Mode de Fonctionnement

Le choix de la méthode de synthèse et de la technique de dépôt définit la morphologie du  matériau et ses propriétés de détection. 

Aujourd’hui,  et  ce  depuis  quelques  années,  les  méthodes  « bottum‐up »  sont  les  plus  utilisées  en  recherche  notamment  pour  réaliser  des  matériaux  nanostructurés  (nanoparticules,  nanobâtonnets,  nanofils)  pour  obtenir  des  couches  sensibles  à  forte  surface effective. 

I.2.4 Mode de Fonctionnement 

Comme  nous  l’avons  vu  sur  la  Figure  6,  un  capteur  de  gaz  à  base  de  semiconducteur  est  composé d’une partie mesure et d’une partie commande. La partie « Mesure » concerne les  électrodes  en  contact  avec  la  couche  sensible.  Elles  permettent  la  mesure  des  caractéristiques électriques du matériau (résistance, conductance, impédance, bruit, …).  Pour  la  mesure  de  la  résistance  de  la  couche  sensible  du  capteur,  un  conditionnement  électronique  doit  être  réalisé  pour  pouvoir  exploiter  cette  variation  de  résistance.  Les  circuits  utilisés  doivent  être  capables  de  mesurer  de  grandes  variations  de  résistance  (jusqu’à 3 ou 4 décades suivant les capteurs). Les montages en pont de Wheatstone ne sont  donc  pas  adaptés  d’où  l’utilisation  de  ponts  diviseurs  ou  de  montages  amplificateurs  transimpédance (Figure 8). Classiquement, l’alimentation est en tension et sera fixée dans le  second  cas  (Figure  8  b).  D’autres  circuits  permettent  de  fixer  le  courant  dans  la  résistance  dite sensible  ce qui permet d’éviter les effets d’auto échauffement du matériau.  

  FIGURE 8 : PRINCIPES DE MESURE CLASSIQUES DE VARIATION D’UNE RESISTANCE POUR UN CAPTEUR DE GAZ SEMI CONDUCTEUR 

[64]. A) PONT DIVISEUR B) AMPLIFICATEUR TRANSIMPEDANCE. 

La topologie du circuit b) de la figure précédente peut également être utilisée pour mesurer  l’impédance globale du capteur plutôt que sa résistance. Il suffira de remplacer la résistance  RF par une impédance semblable à celle du capteur mesuré.  

Certains  circuits  de  conditionnement  utilisent  l’approche  « oscillateur  variable »  pour  transformer une variation de résistance en une variation de fréquence [65]. Dans le cas de 

b)  a) 

augmenter  la  sensibilité  de  la  mesure  grâce  à  des  facteurs  de  qualité  élevés.  Ces  mêmes  circuits peuvent être utilisés pour mesurer l’impédance totale du capteur plutôt que sa seule  résistance. 

Une  autre  approche  consiste  à  mesurer  la  variation  de  bruit  intrinsèque  de  la  résistance  sensible. Dans ce cas particulier, un circuit spécifique de mesure est réalisé pour relever la  tension de bruit [66]. 

La  deuxième  partie,  la  « Commande »,  concerne  la  plateforme  chauffante.  Elle  permet  de  fixer  la  température  de  la  couche  sensible  par  l’intermédiaire  d’une  résistance  chauffante  intégrée, ce qui régit, comme nous l’avons déjà dit, les réactions chimiques de surface (donc  la sensibilité aux gaz). Il existe deux possibilités pour la commande du capteur : 

• Le Mode isotherme : Commande à Température constante  

• Le Mode dynamique : Commande à Température modulée ou variable grâce à  l’application  aux  bornes  de  la  résistance  chauffante  de  signaux  variables  périodiques. 

A. Utilisation en mode isotherme 

L’utilisation des capteurs de gaz à oxyde métallique en mode isotherme est par sa simplicité  le  mode  le  plus  répandu  (capteurs  commerciaux  et  en  R&D).  Il  s’agit  d’appliquer  sur  la  résistance  chauffante  une  tension  (ou  puissance)  constante.  Compte  tenu  du  fait  que  la  température  de  l’élément  chauffant  dépend  linéairement  de  la  puissance  appliquée,  il  faudrait effectuer une commande en puissance rigoureusement constante. Pour des raisons  de  facilité  de  mise en œuvre  dans  un  circuit,  la  commande  se  fait  généralement (capteurs  commerciaux) en tension, et assez peu en courant. Dans ce cas, grâce à un étalonnage, cette  valeur de tension est associée à une puissance et donc à une température équivalente. Si la  valeur de la résistance chauffante évolue ou dérive avec le temps, la puissance appliquée et  donc  la  température  de  la  couche  sensible  (la  sensibilité  au  gaz)  sera  affectée,  d’où  la  nécessité d’un étalonnage régulier. 

