Applications : tests préliminaires au LMI

Nous avons réalisé des tests préliminaires au laboratoire LMI sur des capteurs à base d'ondes élastiques de surface et des capteurs à base de résonateurs HBAR. Ces derniers sont composés d'une couche piézoélectrique en LiNbO3coupe (YXl)/163° et

d'un substrat en quartz de coupe (YXl)/32°. L'épaisseur de la couche excitatrice est d'environ 15 µm et celle du substrat d'environ 500 µm. Ces résonateurs ne disposent pas d'optimisation particulière pour leur sensibilité gravimétrique. La surface fonc- tionnalisée est celle se situant à l'opposée des électrodes. Les résultats présentés ici sont obtenus avec le même résonateur HBAR dont la fonctionnalisation reste identique tout au long des tests.

Ces tests nous ont permis, au cours du projet ROHLEX, de comparer les réponses des diérents capteurs lors de l'adsorption d'acétone sur la surface sensible grâce aux couches sensibles composées de calixarènes. Chaque type de capteurs testés sont fonctionnalisés avec la même couche et sont entreposés dans la même enceinte. Les expériences sont réalisées avec le montage représenté en gure 5.5 suivant la procédure suivante :

 étape 1 : faire le vide et sélectionner la fréquence de fonctionnement des dispo- sitifs.

 étape 2 : début de l'acquisition de la valeur de phase à fréquence xe.

 étape 3 : fermeture du circuit de la pompe à vide et ouverture du circuit acétone.  étape 4 : attente du décalage en fréquence des capteurs.

 étape 5 : fermeture du circuit acétone et ouverture du circuit de pompe à vide et pompage.

 étape 6 : attente de la desorption des molécules d'acétone puis retour à l'étape 3 pour un nouveau cycle.

SAW HBAR

Électronique

embarquée Analyseur de réseau

Pompe

à vide Vannes manuelles

Acétone

Figure 5.5  Schéma représentant le montage des expériences réalisées au sein de LMI.

Ces expériences nous ont permis de mettre en avant la capacité des polymères utilisés pour la détection de l'acétone. Nous avons également pu mettre en avant lors de ces essais que les résonateurs HBAR tels que réalisés, sans optimisation particulière pour la détection visée, sont très peu sensibles par rapport aux lignes à retard SAW optimisées en sensibilité après plus de vingt ans d'étude sur le sujet. À titre d'exemple, nous avons représenté en gure 5.6 les variations relatives de fréquence d'une ligne à retard à ondes élastiques de surface (ondes de Love) et d'un résonateur HBAR (a) pendant un test. Lors de ce même test, un analyseur de réseau est utilisé an de sonder plusieurs fréquences (120 et 160 MHz) dont les variations relatives de fréquence sont représentées en gure 5.6 (b). Notons que le HBAR, pour les courbes a et b est sondé par l'analyseur de réseau. En eet, la cinétique de la réaction étant plus lente que celle de l'électrochimie présentée au chapitre 4, nous pouvons utiliser l'analyseur de réseau contrairement aux expériences d'étalonnage. La ligne à retard est quant à elle, sondée par l'électronique embarquée.

Lors de ce premier test, nous pouvons remarquer que le résonateur HBAR présente une sensibilité environ huit fois plus faible que celle de la ligne à retard SAW et ce pour les deux fréquences sondées ici.

Une nouvelle expérience est réalisée, sondant le même dispositif SAW avec l'élec- tronique embarquée et le même résonateur HBAR avec l'analyseur de réseau, mais cette fois-ci, avec une fréquence de 120 et 430 MHz.

