Capteurs de gaz optiques et chimiques

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Capteurs de gaz optiques et chimiques
&+$3,75( &DSWHXUV GH JD] RSWLTXHV HW FKLPLTXHV
,1752'8&7,21
Les principaux capteurs de gaz se regroupent en deux grandes familles selon le principe de
détection exploité: les capteurs chimiques et les capteurs optiques. Dans le premier cas nous
avons une interaction directe entre le gaz analysé et une partie du dispositif préposée à la
détection. Le changement d’une des propriétés physiques du dispositif est associé à la
présence du gaz à détecter.
Dans le cas des capteurs optiques, il n’y a pas d’interaction directe. Un rayon lumineux est
utilisé comme sonde afin d’examiner les caractéristiques optiques du gaz (par exemple une
des raies d’absorption) sans que le même gaz réagisse chimiquement avec une des parties du
système de détection.
Dans les paragraphes suivants, nous chercherons à classifier en détail les différents types de
capteurs de gaz chimiques et optiques et citerons quelques exemples qui nous permettront de
faire le point sur les techniques les plus employées.
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1.1 Capteurs de gaz chimiques
Les techniques de détection chimiques sont employées dans une grande variété de disciplines,
de l’analyse électrochimique, à la bio-médecine en passant par la détection du niveau de
pollution en milieu urbain et industriel (gaz ou eaux usées, par exemple). Il est possible de
distinguer différents types de capteurs chimiques selon leur application, leur composition et
principe de fonctionnement.
L’importante diffusion de ce type de capteurs est surtout liée à une technologie déjà bien
développée dans le domaine de la détection de gaz. Ceci implique une production industrielle
qui permet d’arriver à un produit final avec des prix très compétitifs. Les inconvénients de
l’utilisation de ces dispositifs sont dus à la technique même de mesure: la réponse a une
dérive assez importante dans le temps dans la mesure où le dispositif interagit directement
avec le gaz.
Dans le paragraphe qui suit nous citerons quelques exemples de capteurs de gaz chimiques
qui nous ont paru particulièrement représentatifs des différentes techniques et qui se
différencient pour leur champ d’utilisation.
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1.1.1 Capteurs chimiques à état solide
Dans le cas des capteurs chimiques de gaz à état solide, la détection se réalise en mesurant le
changement d’une propriété physique due à une réaction au niveau de sa surface avec le gaz à
examiner [Esaki 80][Jelley 93]. Une grande partie des dispositifs à état solide comme les
CMOS, ISFET, MIS et MOS est utilisée comme base pour ces types de capteurs. Nous
pouvons citer le cas du capteur développé par la NASA (Fig.1.1-1) [Hunter 96] afin de
détecter les fuites d’hydrogène des réservoirs des navettes spatiales (en environnement
pressurisé) mais aussi le long des viaducs et réservoirs de stockage du carburant.
)LJXUH 6FKpPD GH IRQFWLRQQHPHQW GX FDSWHXU FKLPLTXH j pWDW VROLGH
La figure 1.1-1 montre le schéma de ce type de capteur. Ce dernier est constitué par une diode
Schottky au Pd(13%)Ag. Elle est composée par trois couches: une couche catalysatrice de
Pd(13%)Ag crue sur une couche SiO2 sur un substrat de silicium de type n. Le phénomène à
la base du fonctionnement du dispositif est la dissociation de l’hydrogène à la surface du
métal. Les molécules dissociées se déplacent jusqu’à l’interface métal-oxyde. Ce fait
provoque un changement des propriétés électriques de la diode. Ce changement dépend de la
concentration d’hydrogène. Il faut noter qu’un capteur de ce type peut présenter des
problèmes quand l’atmosphère contient de l’oxygène car il interagit avec l’hydrogène en
produisant de l’eau à la surface du détecteur.
Très récemment la NASA, toujours très active dans la recherche et le développement de
nouvelles technologies pour la détection de gaz, a commencé la commercialisation d’un
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capteur chimique de gaz à état solide à base de SiC [Shields 99]. Celui-ci peut travailler entre
100°C et 500°C et réaliser une analyse très sélective des hydrocarbures résultant d’une
combustion. Le principe de fonctionnement est basé sur la dissociation de ces gaz dans une
couche de SiC poreux pour différents potentiels appliqués. Les liens Carbone–Hydrogène
adsorbés à la surface du dispositif sont rompus sélectivement en changeant le champ
électrique le long de la couche active de SiC . Dans la même filière nous citerons le capteur
développé par le Centre de Recherche de l’Université de Karlsruhe [KAMINA 98] [Ehrmann
97] et qui est surtout utilisé pour le contrôle de la qualité de l’air.
1.1.2 Autres applications des capteurs chimiques
Au delà de capteurs chimiques à état solide qui connaissent un développement industriel et
commercial très important, nous retrouvons aussi d’autres applications innovantes :
•
Dans le cas des capteurs biochimiques, nous avons un transducteur physique qui
transforme l’information biologique en information électrique. Un exemple est donné par
les capteurs biomédicaux qui peuvent contrôler en continu la pression de l’oxygène et du
dioxyde de carbone [Towe 99]. Ces données peuvent fournir des indications très
importantes au sujet de l’état de santé des patients soumis à une anesthésie. L’approche
pour la mesure de ces agent biochimiques du sang, aussi bien que du glucose, est du genre
colorimétrique. Les principes de la micro-dialyse avec ceux de la colorimétrie et de la
fluorescence sont combinés pour produire un capteur de type cathéter de dimensions intravasculaires.
