Etude technologique pour l'amélioration des performances d'un capteur à gaz à oxyde métallique PDF Download

Author: N'Goran Pamela Marie Josephe Yoboue
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Languages : fr
Pages : 156

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Avec les préoccupations actuelles de protection de l'environnement et des personnes, le développement des capteurs de gaz à base d'oxyde métallique connaît un essor grandissant. Force est de constater que les capteurs commercialisés aujourd'hui présentent des performances mitigées avec une température de fonctionnement limitée à 450°C. Malgré une sensibilité intéressante avec des seuils de détection autour de quelques ppm, ils présentent une faible sélectivité et de grandes instabilités ; ce qui limite leur utilisation à de simples détecteurs. Ces imperfections sont d'ailleurs le moteur de nombreux travaux de recherche notamment sur le développement de nouveaux matériaux de détection mais aussi de nouveaux transducteurs. Le but de cette thèse est de prouver qu'il est possible de bien améliorer les performances de ces capteurs à oxydes métalliques notamment sur les aspects consommation, stabilité mécanique et électrothermique. Pour cela notre travail a consisté dans un premier temps à redéfinir un nouveau design puis à optimiser les procédés technologiques pour réaliser des plateformes chauffantes "haute-température". Nous avons réussi à développer une structure capable de fonctionner jusqu'à 600°C avec une puissance convenable (

Author: Rene Lalauze
Publisher: John Wiley & Sons
ISBN: 1118587960
Category : Science
Languages : en
Pages : 287

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Technological needs for chemical, ionic and biological species detection are giving rise to continuous research and development in physico-chemistry and biology. The constant progress being made in the theoretical and technological aspects concerning studies and developments of chemical sensors, biosensors and biochips is presented in this book by different scientists and professors from different universities and constitutes an updating of the state of the art for chemical sensors, biosensors and biochips. This book places a large emphasis on interaction between chemical and biological species, in a gaseous or liquid state, and details mineral and biological materials acting as sensitive elements. The role of electrical, electrochemical, piezoelectric and optical transducers in detection mechanisms are presented through their developments and from a performance point-of-view. Micro-reactors, nanotechnologies and flexible substrates, are considered in relation to their role in neural networks. Contents 1. Chemical and Biological Recognition, Nicole Jaffrezic-Renault. 2. Adsorption Phenomena, René Lalauze. 3. Microcantilever Transduction, Isabelle Dufour. 4. Piezoelectric Transduction (QCM), Hubert Perrot. 5. Metal Oxide Gas Sensors, Christophe Pijolat. 6. Molecular Material-based Conductimetric Gas Sensors, Marcel Bouvet. 7. Responses and Electrical Properties of Gas Microsensors, Khalifa Aguir. 8. Gas Microsensor Technology, Philippe Menini. 9. Multisensors: Measurements and Behavior Models, Philippe Breuil. 10. Development of Microtechnologies for the Realization of Chemical, Biochemical and/or Biological Microsensors, Pierre Temple-Boyer. 11. Development of Micro-preconcentrators for the Detection of Gaseous Species at Trace Level, Jean-Paul Viricelle. 12. Microfluidics: Manipulation of Nanovolume Samples, Louis Renaud. 13. Electrochemical Biosensors, Chantal Gondran. 14. Fiber-optic Biosensors, Neso Sojic. 15. In Vivo Analyses with Electrochemical Microsensors, Stéphane Arbault. 16. Microbial Biosensors for Environmental Applications, Gérald Thouand and Marie José Durand. 17. Biofuel Cells, Serge Cosnier.

