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Article

1 - CAPTEURS D'ESPÈCES IONIQUES ET MOLÉCULAIRES EN SOLUTION

2 - CAPTEURS DE COMPOSITION GAZEUSE

3 - CAPTEURS AMBIVALENTS

4 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : R420 v2

Capteurs d'espèces ioniques et moléculaires en solution
Capteurs chimiques

Auteur(s) : Marc DEBLIQUY

Date de publication : 10 mars 2010

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RÉSUMÉ

Les considérations environnementales, de sécurité et de contrôle ont fait évoluer considérablement la demande en méthodes de détection d’espèces chimiques et de mesure de leur concentration. Systèmes constitués d’une couche sensible et d’un système transducteur transformant l’interaction chimique en un signal électrique, les capteurs chimiques présentent de multiples avantages : faible encombrement, faible consommation énergétique, faible coût, temps de réponse courts. Ces instruments sont particulièrement adaptés pour les mesures sur site et le contrôle de procédé en ligne. Cet article décrit les différents types de capteurs chimiques existants, leur principe et spécificités.

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ABSTRACT

Environmental safety and control considerations have brought about a significant evolution in the demand for methods in order to detect chemical species and measure their concentration. Chemical sensors consisting of a sensitive layer and a transducer system which transform the chemical interaction into an electrical signal, present many advantages: compactness, low energy consumption, low cost and fast response time. These instruments are particularly suited for on-site measurements and in-line process control. This article describes the various types of existing chemical sensors as well as their principle and characteristics.

Auteur(s)

  • Marc DEBLIQUY : Responsable de la cellule de recherche Capteurs à la faculté Polytechnique de Mons (Belgique)

INTRODUCTION

Ces dernières années, la demande en méthodes de détection d'espèces chimiques et de mesure de leur concentration a considérablement augmenté. Cet intérêt est essentiellement dû aux considérations environnementales, de sécurité, de contrôle de procédé ou de diagnostic médical rapide.

Dans le domaine de la détection des espèces chimiques, il convient de distinguer les analyseurs (instruments d'analyse) et les capteurs chimiques.

Les analyseurs sont généralement des systèmes relativement complexes associant différents éléments mécaniques, chimiques et électriques. L'ensemble est souvent coûteux, encombrant et énergivore, ce qui les rend peu aptes à des mesures sur sites. De plus, ces instruments sont souvent affligés d'un temps de réponse long soit par la technique de détection elle-même, soit par la nécessité de manipulation des échantillons. On retrouve dans cette catégorie d'instruments, les chromatographes et les divers spectromètres. Les avantages principaux de ces instruments sont la possibilité d'une analyse complète et précise de l'échantillon de gaz.

Les capteurs chimiques ou biochimiques, quant à eux, sont généralement des systèmes simples, constitués d'une couche sensible permettant la reconnaissance de l'espèce avec laquelle elle interagit et d'un système transducteur transformant l'interaction chimique en un signal électrique. Souvent, les deux fonctions sont intimement liées. Ce dossier ne traitera pas des capteurs utilisant une méthode physique pour la détermination des espèces chimiques, comme les capteurs basés sur l'absorption infrarouge ou les capteurs photoacoustiques.

Les avantages principaux des capteurs chimiques sont : leur faible encombrement, leur faible consommation énergétique, leur faible coût, des temps de réponse relativement courts. Tous ces avantages en font des instruments idéaux pour les mesures sur site et le contrôle de procédé en ligne. Par contre, l'analyse de mélanges complexes nécessite l'emploi d'un grand nombre de capteurs sensibles à l'une ou l'autre espèce.

Il existe plusieurs familles de capteurs chimiques qui se distinguent par le type de couche sensible et le principe de transduction. Ce texte présentera une description des principaux types de capteurs.

Les performances des capteurs sont caractérisées par différents paramètres. Les principaux sont les suivants :

  • la sensibilité : lien entre les variations de signal du capteur et la concentration en espèce cible ;

  • la limite de sensibilité : concentration minimale détectable en espèce cible ;

  • la sélectivité : aptitude à détecter l'espèce cible à l'exclusion de toute autre ;

  • les interférents : espèces autres conduisant à une réponse indésirable du capteur ;

  • le temps de réponse : temps requis pour atteindre 90 % de la réponse en régime après mise en contact avec le gaz à détecter ;

  • le temps de récupération : temps requis pour revenir à la valeur de base du signal après évacuation de l'espèce ;

  • la durée de vie : période pendant laquelle les caractéristiques du capteur permettent son utilisation avec un degré de précision suffisant (dépend de l'exigence de l'application) ;

  • la dérive : évolution de la ligne de base du capteur en l'absence de l'espèce cible ;

  • la consommation : puissance absorbée par le capteur en fonctionnement.

Nota : les concepts de temps de récupération et de durée de vie n'ont de sens que pour les capteurs réutilisables. Il existe des cas où on ne recherche pas la réversibilité de la réponse et le capteur n'est utilisé qu'une fois. C'est la situation rencontrée pour les fameux tubes de Draeger ou pour les biopuces. Nous ne détaillerons pas ces dispositifs dans ce texte qui se concentrera sur les capteurs réversibles à usage multiple voire continu.

