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LHERBAUDIERE
6 pages à l'impression
version
initiale 2002
dernière
mise à jour
22 mars 2013
22 mars 2013
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troisième partie (3/4): les microcapteurs de gaz
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ressentir
les odeurs? |
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les
grands principes |
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un
dérivé du MOSFET |
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user
de la température |
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user
de la conductivité des gaz |
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toujours
le quartz |
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encore
le quartz |
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est-ce
l'avenir ou l'ancêtre? |
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Nez électronique
Afin de respecter l’objectif de miniaturisation du dispositif, nous allons nous inspirer de la biologie, en l'occurrence du système olfactif humain, pour développer un microsystème que l'on pourrait abusivement qualifier de nez électronique.
En pratique on constate que chaque être humain dispose d'un système olfactif différent. Le nez humain est tapissé dans la zone du cornet supérieur par un ensemble d'environ 1000 cellules comportant chacune un récepteur olfactif. On sait aussi qu'il existe sur l'ensemble des êtres humains environ 1000 types de récepteurs olfactifs différents. Cependant chaque être humain n'en possède que 200 types différents environ, choisis parmi ces 1000, et d'un homme à l'autre la répartition de ces 200 types dans les 1000 cellules réceptrices est aussi très variable.
Il en résulte évidemment une sensibilité sensiblement différente aux odeurs d'un homme à l'autre. Enfin notons que ces récepteurs olfactifs ne sont pas spécifiques d'une espèce chimique ou d'une odeur, mais que c'est le cerveau qui, après un apprentissage, pourra décoder l'information transmise par chacun des récepteurs via un ensemble de neurones et élaborer une interprétation.
Ainsi, bien qu'ils comportent chacun une palette de récepteurs fort différente, un ensemble d'hommes bien entraînés seront en mesure d'identifier plusieurs centaines d'odeurs différentes, isolées, et une odeur particulière noyée dans un mélange de près de quarante autres. C'est pourquoi, dans certaines agglomérations susceptibles d'être fort polluées en raison d'un environnement d'industries chimiques diverses, on utilise des habitants formés à la détection des odeurs suspectes (Rouen par exemple).
Précisons enfin une particularité du nez humain qui constitue à la fois un inconvénient et un avantage, c'est la non permanence de la sensibilité des récepteurs olfactifs. En effet, mis en présence d'une odeur forte, les récepteurs concernés réagissent et transmettent un signal fort au cerveau, mais si l'odeur persiste, on constate que l'amplitude du signal décroît fortement au bout d'une vingtaine de secondes et l'homme a l'impression que l'odeur a disparu. Il faudra que l'homme quitte cette zone odoriférante pour restaurer la sensibilité de ses récepteurs olfactifs. Cette faculté est utile car elle rend sans doute possible la vie de nombreuses personnes dans des environnements à odeur forte et souvent désagréable (tels les mercaptans au voisinage d'une raffinerie de pétrole), mais à l'inverse, en présence d'un gaz toxique, elle peut se révéler inopportune.
Dans la conception d'un système de perception des constituants atmosphériques polluants, on va chercher à s'inspirer du nez humain, mais sans vouloir, ni pouvoir, le reproduire exactement. En effet, il paraît actuellement presque impossible d'équiper un système de près de 200 éléments sensibles associés à un système d'interprétation de la complexité du cerveau humain (cependant dès 2002 plusieurs centres de recherche coréens étaient en passe de réussir l'intégration de 256 microcapteurs sur un même substrat de un pouce de côté). D'autre part, il n'est évidemment pas souhaitable de disposer de senseurs à sensibilité décroissante dans le temps en présence d'un taux constant de polluant à détecter.
Cependant le principe d'un certain nombre de petits récepteurs très proches dans leur structure comme dans le nez humain, et dont les informations non spécifiques seront interprétées par un système intelligent et capable d'apprendre, tel le cerveau, est particulièrement séduisant et continue à faire l'objet de nombreux travaux.
