Mesure sous gaz d’un démonstrateur à base du film BSTF(10)

Pour cette partie nous allons présenter les mesures sous gaz (H₂S , SO₂, CO) à 450^◦C, d’un démonstrateur à base d’un film BSTF(10) : 40µm d’épaisseur recuit à 1100^◦C, 2h.

4.5.2.1 GazH2S (50ppm)

Sur les figures 4.12 et 4.13, nous avons reporté la réponse du démonstra-teur en fonction du temps sous 50 ppm de gaz H₂S. La figure 4.12 montre la

saturation de la réponse du capteur pour une injection de gaz H₂S pendant 20

min. Les différentes caractéristiques déduites de cette courbe sont : la sensibilité relative (S_r), le temps de réponse (t_90%) et de recouvrement (tr_90%) ainsi que la réversibilité. La mesure de ces paramètres nous permet de déterminer la performance de la couche sensible BSTF. Ces valeurs seront regroupées dans le tableau 4.2. À partir de la courbe de réponse du capteur (Figure 4.12), nous pouvons constater que le capteur montre une bonne performance en termes de

S_r= 55.4%, t_90%= 5 minutes et tr_90%= 8 minutes.

Par contre, la réponse du capteur tend à ne pas retourner à sa valeur initiale sous air. Il est possible que l’interaction gaz-solide conduise à une réaction chimique irréversible. Ce phénomène a été beaucoup observé dans la littérature sur des films minces et épais de BST [36][26]. Néanmoins il est à souligner que l’écart départ-retour en air reste assez faible.

1 6 : 3 9 : 2 9 1 6 : 4 6 : 2 3 1 6 : 5 3 : 0 2 1 6 : 5 9 : 4 4 1 7 : 0 6 : 2 0 1 7 : 1 2 : 4 1 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 Temps (hh:mm:ss) R ép on se d u ca pt eu r T=450°C

H

S(50ppm)

Air

Figure4.12 – Réponse du capteur à base du film BSTF(10%) sous H₂S (50ppm)

1 2 : 5 6 : 3 2 1 3 : 0 6 : 5 8 1 3 : 1 7 : 0 9 1 3 : 2 7 : 2 0 1 3 : 3 7 : 0 1 1 3 : 4 6 : 2 7 1 3 : 5 7 : 1 3 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0

Air

Figure4.13 – Réponse du capteur à base du film BSTF(10%) sous H₂S (50ppm)

à 450^◦C

Afin d’étudier la répétabilité de réponse du démonstrateur à un gaz donné pour une condition fixe, nous avons réalisé plusieurs cycles de mesures sous le même gaz pour la même concentration 50 ppm. La réponse du démonstrateur en fonction du temps, est illustrée par la figure 4.13. Les courbes présentent la même variation relative, malgré le problème de retour de la réponse à la valeur initiale. Il est à noter que le tuyau est déconnecté de la bouteille de gaz pendant la mesure, ce qui entraine un changement de l’allure de courbe au 4ème cycle. Nous pouvons néanmoins souligner que la reproductibilité (répétabilité) est bonne sous H₂S à 450^◦C.

4.5.2.2 GazSO₂ (20ppm)

Comme pour le H₂S, la réponse de notre démonstrateur a été mesurée en

fonction du temps sous 20 ppm de gaz de dioxyde de soufre SO₂. Nous avons trouvé que le maximum de sensibilité relative est atteint pour une injection de gaz pendant 15 min. À partir de l’observation des courbes (non données car similaires à celles obtenues sous H₂S) de la réponse du capteur, nous pouvons

dire que :

— le capteur montre une bonne performance en termes de S_r= 30.4%, t_90%= 6 minutes et tr_90%= 4 minutes.

— la résistance de la couche épaisse augmente rapidement lors de la réaction entre le gaz et le film BSTF ;

— la diminution de la résistance lors du retour sous air est en revanche beaucoup plus rapide ;

— la variation de la réponse du capteur pour plusieurs cycles sous SO₂a été la même.

Nous avons remarqué aussi que la réponse du capteur montre le même sens de variation de résistance ; la résistance augmente lorsque on injecte le gaz. Les courbes de réponse en fonction du temps présentent les même tendances quel que soit le gaz.

4.5.2.3 GazCO (200ppm)

Nous avons étudié, la réponse du démonstrateur en fonction du temps sous 200 ppm de CO. La réponse du capteur a montré le même sens de variation de résistance comme les autres gaz testés (H2S et SO2) ; la résistance augmente lorsqu’on injecte le gaz. À partir de l’observation de courbe de la réponse du capteur, nous pouvons dire que :

— le capteur montre une bonne performance en termes de S_r= 27.4%, t_90%= 3 minutes et tr_90%= 57 secondes.

— le capteur a présenté moins de sensibilité par rapport aux autres gaz étudiés (H₂S et SO₂) ;

— le capteur a montré un temps de réponse et de recouvrement plus rapide qu’avec les autres gaz étudiés (H₂S et SO₂).

4.5.2.4 Synthèse sur le BSTF(10%)

Le tableau 4.2 liste les valeurs de la sensibilité relative ainsi que les temps de réponse et de recouvrement pour le démonstrateur à base de film BSTF(10) sous

H₂S, SO₂ et CO à 450^◦C. Le démonstrateur a été testé sous H₂S (100 ppm) et

Tableau4.2 – Sensibilité relative (S_r), temps de réponse (t_90%) et de recouvre-ment tr_90%pour BSTF(10%) 450^◦C

On remarque que le démonstrateur montre plus de sensibilité relative sous

H₂S par rapport au SO₂ et au CO. Les temps de réponses en fonction de H₂S

et SO₂ sont légèrement différents, tandis que sous CO t90% est le plus rapide. Nous notons que le temps de recouvrement sous CO est beaucoup plus rapide que ceux obtenus sous H₂S et SO₂. Comme nous le verrons par la suite, toute ces différences sont liées à la réaction chimique entre le gaz étudié et le matériau ainsi qu’entre le gaz et les molécules adsorbées à la surface de la couche sensible. Il est à noter que nous n’avons pas remarqué de variation de température de l’élément chauffant en présence du gaz. En effet la consommation de puissance de l’élément chauffant étant restée constante avant et après injection du gaz, cela confirme bien que la température est restée stable. De plus, l’influence de l’humidité sur le fonctionnement du démonstrateur sera étudiée dans la partie suivante. On peut également remarquer que le capteur BSTF(10) est plus sensible sous H₂S (50 ppm et 100 ppm). Par exemple, pour H₂S (50 ppm), le capteur est

plus sensible à 450^◦C (18% à 400^◦C ; 55% à 450^◦C). Son temps de réponse est également plus court lorsqu’on augmente la température de fonctionnement à 450^◦C.

4.5.3 Mesure sous gaz d’un démonstrateur à base du film BSTF(2)