• Du côté de la détection environnementale, nous avons aussi les capteurs chimiques qui
exploitent le phénomène de la chromatographie en phase gazeuse inverse (CGI) [Chehimi
98]. Avec ces capteurs on peut réaliser une mesure de la concentration de gaz polluant
comme le benzène ou les phosphonates en analysant leurs interactions avec une
membrane de polymères préalablement étalonnée.
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1.2 Capteurs de gaz optiques
L’évolution de la technologie de la détection optique nous permet aujourd’hui de mesurer
presque toutes les grandeurs physiques et chimiques d’intérêt [Keck 99]. Nous en déduisons
que le panorama des capteurs de gaz optiques est très large et diversifié.
Dans ce paragraphe nous allons présenter des capteurs de gaz optiques et des exemples
relatifs aux techniques les plus utilisées. Nous mettrons en évidence les principaux avantages
liés à l’utilisation des capteurs optiques par rapport aux capteurs chimiques. Ensuite, nous
évoquerons le rôle qu’occupent et que pourront occuper les systèmes micro-opto mécaniques
dans le domaine de la détection de gaz avec l’évolution des techniques de micro-usinage.
Enfin, nous présenterons les caractéristiques du dispositif envisagé et les spécifications qu’il
doit satisfaire afin de pouvoir être intégré dans un système de détection optique non dispersive
de gaz.
1.2.1 Classification
Les techniques de détection optiques de gaz peuvent être regroupées en trois catégories qui
dépendent de la façon dans laquelle la détection est réalisée (i) , de l’extension de la zone à
analyser (ii) et du rôle des fibres optiques dans le processus de détection (iii) [Keck 99].
(i) Type de détection
Les capteurs optiques pour les gaz exploitent généralement le changement de l’intensité dans
un milieu absorbant (le gaz), soit le changement de phase d’un rayon lumineux. Dans le
premier et deuxième cas, nous parlerons respectivement de ″détecteur d’intensité″ et de
″détecteur interférométrique″. Le capteur que nous voulons développer appartient à la
première catégorie.
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Les ″ détecteurs d’intensité ″ se divisent en trois sous-groupes qui se différencient par la
technique de détection utilisée:
•
Un seul faisceau, une seule longueur d’onde:
Ici un rayon à une longueur d’onde fixe (sa détermination peut être plus au moins précise
selon le système) est envoyé dans une région où nous avons une concentration du gaz à
analyser. La longueur d’onde du faisceau lumineux correspondra à une de ses raies
d’absorption. Cette technique nécessite un seul détecteur et une seule source.
Le principal inconvénient de cette technique est sa faible fiabilité avec les changements des
conditions environnementales ou de la configuration du système de détection. Il présente donc
d’important problèmes au niveau de la reproductibilité des résultats.
Si la sélection de la longueur d’onde du faisceau provenant de la source est effectuée par un
moyen dispersif comme le réseau d’un monochromateur, nous parlerons de technique
dispersive. En revanche, si un filtre ou un ensemble de filtres sont utilisés, nous parlerons de
technique non-dispersive.
 Un seul faisceau, deux longueurs d’onde:
Par rapport à la technique précédente, le rayon lumineux peut commuter entre deux longueurs
d’onde différentes : une qui correspond à une raie d’absorption du gaz et l’autre qui permet
d’obtenir la réponse spectrale du système. L’intérêt de cette technique repose sur un meilleur
contrôle des conditions environnementales grâce à la mesure de référence du système.
L’inconvénient de cette technique résulte du dispositif supplémentaire permettant de changer
la longueur d’onde du rayon lumineux. Dans les derniers dispositifs commercialisés, ce
problème est résolu en utilisant deux sources lumineuses.
 Deux faisceaux, deux longueurs d’onde
La seule différence par rapport à la technique précédente est l’utilisation de deux détecteurs :
un qui permet de réaliser la mesure sur le gaz et l’autre pour la mesure de référence. Cette
innovation nous affranchit de la présence d’un dispositif permettant le passage entre les deux
longueurs d’onde. Le principal problème de ce type de configuration est la parfaite identité
entre les réponses des deux détecteurs employés. Des problèmes liés à l’augmentation de la
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température de notre système subsistent toutefois et peuvent perturber les caractéristiques
optiques du gaz analysé.
(ii) Extension spatiale de la détection
Cette catégorie permet de distinguer les capteurs optiques qui travaillent sur un point de
l’espace ou sur une distribution de points. Dans le premier cas, nous parlons de ″Capteurs
ponctuels″ et dans le deuxième de ″Capteurs distribués″.
Pour les ″Capteurs ponctuels″, le capteur peut être placé à l’extrémité d’une fibre optique
qui véhicule simplement l’information lumineuse [Chan 84]. Nous pouvons aussi citer les
capteurs portables qui peuvent être déplacés sur différents sites à analyser, ce qui permet un
contrôle sur une région étendue [EEV 98]. En ce qui concerne les ″Capteurs distribués″,
nous pouvons citer le cas de capteur à base des fibres optiques dont la gaine a été retirée
[Warren 99].
