Influence de la couche sensible sur la structure de base

R´eponse fr´equentielle

Sur la figure 4.24, nous pr´esentons la r´eponse fr´equentielle du dispositif de quartz coupe ST,

direction de propagation 90˚, avec une longueur d’onde de 24 µm, recouvert d’une couche de

ZnO de 2,1 µm avec et sans film de polyaniline de 265 nm. Tout d’abord nous constatons pour

Fig. 4.24: R´eponse fr´equentielle `a spectre large de la structure ZnO/IdTs/Quartz

ST-90˚ avec et sans PANi

la r´eponse fr´equentielle sans PANi que les vitesses exp´erimentales correspondent aux vitesses

th´eoriques (figure 4.24). Nous avons 3250 m/s (V

R

th

= 3335 m/s) pour l’onde de Rayleigh et

3826 m/s (V

_th^L

= 3926 m/s) pour l’onde de Love. Nous remarquons ´egalement que la pr´esence

de PANi perturbe peu la r´eponse fr´equentielle. En effet, les att´enuations sont les mˆemes, il n’y

a gu`ere que les fr´equences, et par cons´equent, les vitesses qui sont l´eg`erement inf´erieures avec le

film de PANi, ceci `a cause de l’effet de masse engendr´e par ce dernier. Cette perturbation reste

cependant tout `a fait acceptable. Qu’en est-il maintenant du coefficient de stabilit´e de la fr´equence

en fonction de la temp´erature ?

Coefficient de stabilit´e de la fr´equence en fonction de la temp´erature

Nous voyons sur la figure 4.25, la variation relative de fr´equence en fonction de la temp´erature

sur une gamme de 20 `a 80˚C, pour la structure avec et sans polyaniline. Nous remarquons que la

pr´esence du polym`ere ne modifie pas ´enorm´ement la valeur duT CF. Nous pouvons mˆeme dire que

dans la gamme d’utilisation classique entre 20˚ C et 35˚ C, le T CF est am´elior´e car plus proche

de la valeur nulle.

Au vu de tous ces r´esultats, nous pouvons dire que la couche sensible polym`ere choisie perturbe

tr`es peu les caract´eristiques de la structure de base du capteur. Nous pr´esentons sur la figure 4.26,

un sch´ema r´ecapitulatif de la structure compl`ete destin´ee aux tests sous gaz.

98 4.6 Conclusion

Fig. 4.25: Variation relative de fr´equence en fonction de la temp´erature sur une gamme de

20 `a 80˚ C, pour la structure ZnO/IdTs/Quartz ST-90˚ avec et sans PANi

Fig. 4.26: Sch´ema de la structure `a onde de Love destin´ee aux tests sous gaz

4.6 Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons d´efini les ´el´ements th´eoriques sur lesquels se basent les simulations

num´eriques. Ces simulations nous ont permis de pr´evoir l’existence et le comportement des ondes

´

elastiques dans la structure ZnO/Quartz ST pour deux directions de propagation : 35˚ et 90˚.

En ce qui concerne la structure ZnO/Quartz ST avec une direction de propagation de 35˚, nous

avons montr´e que le changement de cible et de mode de d´epˆot lors de la pulv´erisation de la couche

de ZnO n’a pas modifi´e les caract´eristiques de propagation des ondes. Pour cela, nous avons

compar´e les r´eponses fr´equentielles de deux dispositifs aux caract´eristiques identiques mais avec,

pour l’un une couche de ZnO d´epos´ee en mode DC `a partir d’une cible de zinc et pour l’autre, une

couche de ZnO d´epos´ee en mode RF `a partir d’une cible d’oxyde de zinc. Les r´eponses fr´equentielles

sont semblables. Nous avons ensuite v´erifi´e que la courbe exp´erimentale de dispersion de la vitesse

des deux types d’ondes pr´esentes dans la structure en fonction de l’´epaisseur normalis´ee de ZnO

concordait bien avec la courbe th´eorique obtenue par simulation. Nous avons de ce fait, identifi´e

une onde de Rayleigh et une onde transverse que l’on a nomm´ee ”pseudo onde de Love” avec

le terme ”onde de Love” pour qualifier son caract`ere d’onde transverse guid´ee et ”pseudo” pour

pr´eciser qu’il ne s’agit pas d’une onde de Love pure issue d’une onde transverse guid´ee mais plutˆot

d’une onde pseudo SAW `a forte composante transverse.

Caract´erisation de la structure ZnO/Quartz, base du capteur 99

C’est d’ailleurs pour cette raison que nous avons d´ecid´e de travailler avec une structure offrant

une onde de Love pure. C’est ainsi que nous avons opt´e pour une structure offrant les mˆemes

potentialit´es de compensation de la temp´erature avec le quartz coupe ST recouvert de ZnO comme

couche guidante mais avec une direction de propagation de 90˚.

