Chapitre II : Préparation des différents matériaux et présentation de la méthode de caractérisation électrique des matériau
II. Caractérisation électrique des matériaux sensibles
II.4 Aspects géométriques
L’objectif est de préciser la position des électrodes par rapport à la couche sensible c’est-à-dire au-dessus ou au-dessous de l’élément sensible. Puis il convient de préciser la géométrie des dispositifs intégrant une couche membranaire.
II.4.1 Couches minces de dioxyde d'étain
En ce qui concerne les couches minces de dioxyde d'étain le problème de la position des électrodes a largement été étudiée dans le cadre de la thèse de L. Bruno [3]. Cet auteur a montré que lorsque l’électrode en or est située en dessous du dioxyde d'étain, une épaisseur de dioxyde d'étain de 100 nm ne permet pas d’établir une limite franche entre l’électrode d’or et le dioxyde d'étain. De plus, les quatre structures proposées par L. Bruno en figures 12 possèdent des propriétés électriques équivalentes.
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Figure 12 : Différentes géométries d’électrodes proposées par L. Bruno
Puisque aucune différence n’a été mise en évidence selon la position des électrodes en or, nous avons choisi de tester une seule configuration dans laquelle les électrodes sont positionnées au-dessous de la couche sensible de dioxyde d'étain.
Les couches minces de dioxyde d’étain sont déposées sur un substrat carré d’alumine alpha muni de 2 électrodes d’or de 400 nm d’épaisseur. Les géométries des différents
SnO2 Electrode d’or
Electrodes « dessous »
Electrodes « dessous- dessus »
composent d’un seul film mince de platine ou bien d’un film mince de platine déposé sur une céramique isolante.
Figure 13 : Schématisation des dispositifs en couche mince de dioxyde d’étain avec
membrane de platine seule (A) ou avec membrane de platine associée à une couche céramique isolante(B)
Comme l’indique la figure 10, la prise de contact électrique dans la cellule de mesure est réalisée au niveau du substrat d’alumine alpha sur les couches minces d’or.
II.4.2 Couches épaisses de dioxyde d'étain
En ce qui concerne les couches épaisses de dioxyde d’étain, et comme la technique est récemment implantée au laboratoire, nous avons choisi d’étudier l’influence de la position des électrodes vis-à-vis des propriétés de détection des différents dispositifs sensibles.
Les couches de dioxyde d'étain sont déposées sur un substrat rectangulaire d’alumine alpha. Les électrodes de 1 µm d’épaisseur peuvent être disposées au-dessous de la couche épaisse de dioxyde d'étain ou bien au-dessus de la couche épaisse
Comme le montre la figure 14, si les électrodes sont situées au-dessous de la couche sensible, le contact électrique est réalisé dans le prolongement de l’électrode au niveau du
8.5 mm 8.5 mm 4 mm 2 mm SnO2 (70 nm) Electrodes 400 nm Membrane Pt 5 mm Al2O3 ou SiO2 Pt Substrat Al2O3
A
B
Zone de prise de contact électrique au niveau de la cellule de mesure
substrat en alumine. Cette configuration permet de tester des membranes de platine déposées directement en surface de l’oxyde ou déposées sur une couche céramique isolante.
Figure 14 : Schématisation des dispositifs en couche épaisse munis d’électrodes situées en
dessous de la couche de dioxyde d’étain et associé ou non à une couche filtrante.
Compte tenu des traitements thermiques effectués sur nos ensembles SnO2 associé à deux électrodes d’or situées en dessous de la couche sensible, nous avons effectué une analyse élémentaire par sonde d’électrons.
L’analyse de la surface d’une couche épaisse de dioxyde d'étain obtenu à l’aplomb des électrodes est présentée en figure 15. La présence d’or en surface de la couche de dioxyde d'étain indique une diffusion du métal dans la couche sensible à l’aplomb des électrodes.
SnO2 SiO2 SnO2+ SiO2+ Pt SnO2+ Pt SnO2 2 x 4 mm² Electrode 12m Substrat Al2O3 38 mm 15 mm SnO2 2 x 4 mm² Electrode Membrane Pt Membrane SiO2(+ Pt) 1.5 mm 1mm 2 mm Membrane Pt 5 mm
Zone de prise de contact électrique au niveau de la cellule de mesure
Figure 15 : Analyse par sonde d’électrons d’une couche épaisse de dioxyde d'étain déposée
sur une électrode en or après traitement thermique de 15 heures à 700 °C. L’analyse est effectuée à l’aplomb de l’or
En ce qui concerne les électrodes situées au-dessus de la couche sensible, et comme le montre la figure 16, les contacts électriques sont réalisés directement sur les électrodes déposées sur la couche de dioxyde d'étain. Dans une telle configuration, et pour des raisons de prise de contact, aucune couche isolante n’a pu être intégrée au dispositif sensible. La seule configuration testée est relative à une membrane de platine déposée à la surface du dispositif dioxyde d'étain associé aux deux électrodes d’or.
Figure 16 : Schématisation des dispositifs en couche épaisse munis d’électrodes situées au-
dessus de la couche de dioxyde d’étain et associés ou non à une couche filtrante.
Sn
O
Au
Au
Kev 1mm 2 mm SnO2 x 4 mm² 2 Electrode Substrat Al2O3 Membrane PtZone de prise de contact électrique au niveau de la cellule de mesure
Références bibliographiques du chapitre II
[1] L. Bruno, C. Pijolat, R. Lalauze, « Low-pressure chemical vapour deposition of tin oxide thin films from an organometallic compound. Application to gas detection », Journal de Physique IV colloque C2 suppl au journal de Physique II, vol 1, septembre 1991.
[2] L. Bruno, C. Pijolat, R. Lalauze, « Influence of microstructure on electrical properties of SnO2 films prepared by CVD », Advances in inorganic films and coating 1995, 497-504 [3] L. Bruno, « Elaboration et caractérisation de couches minces de dioxyde d'étain obtenues
par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Relations entre propriétés structurales et électriques. Application à la détection des gaz », Thèse, Saint-Etienne, 1994
[4] B.Rivière, J.P. Viricelle, C. Pijolat, « Development of tin oxide material by screen-printed technology for gas sensor application », Sensors and Actuators B 2002 à paraître
[5] H. Débéda , « Dispositifs multi-capteurs sélectifs au méthane réalisés en technologie microélectronique hybride couches épaisses », Thèse Université de Bordeaux I (1996) [6] M.C Carotta, M. Ferroni, D. Gnani, V. Guidi, M. Merli, G. Martinelli, M.C. Casale, M.
Notaro, « Nanostructured pure and no-doped TiO2 as thick film gas sensors for environmental monitoring », Sensors and Actuators B 58 (1999) 310-317
[7] B Rivière, « Caractérisation électrique de mélange de poudre (conductrice/isolante). Applications à la réalisation des capteurs de gaz par sérigraphie en ‘couche épaisse’ », DEA Génie des Procédés, septembre 2000, Saint-Etienne
[8] M. Labeau, A. M. Gaskov, B Gautheron, J. P. Senateur, « Synthesis of Pd-doped SnO2 films on silicon and interaction with ethanol and CO », Thin solid film 248 (1994) 6-11 [9] N. Barsan, R. Ionescu, A. Vancu, « Calibration curve for SnO2–based gas sensors »,
Sensors and Actuators B 18-19 (1994) 466-469
[10] B. Gautheron, « Elaboration de couches minces de dioxyde d'étain pures et dopées (Pd, Ni) par pyrosol d’un aérosol généré par ultrasons ; Caractérisations micro structurale et électrique. Application à la détection des gaz », Thèse Grenoble 1992