(iii) Le rôle des fibres optiques
Les fibres optiques jouent un rôle très important pour les capteurs optiques de gaz. Pour ce
type de détection une distinction est souvent faite entre les capteurs qui agissent à l’extérieur
ou à l’intérieur d’une fibre optique [Keck 99]. Dans le premier cas, la fibre est le moyen par
lequel transitent les informations liées à la détection. Ces capteurs se définissent comme
″capteurs intrinsèques″. En revanche, si la fibre optique incorpore ou est elle-même le
capteur, nous parlerons de ″capteurs extrinsèques″. C’est le cas du capteur développé par le
laboratoire IFO de l’Ecole Centrale de Lyon. Dans ce cas, la gaine des fibres optiques est
constituée par des couches minces de matériau sorbant, chimiquement sélectif, qui permettent
de collecter et de concentrer le gaz à l’interface cœur /gaine en vue de sa détection. Celle-ci
est basée sur la variation de l’indice optique de la gaine [Jaffrezic-Renault 99].
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1.3 Principales techniques optiques de
détection des gaz
Après avoir procédé à la classification des différents capteurs de gaz optiques, nous allons
citer quelques exemples des principales techniques de détection des gaz utilisées
actuellement. Celles-ci se différencient par leur finalité et leur domaine d’utilisation. Cette
revue introduira aussi les algorithmes qui permettent d’obtenir la valeur de la concentration
d’un gaz à partir d’une série de mesures d’absorption optique.
1.3.1 Techniques de ″REMOTE SENSING″ LIDAR
et de l’ ″absorption différentielle″
Comme nous le savons, l’énergie électromagnétique est réfléchie par les molécules de gaz
suspendues dans l’air et par les particules de ″poussière″. Cette réflexion peut être suffisante
pour l’application des principes qui sont à la base de la détection du type ″radar″. La
technique de détection que nous appelons LIDAR (Light Detection and Ranging) [Hinkley
76] [Measures 84] emploie des lasers qui génèrent des signaux pulsés de la duré de quelques
dizaines de nanoseconde. Ceux-ci ont une puissance de l’ordre de 10 Megawatts. Cette
énergie passe à travers les différentes couches atmosphériques et est ensuite réfléchie.
Seulement une petite fraction de la lumière envoyée sera réfléchie sur le système de détection.
La formule à la base de ce type de détection est :
(T
 R

 cτ 
Pr ( R) = Po   β ( R) Ar R − 2 exp − 2 ∫ α (r )dr 
 2 
 0

où Pr est la puissance réfléchie reçue à un instant t, P0 est la puissance du faisceau lumineux
envoyé à un instant t0 , τ est la durée du signal pulsé, β est le coefficient de diffusion, Ar la
surface de réception du signal et α le coefficient d’absorption volumétrique à une atmosphère.
R représente la distance du faisceau du point de départ et dépend de la durée de l’impulsion
laser envoyé. La ″perte″ d’énergie est donc due à la diffusion des particules de poussière en
suspension ou à l’absorption des gaz présents dans l’atmosphère. Leur position par rapport
aux couches atmosphériques est déterminée en connaissant le temps dont a besoin le faisceau
lumineux envoyé pour être réfléchi. Si cette analyse est effectuée avec un laser à longueur
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d’onde variable, nous pouvons connaître la concentration des gaz dans l’atmosphère. Ceci
nous permettra d’appliquer la technique de l’″absorption différentielle″ (DIAL).
Afin d’illustrer l’algorithme à la base de cette technique, commençons par réécrire le
coefficient d’absorption volumétrique de l’équation précédente :
(T
α (λ ) = α A (λ ) + α G ( λ )
où αG est le coefficient d’absorption associé au gaz que nous voulons analyser et le αA aux
autres gaz ou particules en suspension dans l’atmosphère. En sachant que :
L
(T
α G (λ ) = σ (λ ) ∫ N ( z )dz
0
où N(z) est la densité volumétrique linéaire sur un parcours de longueur L et σ la section
efficace d’absorption associé au gaz. Nous prenons la différence entre les logarithmes PR(λ0)
et PR(λ1) pour un certaine longueur d’onde λ0 qui coïncide avec une des raies d’absorption du
gaz (longueur d’onde ON) à examiner et pour une longueur d’onde λ1 (longueur d’onde OFF)
qui tombe sur le côté (″l’aile″) du pic d’absorption. De cette façon, nous pouvons réécrire la
formule en fonction de la densité des molécules :
(T N =
L
 K ' (λ0 ) P0 (λ0 ) Pr (λ1 )  1 L
1
1
[α (λ1 , z ) − α (λ0 , z )]dz
=
N
z
dz
(
)
ln

+
L ∫0
2σL  K ' (λ1 ) P0 (λ1 ) Pr (λ0 )  σL ∫0
où K’ représente, en général, l’efficacité de réponse du système. Pour simplifier cette formule,
nous pouvons supposer que la dépendance des interférences optiques est négligeable dans
l’intervalle spectral d’intérêt (de façon à négliger le dernier terme) et que l’efficacité du
système est considérée comme constante. De plus, si nous supposons que la puissance
envoyée sur l’échantillon est égale pour la longueur d’onde ON et OFF, nous arrivons à :
(T
N =
1
ln[P(λ1 ) / P(λ 0 )]
2σL
Dans la limite de 2NσL<<1 , nous avons :
(T
N ≈
1  δP 


2σL  Pr (λ1 ) 
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La concentration du gaz que nous voulons obtenir dépend de la différence de la puissance
reçue aux deux longueurs d’ondes OFF et ON : voici la raison de l’appellation de « technique
de l’absorption différentielle ».
