Sous couche de liant permanent

Une deuxième solution pour améliorer la tenue mécanique de la couche sur le substrat sans mélanger le verre à l’élément sensible est la réalisation d’une sous-couche de liant permanent entre le substrat et la couche sensible.

Pour cette étude, nous avons préparé deux encres à partir de l’émail et la fritte avec 30% de liant organique. Les sous-couches ont été ensuite sérigraphiées sur des substrats d’alumine équipés de deux électrodes d’or. Après un séchage de 20min à 100°C, les couches sensibles ont été déposées par dessus suivant la procédure "standard" qui est composée de deux dépôts suivis d’un séchage à 100°C pendant 10min (Figure C.86).Le système complet est recuit à 700°C pendant 12 heures.

Figure C.86 : Schéma du système avec une sous-couche de verre

L’ensemble des valeurs de conductance sous air et sous CO est reporté dans le Tableau C.21. et les mesures de conductance en programmation de température sont présentées dans la Figure C.87. O p e r a t i o n s : I m p o r t p a s s n o 2 c 1 7 0 0 - F i l e : p a s s n c 1 7 . R A W- T y p e : 2 T h / T h l o c k e d - S t a r t : 2 0 . 0 0 0 ° - E n d : 4 5 . 0 0 0 ° - S t e p : 0 . 0 2 0 ° - S t e p t i m e : 5 . s - T e m p . : 2 5 ° C ( R o o m ) - T i m O p e r a t i o n s : I m p o r t p a s t i l l e s n o 2 d e r é f é r e n c e - F i l e : p a s t i s n o 2 5 0 0 . R A W- T y p e : 2 T h / T h l o c k e d - S t a r t : 2 0 . 0 0 0 ° - E n d : 4 5 . 0 0 0 ° - S t e p : 0 . 0 2 0 ° - S t e p t i m e : 5 . s - T e m p . : 2 5 ° C ( Lin ( Counts) 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 2 - T h e t a - S c a l e 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 1 3 2 3 3 3 4

Pastille de SnO2 sans verre

Pastille de SnO2 recuite avec le verre C1

Couche épaisse SnO 2 Électrodes d’or Substrat d ’alumine Couche de verre Zone de décollement

Tableau C.27 : Conductances et réponse à CO (300ppm) mesurées à 500°C des couches constituées de l’élément sensible seul et des éléments sensibles sur une sous-couche de liant permanent.

Les résultats obtenus en isotherme à partir des couches déposées sur une sous-couche d’émail nous montrent une diminution des valeurs de conductance de l’ordre de 140% sous air, mais également de la réponse sous gaz. Celle-ci passe de 9.4 à 3.4. Les conductances électriques

des couches sensibles déposées sur de la fritte sont inférieures à 10-7 Ω-1 ce qui rend le

système inexploitable.

L’allures des courbes en programmation de température (Figure C.87) est identique pour les

couches SnO2 seul ou SnO2 avec de l’émail sur l’ensemble de la gamme de température

(250°C à 500°C).

Figure C.87 : Variations de la conductance sous CO d’un élément sensible seul et d’un élément sensible avec une sous-couche d’émail en fonction de la température de mesure

Les tests d’accrochage ont montré que le principe de sous couches de liant permanent améliore de beaucoup la qualité de tenue mécanique des couches mais, malheureusement un décollement des couches épaisses au niveau des électrodes a été observé c’est à dire à un endroit où la sous couche de liant permanent est absente (Figure C.86). Une solution possible aurait été de réaliser une sous-couche de verre sous la totalité de la couche sensible afin de n’avoir aucune zone sans verre et de déposer les électrodes d’or sur l’élément sensible. Cependant, cette étude a été menée dans l’objectif de développer des capteurs sur support microélectronique qui eux sont déjà munis d’électrodes intégrées à l’ensemble des systèmes d’acquisition et de chauffage. Par conséquence, cette solution n’est pas envisageable.

Air CO réponse

SnO2 seul 2.40E-06 2.50E-05 9.42

Sous couche émail + couche SnO2 9.28E-07 4.07E-06 3.39

Sous couche fritte+ couche SnO2 1.55E-08 2.30E-08 0.48

0,0E+00 5,0E-06 1,0E-05 1,5E-05 2,0E-05 2,5E-05 0 100 200 300 400 500 Température (°C) Conductance (ohm -1

) Couche SnO2 seul

La conclusion sur ces essais avec une sous-couche de verre est que la mise en contact directe

sur une petite surface d’environ 4 mm2 de l’élément sensible et de la couche entraîne

d’importantes modifications au niveau des valeurs de conductances et des performances des couches sensibles.

Ces résultats confirment bien les hypothèses émises lors de l’étude des mélanges de poudre

SnO2 avec le verre, à savoir qu’au cours du traitement thermique des interactions entre le

SnO2 et certains éléments chimiques composant le verre modifient les propriétés électriques

du matériau sensible. En effet, dans le cas du système avec une sous-couche, les phénomènes de percolation sont mis hors de cause pour expliquer la perte de conductivité.

C.4.3 Conclusion

La première partie de l’étude sur les phénomènes de percolation entre la phase conductrice (SnO2) et la phase isolante (verre) a permis de montrer qu’il est préférable de choisir un liant permanent de granulométrie supérieure à celle de l’élément actif et de minimiser la quantité de liant permanent pour garder de bonnes valeurs de conductances sous air.

Dans la seconde partie, nous avons étudié l’influence de la température de transition vitreuse et de la nature des verres sur les propriétés électriques et la tenue mécanique des couches épaisses déposées sur des substrats d’alumine et recuites entre 500°C et 700°C pendant 12 heures. Cette étude nous a permis de conclure que l’ajout d’un verre dans l’encre améliore bien la tenue mécanique des couches, quelle que soit la température de transition, et que les évolutions des conductances électriques sont liées aux températures de traitement thermique : plus la température de transition vitreuse est inférieure à celle du recuit et plus la diminution

des conductances est importante ce qui s’explique par un enrobage des particules SnO2 par le

verre si celui-ci passe à l’état fondu. Cependant, il faut aussi considérer la réactivité chimique du verre. Par exemple, avec la fritte de verre qui a une température de transition vitreuse de 700°C, on a une perte totale de conductance même si le recuit est effectué à une température inférieure.

En conclusion, les critères pour l’ajout d’un liant permanent sont : Ø Une granularité supérieure à celle de l’élément actif,

Ø Une température de transition vitreuse proche de celle du recuit, Ø L’absence de réactivité chimique avec l’élément actif,

Ø Une quantité ajustée (typiquement entre 2 et 10% en volume) pour réaliser un compromis entre performances électriques et mécaniques.