Author: Cyril Tropis
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Languages : fr
Pages : 245

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Les micro-capteurs de gaz connaissent un intérêt croissant avec le développement des applications " bas-coût " dans les domaines de l'automobile, la domotique ou l'environnement. Pour répondre à cette demande, les micro-capteurs à base d'oxyde métallique présentent des avantages uniques comme leur faible coût, une grande sensibilité, un temps de réponse bref et facile à intégrer dans un système portable miniaturisé. Cependant, ces capteurs tels qu'ils sont aujourd'hui, souffrent d'un manque de sélectivité et d'une dérive de leurs performances à long terme, ce qui freine leur développement. D'autre part, la détection du dioxyde de carbone, qui représente un intérêt grandissant, semblait particulièrement difficile avec ce type de capteur. Dans ce contexte, l'objet de ce travail consiste d'une part à bien comprendre les phénomènes réactionnels observés grâce à la simulation numérique " gaz-surface ", d'autre part à définir un mode opératoire " robuste " permettant d'obtenir une meilleure stabilité et surtout améliorer la sélectivité. Tout d'abord, nous avons étudié les paramètres d'un profil de température dynamique pour améliorer significativement les performances du capteur. Par la suite, un modèle de connaissance des mécanismes de réaction à été développé afin de mieux interpréter, comprendre et prévoir le comportement de ces capteurs. Ce modèle a la particularité de simuler les transferts de charge en surface de la couche sensible en s'appuyant sur des calculs ab-initio. Enfin, nous avons travaillé sur la modélisation de la réponse. Un modèle d'interpolation très performant adapté au problème a été étudié dans un système décisionnel. La convergence de ces trois approches a permis une meilleure compréhension du fonctionnement du capteur avec du CO et du CO2 et la détermination d'un protocole de mesure optimal avec une optimisation du traitement du signal de la réponse électrique.

Author: Clotaire Chevalier César
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Languages : fr
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Les capteurs de gaz à base d'oxydes métalliques connaissent un engouement croissant pour des applications industrielles, militaires et environnementales. Néanmoins, ces capteurs se montrent peu sélectifs et nécessitent des températures de travail élevées pour obtenir une bonne sensibilité. La nanostructuration des matériaux permet d'augmenter la surface de réaction entre le gaz et le matériau hôte, améliorant ainsi la performance du capteur. ZnO est un semi-conducteur à large gap direct (3,37 eV) possédant de nombreuses propriétés physico-chimiques intéressantes, et aussi un matériau très prometteur pour les capteurs de gaz de type oxyde métallique. L'Elaboration de nanostructures de ZnO a conduit à un grand nombre d'études pour divers domaines d'applications. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif la synthèse des réseaux de nanofils de ZnO par voie hydrothermale et l'étude de leurs propriétés de détection. La première partie de ce travail porte sur l'étude systématique des différents paramètres influençant la synthèse des nanofils de ZnO. Les résultats montrent que la température de croissance, le pH de la solution et le temps de croissance influent sur la morphologie des nanofils de ZnO. Des nanofils avec un facteur d'aspect proche de 30 ont été obtenus sous conditions d'élaboration optimisées. La seconde partie de ce travail consiste en l'étude des propriétés de détection de nanofils de ZnO, par des méthodes électrique et optique. Les mesures électriques montrent une variation de résistance des nanofils, tandis que l'absorption UV révèle un déplacement du bandgap en présence du gaz. Une diminution de la résistance et un blue-shift de bandgap ont été observés lors de la présence d'un gaz réducteur tel que l'éthanol.

Author: Pierre Montméat
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Ce travail est relatif au développement de microcapteurs de gaz sélectifs. De façon générale, ces dispositifs sont composés d'un oxyde semi-conducteur, le dioxyde d'étain, associé à deux électrodes métalliques. L'objectif de l'étude est double, d'une part, améliorer la sélectivité par dépôt de filtre catalytique métallique, et d'autre part mieux appréhender les interactions entre l'oxygène, les métaux qu'ils soient utilisés sous forme d'électrode ou de membrane et le dioxyde d'étain. Le dépôt d'un film mince de platine sur une couche épaisse de 20 μm de dioxyde d'étain a permis d'améliorer la sélectivité du dispositif au CH4 en présence de C2H5OH et de CO. En revanche, lorsqu'il a été déposé à la surface d'une couche mince de 70 nm de dioxyde d'étain, le film mince de platine n'a pas rendu possible l'amélioration de la sélectivité du matériau sensible.Par la suite, notre démarche a consisté à évaluer les propriétés physico-chimiques de chaque constituant du dispositif à savoir le dioxyde d'étain, le métal ou l'association des deux. Pour cela, nous avons fait appel à différentes techniques couramment utilisées pour la caractérisation des interactions gaz - solide telles que la catalyse, la calorimétrie ou la mesure électrique. Des effets de synergie entre le métal et l'oxyde vis-à-vis de l'adsorption et des effets électriques de l'oxygène gazeux ont pu être mis en évidence. Ces résultats ont été exploités pour proposer un mécanisme permettant d'expliciter les phénomènes électriques qui interviennent lors de la chimisorption d'oxygène à la surface d'un système regroupant le dioxyde d'étain et un métal. Ce modèle a été confronté aux résultats expérimentaux relatifs à l'influence de l'épaisseur du dioxyde d'étain sur les réponses électriques sous gaz réducteur des capteurs de gaz.