La valeur minimale détectable avec ce type de technique est donnée par :
(T
N ≈
1  NEP 2 B 

2σL  KP0

où B est la largeur de bande du système, K est un facteur qui tient compte de la configuration
géométrique du dispositif de détection et le NEP est le ″facteur de puissance équivalent à
l’influence du bruit″ caractéristique du détecteur utilisé.
•
Cette technique pour la détection des traces atmosphériques des gaz polluants demande
des moyens technologiques et économiques assez importants (laser à haute puissance et
hautement résolus), s’adresse surtout à des organismes publiques de surveillance de
l’environnement (urbains mais aussi des parcs naturels). Cette technique est très
intéressante dans la mesure où elle permet une cartographie d’un site et possède une
grande portée (10-15Km) avec une précision vraiment remarquable (moins d’un dixième
de ppm) [Hinkley 76] [Measures 84] [CRIN 94]. Elle est utilisée aussi par les sondes
spatiales de la NASA envoyées sur mars [NASA 99].
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1.3.2 Exemple d’application de la technique de
l’«absorption différentielle» en milieu industriel
Une application de la technique de l’absorption différentielle qui demande un système moins
coûteux et complexe, est celle proposée par les chercheurs de l’Université de Tohoku au
Japon [Chan 83][Chan 84] [Kobayasi 81]. Celle-ci vise surtout la détection de fuites de gaz
(méthane principalement) dans les complexes industriels et d’extraction.
)LJXUH 6FKpPD GX V\VWqPH pODERUp j O¶XQLYHUVLWp GH 7RKRNX
La figure 1.3-1 illustre le schéma du système élaboré à l’Université de Tohoku. La source
utilisée est une DEL à base d’InGaAsP. Les caractéristiques de cette source sont un spectre
d’émission centré autour de 1.61µm avec une largeur spectrale de 80nm. La puissance émise
est d’environ 0.1mW. Des fibres optiques relient la cellule remplie de gaz (elle simule les
conditions environnementales) avec la source et le système de détection. Deux filtres
diélectriques avec une bande passante d’environ 2nm permettent d’analyser la transmission
sur le maximum et l’aile du pic d’absorption pour appliquer l’algorithme qui caractérise la
technique de détection « différentielle » (Eq. 1-3.6). Un système de détection synchrone
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permet d’avoir un signal moins bruité. Dans le cas de la détection du méthane, pour une
longueur des fibres optiques d’environ 2Km, un détecteur (au Germanium) caractérisé par un
niveau de bruit équivalent à 5x10-14W/Hz-1/2, une puissance en sortie de la DEL de 0.1mW, et
en considérant les problèmes liés à l’efficacité de couplage entre les fibres optiques ellesmêmes et avec la source (facteur K), le système, pour une détection réalisée avec λON
=1.661µm (raie Q du méthane) et λOFF =1.528µm (niveau d’absorption de référence), a un
niveau minimale de détection de 400ppm [Chan 84] (en appliquant la formule 1.3-6).
Cette valeur correspond à 0.8% de la limite d’explosion du méthane (LEL [Interscan 98])
dans l’atmosphère (38Torr). Ce système de détection satisfait donc aux conditions nécessaires
pour garantir la sécurité dans des complexes industriels et d’extraction minérale où des fuites
de méthane peuvent se révéler très dangereuses. Comme nous pouvons le constater, ce
système ne demande pas une lourde instrumentation et permet de réaliser des mesures dans
des délais de temps très réduits (environ quelques secondes) sur des zones étendues qui sont
reliées à un centre de contrôle par les fibres optiques. La précision de la mesure n’atteint pas
la fraction du ppm comme dans les cas précédents mais il faut aussi dire que les finalités de la
mesure ne sont pas les mêmes.
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1.3.3 Spectroscopie par modulation de fréquence
Le potentiel de ce type de technique réside dans l’analyse ultra-rapide et ultra-sensible de
traces de gaz [Silver 92]. La principale application se fait dans la région spectrale de l’infrarouge où les gaz présentent une absorption optique importante. Cette technique nécessite
l’utilisation de diodes laser accordables. Ceux-ci se divisent en deux grandes familles:
•
Les lasers III-V utilisés communément pour les applications télécom et qui permettent
d’atteindre une précision de détection entre le ppb et le ppm [Cooper 92] [Risis 93].
•
Les diodes lasers aux sels de Plomb, qui atteignent des longueur d’ondes supérieures mais
qui ont comme gros handicap de travailler à 100K et nécessitent donc un système
cryogénique [Werle 89].
Les principes de base de la spectroscopie par modulation de fréquence sont illustrés dans le
schéma suivant.
