Généralités concernant les capteurs de gaz 1 Principe de base

Un capteur est le premier élément constitutif d’un système d’acquisition de données (Figure II - 1). Une chaîne de mesure est constituée d’une partie « capteur » permettant l’analyse de l’échantillon par interaction avec une surface sensible qui est traduite en information électrique par le transducteur ainsi que d’une partie « intelligente » afin de traiter et analyser le signal. Le prétraitement du signal permet notamment de l’amplifier et de le mettre en forme avant transmission (conversion numérique, filtrage, …). Cette partie est généralement intégrée à l’instrument et est réalisée à l’aide d’un microprocesseur.

Figure II - 1 : Schématisation d’un système d’acquisition de mesure (Menini, 2011 d'après Göpel, 1994).

Un capteur est un appareil basé sur un phénomène physique, chimique ou biologique permettant de transformer une grandeur caractéristique à mesurer (concentration, température, pression…), appelée le mesurande m, en un signal électrique mesurable S. On désigne cette transformation par le terme transduction. A la différence d’un instrument de mesure qui est un appareil autonome disposant notamment d’un affichage et d’un système de stockage de données, un capteur n’est qu’une simple interface entre un processus et un signal électrique. Cette grandeur électrique ne dépend pas seulement du mesurande, mais peut aussi être fonction de grandeurs d’influences θ (humidité, température …), elle est définie par la relation :

= ( ,θ

Du point de vue électrique, les capteurs se distinguent en deux familles : les capteurs actifs et les capteurs passifs. Un capteur actif délivre lui-même un signal et fonctionne comme un générateur d’énergie électrique. Il assure la conversion de la grandeur physique à mesurer en énergie électrique. Cette énergie électrique est soit une charge q, un courant i, qui peuvent être convertis en tension, ou directement une tension u. Le fonctionnement de ces capteurs actifs repose sur 5 principes physiques de transduction différents, tous réversibles :

- l’effet thermoélectrique : la différence de température entre deux matériaux conducteurs différents crée une différence du potentiel entre les métaux et entraîne la production d’électricité

- l’effet photoélectrique : l’influence d’une onde électromagnétique (rayonnement lumineux) entraîne la libération de charges électriques d’un matériau

- l’effet Hall : un champ magnétique et un courant électrique créent une différence de potentiel dans le matériau

- l’effet d’induction électromagnétique : la variation du flux d’induction magnétique dans un circuit électrique induit une tension électrique

- l’effet piézoélectrique : sous l’action d’une contrainte mécanique les matériaux piézoélectriques ont la capacité de se déformer et de se polariser électriquement

A l’inverse, dans le cas d’un capteur de type passif, on exploite les variations d’impédance (résistance R, impédance L ou capacité C) dont l’un des paramètres physiques est sensible au mesurande. Ce capteur fonctionne comme un récepteur électrique et nécessite une source d’énergie extérieure afin de délivrer un signal. La variation d’impédance résulte soit de la modification des propriétés géométriques (variation de dimension ou déformation) du matériau, soit de la variation des propriétés physiques intrinsèques du matériau (conductivité σ, permittivité ε ou perméabilité µ).

De manière générale, les capteurs dits « chimiques » permettent de déterminer des mesurandes chimiques (pression partielle, concentration, …), qu’ils soient liquides ou gazeux et combinent généralement la fonction d’identification et de quantification. Plus spécifiquement, un capteur de gaz est un système relativement simple, constitué d’une surface sensible qui va réagir au contact des molécules de l’espèce à mesurer, présentes dans l’air, et d’un système de transduction, aussi bien actif que passif, qui va transformer cette interaction en un signal électrique de sortie. C’est pour cela que les principes de transduction, en termes de capteurs de gaz, sont très variés : optique, massique, thermoélectrique, électrique, électrochimique… (Hulanicki et al., 1991).

