(3.13) A noter que la sensibilité relative pourra être utilisée pour comparer des poutres de
3.6 Autres tests sous gaz sans couche sensible
Compte tenu des résultats intéressants obtenus sous toluène nous avons cherché à tester les poutres avec d‟autres interférents tels que la vapeur d‟eau, l‟hydrogène ou l‟éthanol. Dans cette partie, des micropoutres sans couche sensible ont été utilisées afin de tester l‟influence de différents interférents sur le comportement mécanique de celles-ci.
133
3.6.1 Détection de la vapeur d’eau
La variation de la fréquence de résonance est étudiée pour différents taux d‟humidité relative HR (Figure 3.31). La température contrôlée dans la cellule de tests est fixée à 25°C. Nous rappelons que l‟humidité relative HR est définie par :
(3.18) où HR est l‟humidité relative à la température T (en %), ppv la pression partielle de vapeur d‟eau (en Pa) et pvs(T) la pression de vapeur saturante de l‟eau dans l‟air (en Pa) à la température T. La pression de vapeur saturante de l‟eau dans l‟air est d‟environ 31,7mbar à 25°C.
L‟humidité absolue HA (kg.m-3) peut être déterminée en fonction de l‟humidité relative, à une température T à partir de l‟équation suivante :
(3.19) Une variation linéaire négative de la fréquence de résonance est observée au-dessus de 20% d‟humidité relative (Figure 3.32).
Figure 3.31 Evolution en fonction du temps de la fréquence de résonance 31-longitudinale pour différents taux d’humidité (envoi pendant 60 min des différentes valeurs
134
Figure 3.32 Décalage en fréquence en fonction du taux d’humidité relative (premier mode 31-longitudinal (L=8mm / w=2mm / t=95µm)
Une forte sensibilité à l‟humidité relative de l‟ordre de -1,87Hz/%HR est obtenue pour cette poutre non fonctionnalisée. Compte tenu des décalages fréquentiels observés, il est évident que les effets inertiels et visqueux de la vapeur d‟eau ne sont pas suffisants pour expliquer ces décalages fréquentiels. En effet, le calcul pour le passage d‟une atmosphère d‟azote à une atmosphère contenant uniquement de la vapeur d‟eau indique un décalage fréquentiel de 0,18Hz. Nous pouvons en déduire que la réponse de la poutre est liée à un effet de masse, les couches poreuses d‟or et/ou de PZT ayant la capacité de sorber la vapeur d‟eau.
3.6.2 Détection d’éthanol
L‟éthanol est un interférent souvent utilisé comme solvant dans divers applications industrielles. Nous avons alors étudié son influence sur la fréquence de résonance de la micropoutre PZT sans couche. De bonnes sensibilités à l‟éthanol (S=12,5Hz/% et Srel=0,017), avec une bonne reproductibilité sont observées comme le montre les figures 3.33 et 3.34. Cependant, les décalages en fréquence positifs obtenus ne peuvent être attribués à un effet de masse comme pour la vapeur d‟eau. La cinétique de réponse du capteur apparait asymétrique avec un temps de désorption plus long que celui de la sorption, phénomène très accentué pour de fortes concentrations d‟éthanol.
Il semblerait que le premier passage sous éthanol fasse office de « prétraitement » quelle que soit la concentration, le décalage en fréquence étant ensuite plus faible et reproductible en présence des mêmes concentrations d‟éthanol. Les travaux réalisés avec les poutres en silicium évoquées précédemment et fonctionnalisées avec des couches sensibles à l‟éthanol (18µm PEUT) montrent des sensibilités relatives Srel=0,047 [19] plus élevées que celles obtenues avec nos poutres sans couche sensible. Les résultats restent cependant
135
intéressants, bien qu‟à ce jour, aucune explication n‟ait été trouvée. La théorie indique qu‟un effet de changement de viscosité et/ou densité du milieu environnant ou un effet de masse induit des décalages en fréquence de sens opposé. Des décalages fréquentiels positifs avaient déjà été observés au cours de travaux réalisés par Thundat et al. [22] pour des micropoutres « en V » recouvertes d‟or. Il avait, alors, été démontré que la bonne mouillabilité de l‟or par la vapeur de mercure, provoquant une variation significative de la constante de raideur, était responsable de ces variations positives de la fréquence de résonance.