Concepts généraux sur les microcapteurs de gaz
Nous allons donc préciser ici les principales caractéristiques d'un système de perception bâti selon ce concept de nez électronique. Pour répondre à la fois aux exigences de coût, de miniaturisation et de portabilité, il paraît souhaitable de devoir retenir sensiblement le même principe d'obtention de l'information pour chacune des grandeurs chimiques à identifier (cependant certains chercheurs américains ont bâti des systèmes utilisant plusieurs types de capteurs différant dans leurs principes de fonctionnement). En outre, ce principe doit éviter l'obligation de prélèvement d'un échantillon d'air et ne pas imposer, pour l'électronique associée, des conditions d'environnement particulières de fonctionnement. Les performances des éléments sensibles auxquelles nous devrons nous attacher seront bien évidemment la sensibilité, la sélectivité et la stabilité.
Trois grandes familles de microcapteurs permettent d'identifier et de quantifier certaines espèces chimiques gazeuses:
Notons
qu'il peut y avoir combinaison des grands principes ci-dessus. Il en résulte
une très grande variabilité des éléments sensibles
et des transducteurs utilisés dans les microcapteurs chimiques. Nous
n'allons examiner plus précisément que ceux, commercialisés,
qui sont susceptibles d'identifier les polluants majeurs que nous avons retenus
dans un premier temps.
L'histoire des microcapteurs chimiques commence en 1970 avec les travaux de P. Bergveld qui suggérait d'utiliser un transistor à effet de champ pour la détection d'espèces ioniques.
Le principe consiste à intégrer sur la grille du FET une membrane sensible à l'espèce à détecter. Lors de l'absorption d'un gaz accepteur ou donneur d'électrons il va se produire une modification du potentiel de surface, et par suite de la concentration de porteurs au niveau du canal et donc de sa conductance.
Depuis de nombreux dispositifs ont été développés, tous basés sur le principe schématisé, mais différant essentiellement par le choix du matériau sélectif constituant la grille du FET. En utilisant une grille de palladium on peut réaliser des dispositifs sensibles à un éventail de gaz contenant de l'hydrogène tels certains COV, mais aussi NH3 (l'ammoniac) et H2S (l'hydrogène sulfuré). Afin d'améliorer les temps de réponse on préconise un fonctionnement à température élevée (entre 100 et plus de 1000°C) ce qui justifie la présence d'un circuit de chauffage en périphérie du FET.
Avec des molécules telles NOx, CO ou SO2, c'est à dire des molécules dépourvues d'atomes d'hydrogène, on utilise une grille en SnO2 dopé au cadmium ou à l'antimoine.
Le principe de fonctionnement de ces capteurs se base sur la mesure de la chaleur dégagée par la combustion du gaz à détecter. Leur fabrication utilise les technologies de la microélectronique. Ils comportent deux éléments chauffants identiques, en couches de platine, déposés sur une membrane de nitrure de silicium qui constitue un bon compromis adhérence/isolation thermique et électrique avec le substrat de silicium. Sur l'une des résistances de platine est déposé un catalyseur (métal précieux tel le palladium le plus souvent), l'autre sert de référence.
Lors de la combustion du gaz sur la couche active il en résulte une variation de température de cette couche et donc de résistivité du platine.
Ce type de capteur possède un excellent temps de réponse (<10s) et une bonne linéarité, mais il ne peut détecter que des gaz combustibles ( H2, CH4, C4H10, C2H5OH, solvants hydrocarbonés). Son principal inconvénient est l'empoisonnement du catalyseur par certaines espèces chimiques (le plomb tétraéthyl des anciens supercarburants par exemple).
Une autre procédure peut-être exploitée avec les capteurs catalytiques : c'est de faire travailler le capteur à température constante, ainsi la quantité d'énergie pour maintenir la température sera-t-elle différente sur l'élément sensible en contact avec le gaz de celle de l'élément de référence. Ainsi le capteur catalytique développé au LETI en liaison avec l'INERIS fonctionnait sur ce principe. Il était chauffé à environ 1000°C en environ 15ms, ce qui nécessitait une puissance de 200mW, puis en 30ms la mesure était réalisée. Le capteur était ensuite ramené à la température ambiante jusqu'au cycle de mesure suivant. Ce qui a pour conséquence une augmentation de la durée de vie. Notons que la température optimale est différente selon le gaz combustible, il est ainsi possible de déterminer plusieurs constituants d'un mélange avec le même capteur : Selon les travaux d'Isabelle Zdanévitch & al. l'hexane peut être mesuré à 400°C, le butane et le propane vers 600°C, le méthane à partir de 800°C et l'hydrogène à 200°C.