Author: Antonio Assaf
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Le besoin en capteurs de gaz évolue avec le développement des applications dans les domaines de l'industrie et de l'automobile. Pour répondre à cette demande, les capteurs à base d'oxyde métallique présentent des avantages uniques comme leur faible coût, une grande sensibilité́ et une intégration facile dans un système portable miniaturisé. Cependant, ces capteurs souffrent d'un coût énergétique élevé du fait de leurs hautes températures de fonctionnement. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail est d'optimiser les capteurs à base de dioxyde d'étain afin d'abaisser leur température de fonctionnement. Le gaz cible dans cette étude est le dioxyde d'azote (NO2). D'abord, nous avons optimisé la synthèse des films de SnO2 élaborés par pulvérisation à radiofréquence de manière à obtenir les caractéristiques morphologiques, stœchiométriques et électriques les plus adaptées à la détection de gaz. Aussi, nous avons également optimisé le dépôt de couches de palladium à la surface des films de SnO2 par évaporation servant de catalyseurs. Par la suite, nous avons simulé l'architecture du capteur (électrodes interdigitées + film sensible) à l'aide du logiciel SILVACO TCAD afin d'optimiser la géométrie du capteur. Des capteurs à base de SnO2 sans catalyseur ont ensuite été développés afin de sélectionner la géométrie optimale pour la détection du NO2. Le capteur retenu possède une température de fonctionnement optimale de 100°C pour la détection de NO2, avec une limite de détection de 250 ppb. Finalement, des capteurs à base de SnO2 dopé au palladium ont été conçus. Ces capteurs montrent une bonne sensibilité au NO2 à très basse température (50°C). Ce résultat est l'aboutissement du projet dont l'objectif à terme vise la réalisation de capteurs de gaz à base oxyde métallique à faible consommation d'énergie.

Author: LAURE.. CHAMBON
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Languages : fr
Pages : 134