De façon générale, les capteurs jouent un rôle essentiel dans les systèmes industriels de pilotage ou de régulation (contrôle des procédés, équipement). Leur domaine d’activité s’étend également aux applications de type grand public ou de domotique. Plus spécifiquement, les capteurs chimiques trouvent leur utilité dans différents domaines (Fabry and Gondran, 2008) : l’environnement (analyse d’effluents, contrôle des émanations de gaz, …), le secteur automobile (contrôle de la combustion, de l’habitacle, …), l’agroalimentaire (contrôle de procédés et de qualité des produits), l’agriculture (analyse des sols et des eaux d’irrigation), le biomédical (diagnostic) et la domotique.

I.2.

Critères de performances des capteurs de gaz

Le choix du type de capteurs à utiliser dépend de l’application envisagée et de l’adéquation des performances du capteur avec cette application. Ces performances sont généralement définies selon trois critères principaux: la sensibilité, la sélectivité et enfin la stabilité, que l’on nomme les « 3S » (Bochenkov and Sergeev, 2010). Néanmoins, de nombreux autres paramètres peuvent également permettre d’établir les critères de performances d’un capteur. Afin de présenter ces principales caractéristiques, nous nous appuierons dans ce paragraphe, sur la Figure II - 2, présentée ci-dessous tirée d’un cas idéal. Cette figure illustre l’évolution typique de la réponse d’un capteur de gaz lorsque celui-ci est successivement exposé à de l’air zéro (air prore) et à différentes concentrations de gaz, faisant varier la réponse du capteur en fonction du temps. De cette évolution, il est possible de déduire les principales caractéristiques du capteur (temps de réponse, sensibilité …) ou encore d’établir la courbe de calibration de la réponse du capteur en fonction de la concentration du gaz étudié.

Figure II - 2 : (a) Evolution de la réponse Ri d’un capteur de gaz en fonction du temps lors de l’exposition successive à de l’air zéro et à différentes concentrations ci de gaz, (b) détermination du temps de réponse et

de recouvrement à 90 % et (c) courbe de calibration de la réponse en fonction de la concentration.

La sensibilité d’un capteur est définie comme le rapport entre la variation de sa réponse (signal de sortie, résistance, conductance, …) lors de l’exposition à un gaz et la variation du mesurande correspondante (concentration de gaz). Un capteur de gaz est d’autant plus sensible qu’une faible variation du mesurande entraîne une importante variation de la réponse du capteur. La sensibilité est définie par la relation suivante :

= ∆ _!

avec Si la sensibilité du capteur au gaz i, R la réponse du capteur lors de l’exposition au gaz et ci la

Dans le cas où la relation entre la variation de la réponse du capteur et la concentration est linéaire (Figure II - 2 (c)), la sensibilité est constante et correspond à la pente de la courbe de calibration. Dans certains cas, il est nécessaire de considérer la « réponse relative » du capteur, dont le principe de calcul peut varier (Gardner and Bartlett, 1994; Scott et al., 2006), plutôt que sa réponse absolue afin de comparer les réponses et sensibilités de capteurs différents. Quelques principes de calcul de la réponse relative sont présentés ci-dessous. En effet pour des capteurs, comme ceux basés sur des oxydes métalliques semi-conducteurs, l’évolution du signal de sortie avec la concentration d’un gaz est fortement non-linéaire. Le signal électrique est également non nul à concentration nulle, la ligne de base du signal pouvant différer d’un capteur à l’autre. De plus, la réponse des capteurs est amenée à varier différemment en présence de certains gaz selon leur nature oxydante ou réductrice. C’est pour ces raisons que la réponse relative est utilisée. Dans ce cas la sensibilité relative du capteur sera exprimée par le rapport entre la réponse relative de capteur et la variation de concentration. Puisque l’évolution du signal n’est pas linéaire, la sensibilité de ce type de capteur n’est pas constante, elle peut alors être définie dans la partie linéaire de la courbe de calibration où la concentration est faible ou pour une concentration donnée.

