réalisa-tion de capteurs de gaz
Les oxydes peuvent être sous forme de poudre, de film mince ou épais, de céramiques...Deux démarches sont utilisées pour les méthodes de synthèse :
— Les procédés "bottom-up" : Cette technique consiste à condenser des molécules, atomes ou ions. Tous ces derniers sont en phase gazeuse ou liquide.
— Les procédés "top-down" : des techniques physiques appliquées sur un solide pour le décomposer.
L’oxyde peut être synthétisé puis déposé sur un substrat afin d’élaborer l’élément (film mince ou épais) sensible au gaz. On peut citer trois grandes familles des techniques d’élaboration associées à la réalisation de capteurs de gaz[42] (les techniques sont cités en langue anglaise) :
Collage (slurry deposition) — Spray deposition
— Drop deposition — Screen printing — Dip coating
Chemical Vapor Deposition(CVD) — Electroless plating
— Thermal CVD
— Plasma activated CVD — Laser induced CVD Physical Vapor Deposition — Sputtering
— Evaporation
Le choix de la technique de synthèse et de la méthode de dépôt détermine la morphologie et la structure du matériau ainsi que les propriétés de détection. Les différents procédés d’élaboration de couches épaisses sont : dépôt par projection d’un aérosol, dépôt électrophorétique, Microstéréolithographie, méthodes sol-gel et dérivés, coulage en bande, sérigraphie. Parmi ces méthodes citées ci-dessus, nous nous sommes également limités à déposer des films épais par Spin Coating (tournette) et Sérigraphie. Nous allons présenter les techniques de dépôt utilisées pendant la thèse.
1.4.1 Sérigraphie
1.4.1.1 Principe
La sérigraphie est un procédé d’impression qui consiste à faire passer de l’encre à travers les mailles très fines d’un écran à l’aide d’une raclette pour être déposée sur le support à imprimer. La forme et l’épaisseur des dépôts sont imposées respectivement par la géométrie de la fenêtre (taille des mailles des tamis) et par l’épaisseur du masque, ainsi que par la force, l’angle d’appui et la dureté de la raclette. Dans ce travail, la sérigraphie a été choisie pour ses propriétés intéressantes à l’échelle industrielle (Coût, facilité, ajustement des épaisseurs et des surfaces de dépôt...)
1.4.1.2 Préparation de l’encre
La sérigraphie exige la mise en suspension du matériau actif (poudre) dans un véhicule organique. Pour l’élaboration de cette poudre en suspension appelée encres, nous utilisons trois types d’oxydes (BT , BST et BST F). Les principaux produits utilisés dans l’encre de sérigraphie sont : le solvant, le liant, le dispersant, le plastifiant. Chaque élément possède un rôle spécifique et influe sur la viscosité, l’homogénéité et la dispersion de l’encre. Les composants organiques utilisés
pendant la thèse dans les encres de sérigraphie sont présentés dans la figure ci-dessous. Ces produits n’ont aucun effet toxicologique.
Figure1.5 – Récapitulatif des composants organiques
La combinaison des différents composants de l’encre a fait l’objet d’une étude approfondie. Le choix de la composition organique joue un rôle très important pour assurer la dispersion de la poudre dans l’encre et pour garantir la viscosité de cette dernière. La première étape consiste à dissoudre le liant (PVB) dans le solvant (α-terpinéol) sous température pendant quelques minutes puis à ajouter le mélange poudre-dispersant. Le plastifiant est ajouté en dernier. La qualité de l’encre dépend de la taille et de l’agglomération des particules de la poudre ainsi que de sa composition chimique. Afin de casser les agglomérats et d’obtenir une encre homogène, on la passe plusieurs fois entre les rouleaux du tricylindre.
Enfin, l’encre est conservée dans un flacon en rotation pour assurer l’homo-généité du mélange et pouvoir conserver l’encre plusieurs jours sans qu’il y ait de sédimentation.
1.4.1.3 Dépôt sur substrat et traitement thermique
Le dépôt a été effectué par Sérigraphie (Figure 1.7) et Spin Coating (Figure1.8) sur des substrats (SiO2/Si, P t/T i/SiO2/Si, Al2O3). La principale condition à res-pecter pour avoir une bonne tenue du film sur le substrat est l’élimination des constituants organiques, pour cela il faut maitriser le séchage et le délian-tage. Un séchage des films est donc réalisé à 80◦C pour éliminer le solvant (α-terpinéol) puis un déliantage est effectué à 200◦
C et 500◦C pour éliminer les autres éléments organiques. Après ces deux étapes, un frittage est réalisé à haute température autour de 1100◦C sous air ambiant afin d’obtenir des couches épaisses et denses. Nous avons décrit dans cette partie, l’élaboration des films épais à partir de poudre et d’un véhicule organique par sérigraphie ou tournette sur un substrat puis frittage. Les différents substrats qui seront utilisés ainsi que les différentes électrodes seront présentés et discutés au chapitre 2. Nous discutons également les problèmes rencontrés avec les contraintes mise en jeu pendant le frittage et dues aux substrats et électrodes.
Figure1.7 – Sérigraphieuse semi-automatique
1.4.2 Spin Coating (tournette)
Le Spin Coating est une technique utilisée couramment pour déposer des films de polymères, de résines et de suspensions diverses. C’est une technique de dépôt économique et simple. Elle permet la réalisation des films minces et épais.
Figure1.8 – Schéma de principe d’un dépôt d’une couche mince ou épaisse par Spin Coating
Le Spin Coating (Figure1.8) consiste à déposer la solution ou de l’encre sur un substrat en rotation sur une tournette. La rotation engendre une force centrifuge qui provoque l’étalement. L’épaisseur de la couche peut varier de dizaines de nanomètres (nm) à plusieurs dizaines de micromètres (µm). Le film obtenu est fonction de la concentration et de la viscosité de la solution ou de l’encre ainsi que le temps et la vitesse de rotation de la tournette.