En ce qui concerne la structure ZnO/Quartz ST avec une direction de propagation de 90˚,

nous avons explicit´e et pr´esent´e les r´esultats des dispositifs r´ealis´es afin de v´erifier les pr´evisions

th´eoriques, ceci notamment en relevant plusieurs r´eponses fr´equentielles nous permettant de tracer

la courbe exp´erimentale de dispersion de la vitesse des ondes de Rayleigh et de Love en fonction

de l’´epaisseur normalis´ee de ZnO. Nous avons d´etermin´e les domaines de pr´edominance de l’un

ou l’autre type d’onde en fonction de l’´epaisseur normalis´ee de ZnO pour chacune des deux

confi-gurations possibles en ce qui concerne l’emplacement des transducteurs interdigit´es. Pour cela,

nous nous sommes bas´es sur les pr´evisions th´eoriques de l’´evolution du coefficient de couplage

´

electrom´ecanique en fonction de l’´epaisseur normalis´ee de ZnO.

Nous avons ´egalement montr´e la possibilit´e d’obtenir, en jouant sur l’´epaisseur des couches de

ZnO, des dispositifs peu sensibles `a la temp´erature, l’un des param`etres ext´erieurs le plus

pertur-bant dans le domaine des capteurs de gaz.

Pour finir, nous avons d´etermin´e la valeur d’´epaisseur normalis´ee offrant la sensibilit´e `a l’effet de

masse maximale. Les deux valeurs de kh

ZnO

n’´etant pas les mˆemes pour les deux ph´enom`enes

pr´ecit´es (temp´erature et effet de masse), nous avons fix´e une valeur dekh

_ZnO

permettant d’obtenir

un compromis entre une faible sensibilit´e `a la temp´erature et une forte sensibilit´e `a l’effet de masse.

Toutes ces consid´erations nous ont permis de nous fixer quant au choix d’une configuration

des IdTs afin de poursuivre l’´etude avec la structure la mieux adapt´ee aux applications capteurs

de gaz. C’est ainsi que nous avons choisi la structure ZnO/IdTs/Quartz ST-90˚.

Ensuite nous avons abord´e la couche sensible et les raisons qui nous ont pouss´e `a choisir la

po-lyaniline d´epos´ee par plasma RF puls´e par le Laboratoire Polym`eres-Collo¨ıdes-Interfaces. Les films

de PANi sont de l’ordre de 265nm et nous avons v´erifi´e qu’ils n’affectaient pas consid´erablement

les propri´et´es de propagation et de sensibilit´e `a la temp´erature de la structure de base.

Nous avons ainsi ´etabli les caract´eristiques d’une structure PANi/ZnO/IdTs/Quartz ST-90˚ pour

l’utiliser en tant que capteur dans les tests de gaz pr´esent´es dans le chapitre suivant.

Chapitre 5

Application de la structure

ZnO/Quartz ST aux tests sous gaz

5.1 Introduction

Nous avons vu au fil des chapitres pr´ec´edents l’´elaboration, la r´ealisation et la caract´erisation

de deux structures destin´ees `a une application en tant que capteur de gaz. Pour r´ealiser ces

structures bicouches constitu´ees d’un substrat de quartz coupe ST et d’une couche de ZnO, nous

avons tout d’abord mis au point les param`etres de d´epˆot du ZnO par pulv´erisation cathodique

RF magn´etron. Nous les avons ensuite caract´eris´ees en terme de propagation des ondes via leurs

r´eponses fr´equentielles. En ce qui concerne la structure ZnO/Quartz ST-35˚, ceci nous a

essentiel-lement permis de v´erifier la conservation des propri´et´es de propagation des ondes du ZnO suite au

changement de mode de d´epˆot. La structure ZnO/Quartz ST-90˚ a fait l’objet d’une ´etude plus

approfondie avec notamment une ´evaluation et une r´eduction de sa sensibilit´e `a la temp´erature

et une am´elioration du coefficient de couplage ´electrom´ecanique K

²

. Nous lui avons ´egalement

ajout´e une couche sensible de polyaniline (PANi) afin de proc´eder `a des tests sous gaz. Ce sont

les r´esultats obtenus au cours de ces tests que nous pr´esentons dans ce chapitre.

Dans un premier temps, nous d´ecrivons les diff´erents montages exp´erimentaux utilis´es au cours

de l’´etude. Ensuite, nous poursuivons avec la structure ZnO/Quartz ST-35˚ dont les tests nous

ont permis de confirmer quelques r´esultats importants et d’orienter le choix de la structure et du

type d’onde `a utiliser pour l’application capteur de gaz. C’est ainsi que nous avons abouti `a la

structure ZnO/Quartz ST-90˚dont nous pr´esentons, dans la derni`ere partie, les r´esultats des tests

sous gaz avec et sans PANi.

Dans le document Réalisation et caractérisation d'un capteur de gaz à ondes de Love à base de la structure Polyaniline/ZnO/Quartz (Page 111-115)