)LJXUH 6FKpPD G¶XQ V\VWqPH GH GpWHFWLRQ SDU PRGXODWLRQ GH ORQJXHXU G¶RQGH
Comme nous pouvons l’observer avec la figure 1.3-2, l’émission de la source laser est
modulée par injection à fréquences radio et est donc dirigée vers un milieu absorbant (gaz).
L’absorption optique qu’en résulte provoque la modulation d’amplitude (AM) des fréquences
du rayon lumineux correspondant aux raies d’absorption du gaz analysé. Ce signal en sortie
peut être facilement détecté en utilisant une photodiode de largeur de bande suffisante et un
système pour extraire la fréquence de modulation radio imposée au laser. L’avantage de
travailler avec une émission lumineuse modulée en fréquence est d’utiliser le laser à un
29
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régime de modulation qui permet d’avoir le plus bas bruit possible et la meilleure sensibilité
du système en réduisant l’influence du fond du spectre que nous retrouvons dans les mesures
de détection directe de l’absorption optique des gaz. Cette technique nécessite une photodiode de petites dimensions qui ne pose pas de problèmes d’alignement optique, avec une
largeur de bande comparable à celle des fréquences de modulation utilisées : ceci limite
notamment l’utilisation pratique de ce type de système.
Nous distinguons deux types de techniques. Si nous définissons:
xm =
(T
ωm
ω1 / 2
où ωm et ω1/2 sont définies respectivement comme la fréquence de modulation et la largeur à
mi-hauteur de la fréquence d’absorption du gaz que nous analysons. Si ce rapport est
supérieur à 1, la technique de modulation est définie « modulation en longueur d’onde »
(WMS). Dans le cas contraire nous parlerons de « modulation en fréquence d’onde » (FMS).
• 7HFQLTXH:06
Cette technique est la plus utilisée pour améliorer la sensibilité de détection [Moses 77] [Reid
81] [Wilson 66] et emploie des fréquences de l’ordre du kHz. Elle implique la modulation du
courant du laser qui s’exprime par l’équation :
(T
x(t ) = xo + m sin(ω mt )
où m correspond à l’amplitude de la modulation. Si G(x) est la fonction qui décrit le profil de
la ligne d’absorption, à la sortie du détecteur nous avons :
(T
S (t ) = G[ xo + m sin(ω mt )]
Arndt [Arndt 65] a montré que ce signal peut être décrit par l’addition de fonctions
harmoniques de fréquences caractéristiques ωm. Si seulement une harmonique spécifique est
détectée par le détecteur (en utilisant un système de détection synchrone), l’intensité est
donnée par :
(T
(−1)ε n
I ( xo ) =
π
m
∫ dx' G ( x − x )
o
−m
30
Tn ( x' / m)
m 2 − x'2
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Où Tn est un polynôme de Chebysev de degré n. Cette équation n’est peut pas être résolue
d’un point de vue analytique mais elle peut être intégrée en utilisant la quadrature de GaussChebysev [Abramovitz 72]. Dans la limite d’un faible degré de modulation, m, l’intensité en
sortie est proportionnelle à la dérivée du profil de la ligne d’absorption. Puisque le signal en
sortie est de type dérivatif, l’absorption parasite et le bruit de fond influencent marginalement
la mesure.
• 7HFKQLTXH)06
Dans ce cas, la fréquence de modulation de l’émission laser est nettement supérieure (de
l’ordre des MegaHz) par rapport à la fréquence d'absorption du gaz examiné. La théorie de la
technique FMS est développée en considérant l’évolution du champ électrique transmis à
partir du laser à travers un milieu absorbant jusqu’au détecteur.
Si nous imposons un décalage φ(t) de la phase à la fréquence du courant d’injection du laser,
le champ électrique d’émission est donnée par :
(T
E (t ) = EO exp[iω ot + iφ (t )]
(T
φ (t ) = β sin(ω ot )
Où β est un nombre entier défini comme l’indice de la fréquence de modulation. La fréquence
instantanée de ce champs est donc :
(T
ω (t ) = ω o + βω m cos(ω mt )
En analysant cette équation, nous en déduisons que βωm correspond à l’amplitude de la
modulation. Dans les systèmes réels, l’intensité du champs électrique n’est pas uniforme sur
l’intervalle des fréquences de modulation. Nous avons, en effet, une modulation d’amplitude
résiduelle. Nous obtenons donc :
(T
E (t ) = EO [1 + M sin(ω mt + ψ )] exp[iω ot + iφ (t )]
où M correspond à l’amplitude de modulation du champ. Le décalage en phase entre ces deux
facteurs correspond, dans la plus grande partie des cas [Gehrtz 86] [Lenth 84] [Silver 88], à
π/2. Pour pouvoir réduire les effets résiduels de la modulation qui ne sont pas liés à
31
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l’absorption du gaz à examiner, et donc avoir une mesure qui puisse être la plus sensible
possible, nous devons réduire l’intensité liée à ces effets, qui est exprimée par [Silver 92] :
(T
I FOND = 2 I O ∑ rl r ∗l − n
L
où r est un polynôme de Bessel [Abramovitz 72]. Cette équation a une valeur qui dependra de
l’ordre n de l’harmonique en effet :
La modulation résiduelle de fond sera de zéro dans le cas d’une détection d’un ordre supérieur
à deux, mais aussi dans le cas d’un système où le déphasage de la détection peut être réglé de
façon opportune.