Par la suite, nous avons fait le choix de toujours opérer à la fréquence de 120 MHz an d'avoir un point de comparaison avec cette première expérience. La sensibilité gravimétrique pour les trois fréquences sondées (120 300 et 430 MHz) est identique, de par la même variation relative de fréquence. Nous pouvons arriver à cette conclu-

5.2. Projet ROHLEX 159 SAW 120 MHz -6e-05 -5e-05 -4e-05 -3e-05 -2e-05 -1e-05 0 1e-05 0 200 400 600 800 1000 V ar iatio ns r el ative s de f ré qu en ce Temps (s) Adsorption Désorption (a) -1e-05 -8e-06 -6e-06 -4e-06 -2e-06 0 2e-06 0 100 200 300 400 500 600 700 800 V ar iatio ns r el ative s de f ré qu en ce Temps (s) HBAR 120 MHz (b)

Figure 5.6  Variations relatives de fréquence pour un HBAR et une ligne à retard pendant les phases d'adsorption et de désorption d'acétone. (a) comparaison entre les dynamiques de mesure, (b) comparaison de la dynamique de mesure de deux modes du HBAR.

-1,5e-05 -1e-05 -5e-06 0 5e-06 0 200 400 600 800 1000 1200 V ar iatio ns r el ative s de f ré qu en ce Temps (s) HBAR 120 MHz

Figure 5.7  Variations relatives de fréquence du même résonateur HBAR sondé à deux fréquences diérentes (120 et 430 MHz).

sion car nous considérons que pour chaque cycle d'adsorption d'acétone, la même quantité de molécule est piégée par les calixarènes présents à la surface de notre résonateur. Considérant pour une ligne à retard à ondes de Love une sensibilité gravimétrique de 180 cm2_{/g, le résonateur HBAR testé ici présente une sensibilité}

gravimétrique de 20 cm2_{/g environ.}

Un dernier test est réalisé utilisant une nouvelle ligne à retard et un nouveau résonateur HBAR. Les deux dispositifs sont sondés avec l'électronique embarquée que nous avons développé au cours de ce projet. Chaque capteur est muni de la même couche sélective mais diérente de celle testée jusqu'à présent. En gure 5.8 sont représentées les variations relatives de fréquence de la ligne à retard et du résonateur HBAR.

-0,0002 -0,00015 -0,0001 -5e-05 0 5e-05 0,0001 0 100 200 300 400 500 600 V ar iatio ns r el ative s de f ré qu en ce Temps (s) HBAR 120 MHz SAW 120 MHz

Figure 5.8  Variation relative de fréquence d'une ligne à retard à base de SAW et d'un résonateur HBAR, tous deux sondés à des fréquence de 120 MHz.

avec nos deux capteurs, amélioration due à l'utilisation d'une couche de calixarènes mieux adaptées à la détection d'acétone. Notons également que le rapport entre les variations relatives de fréquence, entre la ligne à retard et le résonateur, est passé de 8 à 4,5, soit une sensibilité pratiquement doublée, de l'ordre de 40 cm2/g.

Ce dernier test met en avant une stabilisation nettement plus rapide du HBAR en comparaison de la ligne à retard. Ceci peut s'expliquer par la faible taille du HBAR utilisé ici en comparaison de la taille de la ligne à retard. L'aire de la surface sensible en de l'ordre de 3,5.10−2 _mm2 tandis que celle de la surface sensible de la ligne à

retard est de l'ordre de 12 mm2_{, soit une diérence de plus d'un facteur 330. Malgré}

sa faible sensibilité gravimétrique, le résonateur HBAR présente une surface sensible telle qu'elle permet, a priori, une cinétique d'adsorption/désorption plus élevée que celle obtenue avec une ligne à retard.

Ces tests préliminaires annoncent dans tous les cas de gure que le résonateur HBAR présente une sensibilité gravimétrique entre 20 et 40 cm2_{/g, plus faible que}

la ligne à retard à base de SAW que nous avons utilisée, comme nous le savions (chapitre 3) mais que la cinétique de réaction semble plus rapide sur le HBAR que sur le SAW, sans doute dû au fait de surface sensible plus petite. Cependant, nous sommes dans la capacité de détecter l'acétone en utilisant une couche sensible de calixarènes et en sondant le résonateur avec l'électronique embarquée. An de vérier la sélectivité des couches de calixarènes, des essais sont réalisés au sein des bâtiments techniques de la DGA comme nous le verrons dans la partie suivante.