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CE TRAVAIL CONCERNE LA FAISABILITE D'UN MICRO-SYSTEME CAPTEUR DE GAZ MULTIMEMBRANES A OXYDES METALLIQUES. CE DISPOSITIF EST DESTINE A REPONDRE AU MANQUE DE SELECTIVITE INTRINSEQUE DES CAPTEURS RESISTIFS A OXYDES SEMICONDUCTEURS. APRES UN RAPPEL SUR LES PRINCIPALES CARACTERISTIQUES DES CAPTEURS DE GAZ, JE PRESENTE LES OBJECTIFS PRECIS DE CES TRAVAUX DE RECHERCHE. ILS CONCERNENT, EN PARTICULIER, L'IDENTIFICATION D'UN GAZ A PARTIR D'UN SYSTEME DE MESURE COMPORTANT UN ENSEMBLE DE CAPTEURS DE SENSIBILITES DIFFERENTES, DONT LES REPONSES SERONT COMPAREES A UNE BASE DE DONNEES ISSUE D'UN CALIBRAGE. DANS UNE SECONDE PARTIE, JE M'INTERESSE AUX PROPRIETES DES OXYDES METALLIQUES COMME CAPTEURS DE GAZ. LA TROISIEME PARTIE EST RELATIVE A L'ETUDE EXPERIMENTALE DES REPONSES ISSUES DES CAPTEURS SNO#2 ET NB#2O#5 SOUS L'ACTION DES GAZ CO, NH#3 ET NO#2. L'INTERPRETATION DES MECANISMES REACTIONNELS MIS EN JEU MET EN EVIDENCE L'EXTREME SENSIBILITE DES STRUCTURES ETUDIEES VIS-A-VIS DES CONDITIONS EXPERIMENTALES (TENSION DE POLARISATION, TEMPERATURE D'UTILISATION) ET VIS-A-VIS DES GAZ INTERFERENTS COMMUNEMENT PRESENTS LORS DE MESURES ENVIRONNEMENTALES (OXYGENE, HUMIDITE). EN DERNIER LIEU, DANS UNE PROBLEMATIQUE SIMPLIFIEE (TAUX D'OXYGENE CONSTANT ET TAUX D'HUMIDITE NUL), JE DEMONTRE EXPERIMENTALEMENT QUE L'ASSOCIATION DES CAPTEURS SNO#2, NB#2O#5 ET SNO#2 DOPE PD DANS UN SYSTEME MULTICAPTEURS, SUIVI D'UNE UNITE DE TRAITEMENT DU SIGNAL, CONDUIT A LA DETECTION SELECTIVE DES GAZ CO ET NH#3. JE MONTRE QUE DES QUANTITES INDEPENDANTES DE LA CONCENTRATION EN GAZ AMELIORENT L'EFFICACITE DES METHODES DE RECONNAISSANCE. CEPENDANT, LA DERIVE DES CAPTEURS DANS LE TEMPS APPARAIT COMME LA PRINCIPALE LIMITE A CETTE STRATEGIE MULTICAPTEURS.

Author: Amina Bejaoui
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Languages : fr
Pages : 157

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L’objectif de ce travail est l’étude et la modélisation d’un capteur de gaz à base d’oxyde métallique semiconducteur de type p (cas de CuO). Pour cela, des couches minces de CuO ont été élaborées dans l‘équipe microcapteurs de IM2NP à partir de deux techniques différentes : la pulvérisation cathodique réactive magnétron radio-fréquence et l’oxydation thermique des couches minces de cuivre déposées par évaporation thermique sous vide. Différentes techniques de caractérisation ont été mises en oeuvre pour évaluer les propriétés des couches minces obtenues en vue de les optimiser pour l’application capteur. La microscopie à force atomique (AFM) et la microscopie électronique à balayage (MEB) ont révélé une nanostructure homogène dont la morphologie présente la porosité désirée. Les analyses par diffraction de rayons X (DRX) ont montré que ces couches minces présentent une monophase de CuO avec une orientation préférentielle (111), les études optiques par ellipsométrie dans le domaine visible ont permis d’estimer les pourcentages de porosité dans chaque couche. Ces couches possèdent la cristallinité et la pureté requises pour l'utilisation en capteurs de gaz. Les performances de ces couches minces de CuO ont été évaluées pour la détection de l’ozone et de l’éthanol. Sur la base de ces résultats, un modèle dynamique a été développé simulant la réaction entre les espèces oxygénées ionisées adsorbées à la surface d'un semiconducteur de type p avec un gaz, qui permet d’évaluer l’influence des paramètres de fonctionnement (Température de fonctionnement, pression d’oxygène et concentration de gaz).

Author: Brigitte Bourrounet-Dubreuil
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Languages : fr
Pages : 377