Ces deux techniques sont employées dans le domaine de la détection du niveau de pollution et
dans les complexes de production chimique dans la mesure où une mesure de ce type peut
atteindre une précision de 2x10-3 ppm [Hovde 95] [Oh 95] [Oh 92] pour différentes espèces
chimiques avec une rapidité de lecture de la mesure de quelques millièmes de seconde [Silver
92]. La sélectivité de la mesure est aussi remarquable : 0.001cm-1 [Hovde 95]. Cette dernière
caractéristique permet la réalisation de mesures très précises même en présence de grandes
quantité de gaz « parasites » [Bomse 92].
La technique WMS est préférée par rapport à la technique FMS dans le cas de la mesure de la
concentration de gaz à pression atmosphérique et dans la région du moyen infra-rouge. Dans
ce cas nous aurions besoin, en effet, pour la technique FMS, de détecteurs avec une largeur de
bande de l’ordre du GHz qui sont très coûteux [Bomse 92].
32
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1.3.4 Technique non–dipersive (NDIR) pour la
mesure de la concentration d’un gaz
Les capteurs optiques, ou plus généralement les systèmes de mesure optiques, se divisent en
deux grandes catégories (voir paragraphe 1.2.1) : les systèmes qui exploitent une technique
dite dispersive ou non-dispersive .
Pour la seconde catégorie, la sélection de la longueur d’onde de la source lumineuse est
obtenue en utilisant soit directement une source avec un spectre d’émission très étroit (Laser
accordable) soit des filtres qui sélectionnent une certaine gamme de longueurs d’onde d’une
source à large spectre. Le système que nous voulons réaliser répond à ces caractéristiques. Le
schéma de principe d’un système de ce type est montré en figure 1.3-3.
)LJXUH 6FKpPD GH SULQFLSH G¶XQ V\VWqPH GH GpWHFWLRQ RSWLTXH TXL H[SORLWH XQH
WHFKQLTXH QRQGLVSHUVLYH
Nous avons ici une source lumineuse à large spectre, qui pourra être ou une DEL (Diode
Electro-Luminescente) ou une lampe au tungstène, qui envoie un rayon lumineux dans un
milieu absorbant. Celui-ci, qui est dans notre cas, constitué par un gaz, sera contenu dans une
cellule ou dispersé dans l’atmosphère. Le gaz présente un spectre d’absorption caractérisé
par des raies de différentes intensités, les raies P , Q, R (voir ANNEXE A) et qui occupent des
plages spectrales bien précises. Ces raies se différencient pour chaque espèce gazeuse.
La lumière en sortie du milieu absorbant, aura donc une intensité atténuée pour des longueurs
d’ondes correspondant aux raies d’absorption qui caractérisent le gaz à analyser (λon). Le
33
&+$3,75( &DSWHXUV GH JD] RSWLTXHV HW FKLPLTXHV
filtre permettra de sélectionner en transmission une des cette raies, d’habitude la plus intense
TRANSMISSION
(la branche Q, voir ANNEXE A).
REPONSE DU FILTRE
RAIE D ’ABSORPTION
DU GAZ
λON
λOFF
TRANSMISSION
Filtre 1
λON
λOFF
Filtre 2
)LJXUH 6FKpPD GH SULQFLSH GH GpWHFWLRQ G¶XQ FDSWHXU RSWLTXH j O¶DLGH GH GHX[ ILOWUHV
HW FHQWUpV VXU GHX[ ORQJXHXUV G¶RQGH GLIIpUHQWHV
Le niveau d’absorption est évalué de façon absolue en comparant la valeur détectée en
présence du gaz avec le résultat d’une mesure de référence effectuée à une longueur d’onde
où le gaz que nous examinons, n’absorbe pas (λoff, voir figure 1.3-4): cette opération demande
l’utilisation d’un second filtre qui remplacera le premier dans la même configuration.
34
&+$3,75( &DSWHXUV GH JD] RSWLTXHV HW FKLPLTXHV
1.4 Filtre Fabry-Pérot accordable à base d’InP
pour la détection de gaz
Nous voulons réaliser un système de détection de gaz non-dipersif, analogue à celui montré
en figure 1.3-3, en utilisant un filtre Fabry-Pérot accordable à base d’InP. Un filtre FabryPérot est un dispositif constitué par deux miroirs de Bragg qui délimitent une cavité résonante
[MacLeod 69]. En fonction de l’épaisseur de cette cavité, nous pouvons sélectionner une
longueur d’onde spécifique à partir, par exemple, d’une source lumineuse blanche. Une des
principales caractéristiques du filtre Fabry-Pérot que nous voulons réaliser est la possibilité
de changer la longueur d’onde de résonance du filtre. Afin d’illustrer le principe de
fonctionnement de ce dispositif, analysons l’exemple de la fig.1.4-1. Cette figure représente
très schématiquement une plate-forme carrée suspendue. Il s’agit d’une structure de type PIN.