Capteurs à conductivité thermique
Dans le même ordre d'idée Microsens S.A. diffuse des capteurs basés sur la conductibilité thermique du gaz à mesurer, dans lesquels la mesure est une simple mesure de la variation de température d'un capteur chauffé, par le fait du gaz environnant. Ces capteurs qui n'impliquent aucune réaction chimique ni aucune combustion peuvent être utilisés pour mesurer le méthane, les gaz naturels inertes, tel le CO2 et divers mélanges binaires. On peut identifier des concentrations variant de 1 à 100%, avec des temps de réponse < 20s. Il s'agit de dispositifs peu gourmands en énergie (< 6mW).
Depuis 1959, on sait que les quartz vibrants possèdent une fréquence de résonance en relation quantitative directe avec leur masse vibrante et qu'un dépôt sur celle-ci l'affecte linéairement. Cette propriété est utilisée dans l'industrie de la microélectronique pour contrôler l'épaisseur des couches métalliques déposées. Dès lors que l'on sait réaliser sur un tel support une structure qui va fixer par adsorption physico-chimique une espèce chimique particulière on dispose d'un capteur de très faible coût et de très grande sensibilité (meilleure que 10-8g) .
Cependant ce principe est peu répandu car en l'absence d'un procédé élémentaire pour le "nettoyer" en ligne, il est limité dans son emploi par le processus de saturation.
Les dispositifs à onde de surface (SAW) ont aussi été envisagés pour la réalisation de capteurs d'espèces chimiques gazeuses ou en solution, en particulier biochimiques. Le principe repose sur la perturbation apportée dans la transmission de l'onde de surface entre le peigne interdigité émetteur et le récepteur par une couche adsorbante (oxyde métallique ou polymère) située entre les deux. En choisissant avec soin le type de membrane on peut imaginer la réalisation de toute une famille de capteurs. La figure en donne un schéma de principe.
Cette technologie, imaginée par Taguchi, est actuellement la plus répandue puisque commercialisée dès 1968 par la compagnie japonaise Figaro Inc. L'idée fondamentale de Taguchi a été d'imaginer qu'une couche poreuse d'un oxyde semiconducteur, déposée sur un substrat neutre (céramique), verrait ses propriétés conductrices affectées sensiblement en présence d'une faible concentration de gaz oxydant ou réducteur, les gaz oxydants générant des états de surface accepteurs dans le semiconducteur et les gaz réducteurs provoquant au contraire des états donneurs. Il s'agit en fait d'exacerber les phénomènes de surface qui dans les composants électroniques classiques sont considérés comme parasites et indésirables.
monocapteur MSGS (doc. Microsens SA)
Ainsi, les capteurs de la famille MSGS sont typiquement des capteurs sur semiconducteur micro-usiné dans lesquels l'élément sensible est constitué d'une couche mince d'oxyde métallique semiconducteur (SnO2-Nb2O5) déposée sur un support en silicium, réduit à une membrane de 0.8µm d'épaisseur dans la zone sensible, sur lequel a été intégré un système de chauffage en platine. Grâce à la finesse de cette membrane, la couche sensible est pratiquement thermiquement isolée du reste du substrat de silicium, ce qui limite considérablement la consommation électrique. La sélectivité de l'élément sensible est définie par un dopage adéquat de la surface sensible. Ainsi des capteurs multiples sont-ils possibles. Le type MSGS 4000 comporte ainsi, sur un substrat de 3mm, 4 éléments sensibles différents. Chaque élément sensible correspond à une zone mince de la membrane de silicium de dimension 500x500µm. La figure ci-dessous montre une coupe d'un élément montrant la couche de chauffage (en rouge), l'oxyde SiO2 (en rose), le substrat de silicium aminci dans sa partie centrale (en noir). La couche sensible (verte) en surface fait entre 100 et 400nm d'épaisseur.
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coupe
d'un élément sensible, à droite multicapteur à 4
éléments sensibles dans un boitier TO5
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