Pour essayer de mieux comprendre ce résultat, nous avons testé la poutre sous hydrogène, gaz ayant déjà été testé avec des poutres silicium sans couche sensible [18].
Figure 3.33 Décalage de la fréquence de résonance du 1er mode 31-longitudinal en
fonction de la concentration d’éthanol (passage de 8ppm à x% toutes les 54min et vice-versa) - L=8mm / w=2mm / t=95µm
136
3.6.3 Détection d’hydrogène
Les courbes de détection obtenues pour deux concentrations 4,7% et 2,35% d‟H2 envoyées à intervalles réguliers sont données figure 3.35. Les résultats montrent une similitude avec ceux obtenus sous éthanol à savoir un effet de « prétraitement » de la poutre suite aux envois successifs, quelle que soit la concentration d‟hydrogène.
Pour comprendre dans un premier temps le décalage en fréquence positif, ne pouvant être attribué à un effet de masse, nous avons calculé le décalage en fréquence induit par le changement de fluide autour de la poutre, c'est-à-dire le remplacement de l‟azote pur par l‟hydrogène pur. Le décalage en fréquence positif calculé est beaucoup plus faible 0,30Hz que celui observé pour 2,35 ou 4,7% d‟hydrogène.
Une autre explication serait apportée par la porosité de la poutre au sein de laquelle l‟azote serait « remplacé» par l‟hydrogène plus léger que l‟azote. La poutre, plus légère, vibre alors à plus haute fréquence. Le fait que les résultats soient quasiment indépendants de la concentration pour les concentrations testées pourrait s‟expliquer, dans les deux cas, par le remplissage d‟H2 de la totalité des pores.
Figure 3.35 Evolution de la fréquence de résonance 31-longitudinale en fonction du temps (passage de 0% à 4,7 ou 2,35% d’hydrogène toutes les 30min et vice-versa) – poutre de
dimensions : L=8mm / w=2mm / t=95µm
3.6.4 Récapitulatif tests sans couche
Les sensibilités des micropoutres aux différents gaz sont récapitulées dans le tableau 3.7. Les sensibilités relatives, pour l‟humidité, ont été calculées à partir de la sensibilité par
137
pourcentage d‟humidité relative (-1,87Hz/%HR) et de l‟expression (3.19). De plus, les sensibilités ont également été ramenées à des (kg/m-3)-1 afin de pouvoir comparer les effets des différents analytes. Il apparait que pour une même masse d‟analyte sorbée, un shift beaucoup plus important est attendu pour le toluène avec couche sensible ainsi que pour l‟eau sans couche sensible. Les tests sans couche montrent donc que la poutre est très sensible à l‟humidité, valeur cependant deux fois plus faible à celle obtenue avec couche sensible et sous toluène. Ces résultats sans couche peuvent être attribués à la porosité des couches sérigraphiées (PZT et Au) dans laquelle le gaz se sorbe, provoquant ainsi soit un effet de masse et un changement de rigidité de la poutre.
TABLEAU 3.7 COMPARAISON DES SENSIBILITES DES POUTRES AVEC ET SANS COUCHE PEUT SOUS DIFFERENTS GAZ
Sans couche Avec couche
Humidité Ethanol Hydrogène Toluène Toluène
Gamme de concentrations étudiée 10-90% 0,5%-8% 2,35-4,7% 8-1063ppm 8-1063ppm Signe décalage en fréquence - + + + - Srelatif 0,081 0,017 0,011 0,030 0,74 Srelatif (kg/m3)-1 0,11 0,0091 0,030 0,0080 0,20