Autres familles de capteurs

Après un rappel exhaustif sur les capteurs à base d’oxyde métalliques, nous allons citer d’autres familles de capteurs, qui sont rencontrées dans la mise en œuvre des nez électroniques.

; Capteurs à base de nanotubes de carbone (CNT)

Ce n’est qu’en 1991, que les nanotubes de carbone, mis en évidence dès 1952 par des scientifiques russes, ont été remis sur le devant de la scène scientifique par Iijima au «NEC Foundamental Research Laboratory» au Japon [56]. Suite à cette redécouverte, la communauté scientifique s’est largement penchée sur les propriétés uniques et remarquables de ces structures. En effet, un nanotube de carbone est un arrangement cylindrique d’atomes de carbone, disposés dans une structure planaire hexagonale, présentant des rapports de forme pouvant dépasser les 1/1000. Aujourd’hui, on distingue deux sortes de nanotubes: les nanotubes monoparois et multiparois (Figure I.12). Les nanotubes monoparois (Single Walled Carbon Nanotube ou SWCNT) sont constitués d’une seule paroi graphitique, alors que les nanotubes multiparois (Multi Walled Carbon Nanotubes ou MWCNT) sont constitués de plusieurs parois graphitiques. Le caractère immédiatement frappant de ces objets, qui est à l’origine de leur appellation, est leur dimension: leur longueur peut atteindre plusieurs microns alors que leur diamètre est de l’ordre du nanomètre. La deuxième caractéristique des nanotubes est la nouvelle structure du carbone comparativement à celles déjà bien connues dans le graphite et le diamant. La modélisation des bandes d’énergies d’un nanotube de carbone a montré que sa conductivité électrique dépend de son hélicité, donc de ses indices de chiralité, et que tous les CNTs possèdent une bande interdite, donc un comportement semi-conducteur. Néanmoins, il existe un cas particulier pour lequel un nanotube de carbone peut

présenter un comportement métallique. Les dimensions nanométriques des CNTs leur confèrent une conduction d’électricité de type particulière, dite balistique [57,58]. Si la résistance intrinsèque d’un nanotube isolé est quasi nulle, sa résistance totale dépend d’autres types de résistances à savoir: la résistance quantique [59] et la résistance de contact à l’interface métal/nanotube [60]. En plus de leur transport balistique du courant, les CNTs peuvent supporter une forte densité de courant [61]. La résistance des capteurs à base de CNTs dépendent directement du caractère oxydo-réducteur des molécules de gaz à étudier. Ces avantages ont fait des capteurs à base de CNTs les plus utilisés dans les différentes applications des nez électroniques.

Figure I.12: Nanotubes de carbones monoparois (SWCNT) et multiparois (MWCNT).

; Capteurs à base de polymères conducteurs

Ce sont des semi-conducteurs organiques formés par oxydation anodique d’un monomère dans une solution électrolytique. La polymérisation électrochimique conduit à la formation d’un radical cationique qui va initier le début de croissance d’un film de polymère jusqu’à aboutir à la forme oxydée, conductrice souhaitée, à savoir, des chaînes de monomères polycationiques équilibrées par des anions provenant de la solution d’électrolyte [62]. Le capteur en lui-même se présente sous la forme d’un fin dépôt du polymère entre deux électrodes en or, le tout sur un substrat de type silice ou alumine. Les polymères les plus utilisés sont en premier lieu des dérivés du polypyrrole, de la polyaniline et du polythiophène. L’avantage principal des polymères conducteurs sur les autres types de capteurs est la rapidité de la cinétique d’adsorption et de désorption à température ambiante qui permet d’obtenir une réponse à un stimulus et un retour rapide à la ligne de base [63]. Leur principal désavantage est leur grande affinité pour la vapeur d’eau, dont la moindre variation produit des interférences notables sur le signal obtenu. L'exposition des capteurs à la lumière provoque une augmentation de la résistance [64]. Le principe de fonctionnement de ces capteurs est basé sur la variation de la conductivité du polymère induite par l'adsorption de composés gazeux à sa surface qui vient modifier le déplacement des électrons le long des chaînes [65]. Malgré sa forte conductivité, le polymère conducteur n’est pas un bon candidat pour concurrencer les oxydes métalliques. Les caractéristiques chimiques qui lui ont donné sa conductivité électrique sont malheureusement responsables de son instabilité à l’oxygène de l’air.

; Microbalances à Cristal de Quartz:

Ces capteurs sont basés sur l’effet piézoélectrique. Quand les molécules sont absorbées sur la couche polymérique déposée à la surface du cristal de quartz, la fréquence des oscillations change en fonction de la quantité de masse absorbée et, en conséquence, le changement en cours est mesuré. En effet, quand une tension alternative est appliquée aux électrodes, le réseau cristallin subit un déplacement qui produit une onde élastique de volume se propageant d'une face à l'autre du cristal. La vitesse de l'onde, et par voie de conséquence sa fréquence d'oscillation, est sensible aux changements de la masse ou de la densité du milieu en contact avec la surface du cristal (Figure I.13). Lorsque les molécules d’un gaz sont absorbées à la surface du polymère, il y a une augmentation de la masse du disque, ce qui diminue sa fréquence de résonance [66]. La principale difficulté réside dans le choix du matériau absorbant utilisé. Du coup, ce dernier va déterminer la dépendance à l’humidité du capteur, mais aussi à sa sélectivité et sa stabilité dans le temps [67]. Des films de polymères conducteurs de type polypyrrole et ses dérivés ont été utilisés pour recouvrir des capteurs microbalances à cristal de quartz (coupe AT fonctionnant à 9MHz) et appliqués à la discrimination de trois alcools et d'un aldéhyde, insaturés [68].

Figure I.13: Capteur microbalance à quartz. ; Capteurs de type MOSFET

Les MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) sont basés sur des transistors à effet de champ. Le principe consiste à intégrer sur la grille du FET une membrane sensible à l'espèce à détecter (Figure I.14). 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 [67]. Depuis de nombreuses années, plusieurs dispositifs ont été développés, tous basés sur le même principe, 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 que certains Composés Organiques Volatils (COV), mais aussi NH et H S. Afin d'améliorer les

temps de réponse, nous préconisons un fonctionnement à température élevée (entre 100 et 1000 °C) ce qui justifie la présence d'un circuit de chauffage en périphérie du FET.

Leur principal inconvénient vient du fait que la réaction catalysée produite doit pouvoir traverser de manière répétitive la couche du métal poreux pour modifier le nombre de porteurs dans le canal [69].

Figure I.14: Capteur de type MOSFET.

Le lecteur intéressé trouvera une description détaillée sur les capteurs de gaz exploités dans les différentes applications de nez électroniques dans les références [70,71].

III.3. Langues électroniques