible . Ces électrodes permettent la mesure de la variation de la résistance de la couche sensible. À la température de fonctionnement, la densité d’oxygène chargé négativement croit à la surface causant ainsi la formation d’un potentiel de surface qui agit comme une barrière de potentiel contre le flux d’électrons. Donc, l’oxygène est nécessaire au fonctionnement de ce type de capteurs. La résistance électrique de la couche sensible est attribuée à cette barrière de potentiel. En présence d’hydrogène, la densité surfacique de l’ oxygène chargé négativement diminue ce qui implique une diminution, à la fois, de la barrière de potentiel et de la résistance de la couche sensible. Le filament à l’endos du capteur permet de porter le capteur à la plage de fonctionnement optimale en température.

Technologie métal – oxyde – semi-conducteur (MOS)

Ce type de capteurs consiste en un empilement de trois couches . Un substrat, généralement, en silicium, suit une fine couche d’oxyde et enfm la couche métallique sensible. Le principe de fonctionnement est basé sur la variation de la capacité causée par la variation de la fonction de travail de la couche sensible en présence du gaz cible. En présence d’hydrogène, on obtient une dissociation des molécules d’hydrogène. Les atomes d’hydrogène se diffusent par la suite à travers l’oxyde pour atteindre l’interface Oxyde/Substrat où ils contribuent à la création d’une zone de déplétion à cette interface. La variation de l’épaisseur de cette zone de déplétion varie en fonction de la capacité du capteur qui est gouvernée par la quantité d’hydrogène absorbée.

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Table des matières

Chapitre 1 – Introduction
1.1 Problématique
1.2 Objectifs
1.3 Originalité de la thèse
1.4 Organisation de la thèse
Chapitre 2 – Revue de la littérature
2.1 Revue des capteurs d’hydrogène commerciaux et étude de performances
2.1.1 Technologie catalytique (CAT)
2.1.2 Technologie électrochimique (EC)
2.1.3 Technologie à conductivité thennique (TCD)
2.1.4 Technologie à oxyde métallique (MOX)
2.1.5 Technologie métal- oxyde – semi-conducteur (MOS)
2.1.6 Étude des perfonnances
2.1.7 Résumé de l’étude du marché des capteurs commerciaux
2.2 L’acoustique comme alternative
2.3 Théorie de l’ acoustique
2.3.1 Description du dispositif acoustique à base d’ondes acoustiques de surface
2.3.2 Principe de fonctionnement
2.3.3 Principe de détection
2.3.4 Modes de propagation de l’onde acoustique
2.4 Résumé des technologies acoustiques
Chapitre 3 – Étude théorique des mécanismes de détection dans les couches minces et étude de sensibilité «Application sur le mode SA W»
3.1 Approche scientifique proposée pour l’explication du mécanisme de détection dans les couches minces
3.1.1 Extraction de la vitesse acoustique dans les couches minces «Développement mathématique»
3.1.2 Conception des dispositifs
3.1.3 Modèle électrique «Validation de la conception : Dimensionnement et fréquence de fonctionnement»
3.2 Modèle multiphysique
3.3 Approche scientifique proposée pour l’étude de sensibilité des différents modes acoustiques susceptibles d’être exploités
Chapitre 4 – Résultats expérimentaux «Application sur le mode SAW»
4.1 Procédé de fabrication
4.2 Réalisation des masques
4.3 Réalisation des dispositifs
4.4 Méthodes et paramètres de test
4.4.1 Méthode de test
4.4.2 Paramètres de test
4.5 Étude en absence d’hydrogène
4.6 Étude en présence d’hydrogène
4.7 Étude de sensibilité des capteurs acoustiques (application sur le mode SAW) ..
Chapitre 5 – Nouvelle génération «Optimisation de la robustesse»
5.1 Identification des modes acoustiques alternatifs exploités
5.2 Conception des capteurs à base de modes acoustiques alternatifs et choix des matériaux
5.2.1 ModeSH-SAW
5.2.2 Mode de Love
5.2.3 Mode de Lamb
5.3 Étude de sensibilité des différents cas
5.3.1 ModeSH-SAW
5.3.2 Mode de Love
5.3.3 Mode de Lamb
Chapitre 6 – Conclusion