Calcul différentiel "#= − ou "′# = −

Calcul relatif "& = ou "′& =

Calcul différentiel

relatif "#& =

− _ou

"′#& ₌ −

avec Xi la réponse relative du capteur en présence du gaz i, Ri la réponse du capteur en présence du

gaz i et R0 la réponse du capteur sous air zéro ou air de référence.

La sélectivité d’un capteur correspond à sa faculté à mesurer la variation de concentration d’un gaz cible sans prendre en compte les éventuelles variations associées à d’autres gaz interférents. Elle est généralement définie comme le rapport de sensibilité au gaz cible sur la sensibilité d’un autre gaz pour des concentrations données.

La stabilité caractérise la capacité d’un capteur à fournir une réponse constante dans des conditions fixes. Deux types de manque de stabilité, autrement dit de dérive, du capteur peuvent être observés : la dérive de la réponse absolue du capteur et la dérive de la sensibilité du capteur à un gaz donné. La stabilité est différente selon l’échelle de temps sur laquelle elle est observée. Cette dérive peut provenir de la détérioration du capteur dans le temps ou alors de son exposition à des conditions environnementales excessives (Ihokura and Watson, 1994). La dérive de la grandeur électrique en sortie peut être corrigée par calibrage régulier des capteurs en fonction d’un gaz cible ou sous une atmosphère de référence. Par contre, cette correction ne permet pas de résoudre les problèmes liés à une éventuelle dérive de la sensibilité elle-même.

D’autres caractéristiques permettent également de définir les performances des capteurs de gaz. On peut notamment citer le temps de réponse du capteur, qui caractérise le temps nécessaire au capteur pout qu’il réagisse à un événement particulier (Figure II - 2 (b)), comme l’injection d’un gaz ou un changement de concentration. A l’inverse, le temps de recouvrement correspond au temps nécessaire pour que le capteur retrouve son état d’origine lors du retour aux conditions initiales. Ce dernier permet également de traduire la capacité du capteur à retourner dans son état d’origine (même ligne de base) à la suite d’une exposition à un gaz, appelée réversibilité. Les temps de montée et de descente du signal du capteur, déterminés graphiquement, prennent en compte le temps de réponse et de recouvrement du capteur mais également les caractéristiques de l’environnement dans lequel le capteur évolue (volume de l’enceinte de mesure et débit d’air par exemple). Ces performances doivent donc être estimées en tenant compte des paramètres du système étudié. En pratique, les temps de réponse et de recouvrement sont pondérés d’un facteur 0.9, puisque l’on estime qu’au-delà de 90% le temps de réaction n’évolue plus linéairement.

La résolution correspond à la plus petite variation de mesurande pouvant être différenciée par le capteur. L’étendue de mesure est la plage de valeurs entre le minimum (limite de détection) et le maximum du mesurande pouvant être mesurée. La précision d’un capteur caractérise sa capacité à fournir une mesure exacte, qui coïncide avec la valeur que l’on cherche à mesurer, cette exactitude est une appréciation qualitative des résultats mais peut s’exprimer par l’incertitude de mesure. La reproductibilité des données est également une caractéristique importante à prendre en compte pour la caractérisation de capteurs de gaz, elle traduit la capacité d’un capteur à fournir la même réponse dans des conditions similaires. Il est également possible d’évoquer la reproductibilité technologique lors de la production industrielle : la similitude macroscopique des capteurs est facilement reproductible, alors qu’au niveau microscopique des différences de la couche sensible peuvent induire une diminution de la reproductibilité d’un capteur à l’autre.

Des caractéristiques ne traduisant pas directement les performances de mesure des capteurs peuvent également intervenir lors du choix du dispositif pour une application donnée. On peut par exemple citer la durée de vie du capteur et sa robustesse, la maintenance qu’il peut nécessiter ainsi que sa facilité d’exécution, sa capacité à être miniaturisé et donc à être intégré dans des systèmes autonomes et portables, et surtout son coût.