D
E
)LJXUH 6FKpPD UHSUpVHQWDQW OH SULQFLSH GH IRQFWLRQQHPHQW G¶XQ ILOWUH )DEU\3pURW
DFFRUGDEOH D HW VSHFWUH GH UpIOHFWLYLWp G¶XQ ILOWUH )DEU\3pURW SRXU GLIIpUHQWHV YDOHXUV GH OD
WHQVLRQ E >/H'DQWHF @
La plate-forme est déplacée par la force électrostatique en appliquant une tension inverse sur
la diode. La diminution de l’épaisseur de la micro-cavité (figure 1.4-1 (a)) causera le
changement de la valeur de la longueur d’onde de résonance (figure 1.4-1 (b)). Cet exemple
permet d’identifier les parties essentielles des systèmes opto-mécaniques accordables de ce
type: une cavité d’air verticale d’épaisseur variable délimitée par une plate-forme (qui n’est
pas nécessairement carrée) soutenue par des bras.
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&+$3,75( &DSWHXUV GH JD] RSWLTXHV HW FKLPLTXHV
Pour notre application, la mesure de l’absorption du gaz et la mesure de référence, pourront
être effectuées simplement en actuant le filtre. L’avantage est double: en premier lieu, la
mesure de référence et la mesure avec l’échantillon sont effectuées exactement dans les
mêmes conditions, ce qui garantit une meilleure reproductibilité. En second lieu, il est
possible d’analyser les raies d’absorption de plusieurs gaz au même temps en actuant le filtre
accordable. La valeur de la concentration du gaz est obtenue en partant des résultats des
mesures de transmission à l’aide des algorithmes qui caractérisent la technique DIAL (voir
paragraphe 1.3.2.). Les caractéristiques des raies d’absorption qui caractérisent la plus grande
partie des gaz (la position spectrale, la valeur de la « section efficace », le coefficient
d’élargissement des raies…), peuvent être obtenue à l’aide de l’ « HITRAN database » rédigé
périodiquement par le laboratoire JPL de la NASA [Rothman 92][Brown 92].
36
&+$3,75( &DSWHXUV GH JD] RSWLTXHV HW FKLPLTXHV
1.4.1 Micro-usinage de structures à base d’InP
Nous venons de présenter le schéma de fonctionnement du filtre Fabry-Pérot accordable que
nous voulons réaliser. La caractéristique fondamentale d’un dispositif
de ce type est
l’épaisseur variable de la cavité. Cette condition est réalisable si la cavité est constituée d’air.
Il faudra donc une maîtrise de la technologie du micro-usinage pour les matériaux de la filière
InP. Le choix de l’InP pour la réalisation du dispositif est dicté par deux raisons principales :
•
La possibilité d’intégrer des éléments actifs (des puits à base d’InGaAs) dans la cavité
pour la réalisation d’un « détecteur à cavité résonante » (RCE) pour la détection de gaz
[Bondavalli 99 -2]
•
La compétence acquise dans la technique du micro-usinage des matériaux de la filière InP
pour les filtres Fabry-Pérot pour le « démultipléxage en longueur d’onde » (WDM) dans
le domaine des télécommunications par le LEOM [Seassal 97] [Spisser 98]
g ra v u re v e rtic a le
C o u c h e s a c rific ie lle
g ra v u re s é le c tiv e
)LJXUH 6FKpPD GX SURFpGp GH PLFURXVLQDJH GHV VWUXFWXUHV
Comme nous pouvons l’observer en figure1.4-2, le micro-usinage des dispositifs à base de
couches d’InP est réalisé en plusieurs étapes. La première est la définition des motifs par une
procédure de micro-lithographie. La deuxième étape est la gravure verticale de motifs avec
technique RIE (« Reactive Ion Etching »). Ensuite, les structures suspendues sont libérées par
37
&+$3,75( &DSWHXUV GH JD] RSWLTXHV HW FKLPLTXHV
sous-gravure sélective latérale des couches sacrificielles d’InGaAs. Enfin, le séchage qui
constitue la partie la plus délicate du procédé. En effet, les couches libérées peuvent se coller
à cette étape du processus technologique à cause des forces de capillarité exercées pendant le
retrait du liquide de rinçage. Ces problèmes ont été résolus au LEOM en utilisant le séchage
par CO2 supercritique [Spisser 99].
38
&+$3,75( &DSWHXUV GH JD] RSWLTXHV HW FKLPLTXHV
1.4.2 Microsystèmes pour la détection de gaz
(Etat de l’art)
Les exemples de capteurs employant la technique de détection non-dipersive (illustrée dans le
paragraphe précédent) ainsi que des filtres sont assez nombreux. Citons en quelques uns
particulièrement intéressants :
•
L’entreprise EDINBURGH SENSORS [ES 97] a récemment développé un capteur
optique « GASCARD II » pour l’analyse de gaz organiques dans le proche infra-rouge.
Celui-ci emploie deux filtres qui garantissent une précision de ±2% sur l’échelle utilisée
avec un temps de réponse de 10s. La source est constituée par une lampe à tungstène
caractérisée par une puissance de 1W . L’utilisation de ce dispositif est surtout prévue
dans l’agro-alimentaire.
•
Le brevet d’un capteur optique de gaz miniaturisé (« NDIR GAS SENSOR » [Wong 94])
employant la technique de mesure non-dispersive a été déposé au Etats Unis. Il est obtenu
en utilisant des techniques de micro-usinage d'un matériel semi-conducteur tel que le
silicium ou le GaAs.