Ces dernières années, le domaine des capteurs a connu un renouveau tout à fait remarquable. Celui-ci est le résultat de trois facteurs principaux qui ont à la fois vivement animé la recherche dans ce secteur et fortement incité le développement de capteurs de type nouveau. Le premier de ces facteurs est le besoin très vif en capteurs fiables qu'entraîne la croissante sévérité des normes dans tous les domaines touchant à la chimie et la biochimie (environnement, alimentation, pharmacie, sécurité domestique et industrielle, monitoring médical...). Le second est lié à la généralisation de l'automatisation dans le génie des procédés qui requiert, à l'origine de la chaîne, des sondes de qualité. Le troisième est l'intrusion en force des méthodes de microfabrication de l'électronique dans la technologie de réalisation des capteurs. Ce dernier point est sans doute le plus notable, car il donne accès au domaine des fabrications collectives avec les avantages qui lui sont liés de bas coût (les capteurs jetables deviennent envisageables), de gain en fiabilité et d'adaptation aux microcircuits, pour l'instant hybrides mais certainement bientôt monolithiques.

Le coût généralement faible des capteurs permet leur utilisation en réseaux. La constitution d'un réseau de capteur poursuit trois objectifs : le premier concerne leur utilisation en réseaux afin de pallier leur manque fréquent de sélectivité. En effet, les espèces moléculaires et ioniques chimiques ne diffèrent pas suffisamment les unes des autres pour que l'on puisse espérer généraliser facilement la réalisation de capteurs sélectifs. Ce n'est pas le cas pour les espèces biochimiques pour lesquelles les interactions sont parfaitement sélectives. Afin de combler cette déficience, il a été proposé d'utiliser des réseaux constitués de capteurs qui diffèrent dans leur réponse individuelle aux composants des mélanges à examiner. L'analyse matricielle des signaux émis par ces capteurs permet alors de remonter à l'information exacte ou à une représentation matricielle d'un mélange complexe. Cette dernière description est en particulier adaptée à l'analyse des odeurs (nez électronique) et constitue le deuxième objectif, qui est la quantification de mélanges complexes . Le troisième objectif concerne l'utilisation de réseaux de capteurs géographiquement dispersés pour la reconstitution d'une carte de répartition d'une espèce (cartographie de pollution par exemple).

Notons qu'une nouvelle voie consistant en la miniaturisation des instruments d'analyse pour les amener dans le domaine centimétrique ou décimétrique a été fortement développée ces dernières années, en particulier dans le domaine biomédical. Cette nouvelle voie a été initiée, vers la fin des années 70, par la réalisation, à Stanford, d'un microchromatographe comportant une colonne capillaire de 1,50 m gravée dans une tranche de silicium de 5 cm de diamètre. Ce genre de réalisation permet de concilier avantageusement les impératifs de petite taille, faible consommation de réactifs, gain de temps et sélectivité. C'est une direction riche de promesses et technologiquement viable qui fait l'objet de recherches actives vers la réalisation de systèmes d'analyse complets qu'on appelle communément « lab on a chip » ou MicroTotal Analysis System, µTAS pour les Anglo-Saxons (cf.  à ).

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VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-r420


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1. Capteurs d'espèces ioniques et moléculaires en solution

Ces capteurs permettent la détection en continu des espèces ioniques en milieu liquide. Ils sont tous basés sur des méthodes de détection électrochimique et seront classés en quatre catégories suivant le mode de détection : potentiométrique, ampérométrique, conductimétrique et par effet de champs. Lors de notre présentation, l'accent sera mis sur le principe de reconnaissance ionique qui permet d'assurer la sélectivité de ces capteurs.

Le lecteur pourra consulter les références  à  pour plus d'informations sur ce sujet.

1.1 Capteurs potentiométriques

Le potentiel du capteur ou électrode (qui n'est parcourue par aucun courant) est mesuré par rapport à un potentiel de référence.

Cette condition de courant nul est d'autant mieux respectée que la résistance, aux bornes de laquelle sont branchées les électrodes, est plus grande. En pratique, les voltmètres aux entrées desquels sont reliées les électrodes ont des impédances d'entrée très grandes (> 1012 Ω).

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1.1.1 Électrodes redox

Ces électrodes sont constituées de matériaux conducteurs électroniques permettant des échanges d'électrons avec tous les couples redox contenus dans la solution. L'électrode, supposée inattaquable...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - GARDNER (J.W.), BARTLETT (P.N.) -   Éd., Sensors and Sensory Systems for an Electronic Nose  -  Nato ASI Series, Series E, vol. 12. Kluwer Acad. Pub. (1992).

  • (2) - TERRY (S.C.), HERMAN (J.H.), ANGELL (J.B.) -   A Gas Chromatographic Air Analyser Fabrication on a Silicon  -  Wafer. IEEE Trans. Electron. Devices, Vol. ED-26, 12 p. 1880-1886 (1979).

  • (3) - MANZ (A.),, HARRISON (J.J.), VERPOORTE (E.M.J.), FETTINGER (J.C.), PAULUS (A.), LUDI (H.), WIDMER (H.M.) -   Planar Chip Technology for miniaturization and Investigation of Separation techniques into Monitoring Systems  -  Capillary Electrophoresis on a Chip. J. Chromatog. 593 p. 253-258 (1992).

  • (4) - VAN DER SCHOOT (B.H.), JEANNERET (S.), VAN DEN BERG (A.), ROOIJ (N.F.) -   A Silicon Integrated Miniature Chemical Analysis System  -  Sensors and Actuators B6 p. 57-6 (1992).

  • (5) - JAFFREZIC-RENAULT (N.), MARTELET (C.), CLECHET (P.) -   Capteurs chimiques et biochimiques  -  [R 420] Technique de l’Ingénieur (1994).

  • ...

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