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LE NEZ HUMAIN RESTE LE PREMIER OUTIL ANALYTIQUE ACTUELLEMENT UTILISE POUR LA MESURE D'ODEURS. TOUTEFOIS, DEPUIS 20 ANS, DE NOMBREUSES RECHERCHES ONT ETE EFFECTUEES POUR METTRE AU POINT UN NEZ ELECTRONIQUE. LA CONCEPTION D'UN TEL APPAREILLAGE REPOSE SUR LE COUPLAGE DE CAPTEURS DE GAZ OU D'ODEURS, A UNE INTELLIGENCE ARTIFICIELLE BASEE SUR DES METHODES DE RECONNAISSANCE DE FORME (ACP, AFD, RN, ). DIFFERENTES TECHNOLOGIES DE CAPTEURS CHIMIQUES PEUVENT ETRE EMPLOYEES NOTAMMENT LES CAPTEURS A OXYDE METALLIQUE (MOS), LES CAPTEURS A POLYMERE CONDUCTEUR ET LES CAPTEURS A QUARTZ PIEZOELECTRIQUE (QMB, SAW). DANS UN PREMIER TEMPS, UN SYSTEME BASIQUE A MULTIPLES CAPTEURS DE GAZ DE TYPE OXYDE METALLIQUE A ETE CONCU AFIN D'EVALUER LES PERFORMANCES ET LES LIMITES DE LA TECHNOLOGIE SUR DES PRODUITS ISSUS DE L'AGRO-INDUSTRIE. LE POTENTIEL D'UTILISATION DE CETTE MAQUETTE A ETE AINSI DEMONTRE EN MESURE DIRECTE POUR LE SUIVI DE LA MATURATION DE LA LAVANDE, LA DISCRIMINATION DE 61 CAFES ET LA QUANTIFICATION DU SULFURE D'HYDROGENE. DANS LE CAS D'UNE MESURE INDIRECTE, LE TAUX DE POURRITURE DU RAISIN PAR DU BOTRYTIS CINEREA ET LA TENEUR EN 5-ANDROST-16-EN-3-ONE CARACTERISTIQUE DE L'ODEUR SEXUELLE D'ECHANTILLONS DE BARDIERES DE PORCS ONT PU ETRE EVALUES AU MOYEN D'UNE AFD. LES CONNAISSANCES ACQUISES LORS DE CETTE ETUDE FINALISEE NOUS ONT PERMIS DE DEVELOPPER UN PROTOTYPE DE LABORATOIRE CONSTITUE DE DEUX CELLULES DE 10 CAPTEURS DE GAZ, AVEC REGULATION THERMIQUE ET HYGROMETRIQUE, SUR LEQUEL DES TESTS NORMATIFS AFNOR ONT ETE REALISES. L'ACP DES DONNEES OBTENUES SUR 30 CAPTEURS TESTES EN TERME DE SENSIBILITE AU GAZ ETALON (ETHANOL) ET A L'HUMIDITE RELATIVE, DE TEMPS DE REPONSE ET DE DERIVE A COURT TERME A PERMIS D'EFFECTUER UNE SELECTION DES CAPTEURS EN FONCTION DE LEUR SENSIBILITE, DE LEUR SELECTIVITE ET DE LEUR PRECISION. UNE METHODE GLOBALE DE MISE EN OEUVRE D'UN NEZ ELECTRONIQUE A AINSI PU ETRE PROPOSEE.

Author: Kieu An Ngo
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Le manque de sélectivité des capteurs de gaz à base d'oxyde métallique est la principale limite à leur utilisation. Afin de pallier ce problème, nous avons proposé dans ce travail une solution basée sur la combinaison de plusieurs capteurs et de méthodes de traitement de données. Pour ce faire, un banc de test incluant une matrice composée de plusieurs capteurs a été réalisé. Nous avons étudié deux procédures de chauffage des capteurs (mode isotherme et modulation thermique). L'analyse en composantes principales et les réseaux de neurones artificiels ont été utilisés pour traiter les données issues des capteurs. La première méthode de chauffage, appliquée à une matrice de six capteurs, a permis de classer et d'identifier cinq gaz (CO, NH3, H2S, C2H2 et NO) à une concentration de 100 ppm. De plus, nous avons pu mesurer la concentration de CO et NO en mélange avec une erreur acceptable (valeur du RMSEPr d'environ 10 %). La deuxième procédure de chauffage, utilisée avec une matrice de quatre capteurs, a permis d'identifier trois gaz (CO, C2H2, H2S) avec des concentrations variant de 25 ppm à 100 ppm