Capteurs de gaz à semi-conducteurs

Ces dernières années, la demande en méthodes de détection de gaz et de mesure de leur concentration a considérablement augmenté. Cet intérêt est essentiellement dû aux considérations environnementales, de sécurité ou de contrôle de procédé.

Dans le domaine de la détection des gaz, 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 le rend peu apte à des mesures sur site. 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’instrument 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 quant à eux sont généralement des systèmes simples constitués d’une couche sensible permettant la reconnaissance du gaz avec lequel elle interagit et d’un système transducteur transformant l’interaction chimique en un signal électrique. Souvent, les deux fonctions sont intimement liées.

Les avantages principaux des capteurs sont : leur faible encombrement, leur faible consommation énergétique, leur faible coût, les 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. En revanche, l’analyse de mélanges complexes nécessite l’emploi d’un grand nombre de capteurs sensibles à l’une ou l’autre espèce gazeuse. L’exploitation du signal de plusieurs capteurs différents à l’aide d’un traitement du signal adéquat constitue ce qu’on appelle un « nez électronique ». Ces dernières années, ce domaine a fait l’objet d’une activité intense.

Il existe plusieurs familles de capteurs chimiques qui se distinguent par le type de couche sensible et le principe de transduction. Le lecteur intéressé trouvera une description des ces capteurs dans le dossier [P 360] et dans l’ouvrage [1].

Une famille particulière de capteurs a retenu notre attention ici : les capteurs à semi-conducteur.

Ces capteurs sont constitués d’une couche sensible semi-conductrice dont la conductivité dépend de la composition de l’atmosphère qui l’entoure. Le signal est donc une simple résistance variable. Ces capteurs s’insèrent facilement dans des circuits électroniques classiques. De plus, ce type de capteur se prête particulièrement bien à l’emploi des technologies de fabrication de la microélectronique actuelle. Citons par exemple les microcapteurs à base de SnO₂ développés par la société MiCS.

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

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

• limite de sensibilité : concentration minimale détectable en gaz cible ;

• sélectivité : aptitude à détecter le gaz cible à l’exclusion de tout autre ;

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

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

• temps de récupération : temps requis pour revenir à la valeur de base du signal après évacuation du gaz ;

• 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) ;

• dérive : évolution de la ligne de base du capteur en l’absence du gaz cible ;

• consommation : puissance absorbée par le capteur en fonctionnement.

Les couches sensibles exploitées peuvent être constituées d’un semi-conducteur minéral, essentiellement des oxydes métalliques, ou d’un semi-conducteur organique. Nous nous limitons à la présentation des capteurs à base d’oxydes semi-conducteurs. Ceux-ci ont connu une diffusion et un succès commercial beaucoup plus importants. Sur les capteurs chimiques à semi-conducteurs organiques, le lecteur est invité à consulter le dossier Capteurs chimiques à semi-conducteurs organiques : les phtalocyanines[RE 9].