Il  existe  également  une  commande  en  Modulation  de  Largeur  d’Impulsions  (Pulse  Width  Modulation). Cette approche consiste à synthétiser l’équivalent d’un signal continu par des  impulsions de largeur ou de rapport cyclique adapté pour une valeur maximale donnée. Ce  genre de commande est très adapté pour les systèmes portables car il permet d’économiser  de l’énergie d’alimentation. En revanche, si vieillissement il y a, alors il sera accéléré par ce  mode  « dynamique »  rapide  (≈10KHz)  sachant  que  les  valeurs  maximales  plus  élevées  de  tension  peuvent  induire  de  forts  transitoires  en  courant  et  donc  des  risques  d’endommagements. 

B. Utilisation à température variable (mode dynamique) 

Un certain nombre d’études de recherche portent sur la commande en mode dynamique de  la  résistance  chauffante  [67‐71].  Le  but  de  ce  mode  est  de  commander  la  résistance  chauffante  avec  un  signal  variable.  La  température  du  capteur  change  constamment  et  la  couche  sensible  est  mise  dans  une  configuration  qui  utilise  des  phénomènes  différents  du  mode  statique.  Ce  mode  tend  à  diminuer  les  temps  de  réponse  ainsi  que  la  puissance  consommée [72‐76]. Il est aussi montré dans la littérature qu’une utilisation dynamique de  la température permet d’obtenir de meilleures performances pour le capteur en diminuant  les effets de l’humidité et en améliorant la sélectivité [77‐81]. 

Il  existe  plusieurs  types  de  signaux  applicables  sur  la  résistance  chauffante  (rectangulaire,  sinusoïdal,  triangulaire,  dent  de  scie,  impulsions,…).  Nous  les  avons  classés  en  deux  catégories [82] : 

• Signaux  lentement  variables  (plusieurs  minutes) ;  l’excitation  est  un  signal  lent,  ce  qui  laisse  le  temps  au  capteur  de  se  stabiliser.  Ce  sont  des  phénomènes  lents  qui  sont  mis  en  évidence  comme  les  mécanismes  de  diffusion. 

• Signaux variables rapides (de quelques centaines de millisecondes à quelques  secondes) ;  l’excitation  est  un  signal  périodique  rapide,  un  échelon  ou  une  impulsion.  

Des études ont été menées sur la comparaison de plusieurs formes de signaux [83, 84] mais  il ne ressort pas de conclusion claire sur l’intérêt d’une forme plutôt qu’une autre.  

La  Figure  9  illustre  un  exemple  de  réponse  d’un  capteur  à  base  de  SnO2  soumis  à  un  transitoire thermique rapide (une seconde) en escalier pour quatre gaz différents [85]. Nous  pouvons constater que les formes des réponses sont très différentes suivant le gaz. Ce mode  dynamique  offre  une  réponse  complexe  qui  permet  d’avoir  une  signature  beaucoup  plus  spécifique  à  l’ambiance  de  mesure.  En  utilisant  ce  mode  de  mesure,  ce  ne  sont  plus  les  phénomènes  stationnaires  qui  sont  mis  en  évidence.  Il  y  a  en  parallèle  des  modifications  chimiques  (chimisorption  de  nouvelles  molécules,  désorption  de  certaines  déjà  présentes,  …),  énergétiques  (barrières  de  Schottky,  de  joints  de  grains,  longueur  de  Debye,  …)  et  électriques (concentration, mobilité et répartition des porteurs, mode de conduction, …).  Pour  arriver  à  exploiter  les  informations  issues  des  mesures  en  mode  dynamique,  il  est  nécessaire  de  faire  de  nombreuses  acquisitions  pour  avoir  suffisamment  de  points  à  exploiter. Comme nous le verrons plus loin, ce genre de protocole fait appel à des méthodes  de traitement du signal pour pouvoir interpréter la grande quantité de données mesurées.   

FIGURE 9 : REPONSE  EN  CONDUCTANCE  D'UN  CAPTEUR SNO2  DOPE  PALLADIUM  POUR  DES  TRANSITOIRES  DE 1  SECONDE. LES  DIFFERENTS GAZ SONT A) ACETONE, B) FORMALDEHYDE, C) ETHANOL, D) METHANOL [85]