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 

a)  b) 

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]