Ce capteur comporte un guide d'ondes optique, une source
lumineuse et un détecteur. Une cellule réalisée dans le guide d'onde permet au gaz
examiné de s’interposer dans le chemin optique du rayon lumineux entre la source
lumineuse et le détecteur. Un filtre passe-bande est placé avant le détecteur de sorte qu’il
puisse sélectionner seulement la longueur d’onde d’absorption du gaz à analyser .
L’utilisation de filtres Fabry-Pérot accordables dans le domaine des capteurs est assez larges.
Nous retrouvons des applications assez diversifiées comme par exemple les capteurs de
pression ou de température. En revanche l’utilisation dans le cadre d’un dispositif pour la
détection des gaz est assez récente et exploite surtout la technologie du silicium:
•
Une équipe de recherche de SCHLUMBERGER en collaboration avec l’Université de
Montpellier II [Gradespot 96] [Alause 97] a réalisé une étude sur un filtre accordable à
base de Silicium qui peut être accordé entre 3 et 5µm avec une tension de 20Volts pour
une largeur à mi-hauteur du pic de transmission d’environ 300µm. Ce filtre est donc
caractérisé par une sélectivité assez réduite et pourrait être utilisé pour une application
métrologique comme, par exemple, l’analyse de la concentration de méthane ou d’autres
gaz alcanes à pressions élevées (3-4Atm).
39
&+$3,75( •
&DSWHXUV GH JD] RSWLTXHV HW FKLPLTXHV
L’entreprise finlandaise VTT a développé un spectromètre miniaturisé qui est composé
par un filtre Fabry-Pérot accordable à base de Silicium Ce filtre est caractérisé par un pic
résonnant de longueur d’onde variable entre 4.5 et 4µm avec une tension maximale
d’environ 30Volt. La largeur à mi-hauteur est de 70nm. Ce dispositif est utilisé pour
l’analyse du CO2 avec un intervalle d’analyse qui peut varier entre 0 et 2000ppm avec un
niveau de bruit de 10ppm. Cette précision est atteinte pour un échantillon de gaz contenu
dans une cellule isolée [Blomberg 97].
•
L’entreprise américaine « Opto Mechanical Enterprises, Inc » (OME) [OME 99]
développe
actuellement un système de détection qui utilise un filtre Fabry-Pérot
accordable dans la région spectrale du moyen infra-rouge, entre 3 et 5µm et 7 et 14µm,
avec une largeur de bande de 1-2% par rapport à la longueur d’onde d’absorption (par
exemple 0.1µm pour un pic à 10µm). Les applications commerciales de cette technologie
incluent la détection chimique à usage militaire, la vision de nuit, le contrôle de
l'environnement atmosphérique, le diagnostic médical et les procédés industriels à hautes
températures.
•
L’entreprise américaine « Scientific Solutions, Inc. » [SSI 99] a développé un filtre FabryPérot à cristaux liquides (LCFP). L’accordabilité est réalisée en changeant les cristaux
liquides qui occupent la cavité résonante. En fonction de leur indice de réfraction la
longueur d’onde de résonance change. Ces filtres travaillent dans l’intervalle spectrale
compris entre 0.4 et 1.2µm avec une résolution variable entre 0.05 et 10nm.
L’accordabilité est d’environ 100nm. Les applications peuvent impliquer l’analyse
spectroscopique de gaz et l’imaginérie spectrale.
Jusqu’à maintenant, nous avons évoqué des exemples de filtres Fabry-Pérot simples employés
dans des systèmes de détection de gaz. Dans des travaux très récents, la possibilité de
l’intégration d’une couche active (absorbante) dans la cavité résonnante est prise en compte.
Ainsi, il est possible d’obtenir un photodétecteur résonnant (« Resonant Cavity Enhanced »,
RCE) qui pourra être centré sur la longueur d’onde d’absorption du gaz analysé. Les
matériaux utilisés dans ce cas proviennent de la filière III-V. Ces matériaux, en effet,
possèdent, par rapport au silicium, l’avantage de permettre l’intégration des couches actives
dans les dispositifs crus par épitaxie.
•
Une équipe de l’ « Optoelectronic Device Group » du département d’ingénierie
électronique de l’Université de Hull en Grande Bretagne travaille à la réalisation d’une
photodiode résonnante où la couche active est constituée par des puits de GaInSb/GaSb.
40
&+$3,75( &DSWHXUV GH JD] RSWLTXHV HW FKLPLTXHV
Ce dispositif est sensible dans la région spectrale autour de 1.66µm et est prévu pour la
détection environnementale du méthane [Haywood 99].
•
Le laboratoire LEOM de L’Ecole Centrale de Lyon a récemment réalisé un puits à base
de InGaAs qui, intégré dans une cavité résonnante déjà modélisée optiquement et en voie
de réalisation, permettra de détecter des gaz alcanes dans la région spectrale autour de
2µm [Jourba 99].
Enfin nous pouvons citer aussi les lasers à cavité centrale (ou VCSEL pour Vertical Cavity
Surface Emitting Laser) qui emploient des cavité Fabry -Pérot accordables et qui sont utilisés
dans le contexte de mesures de traces de gaz.
•
L’entreprise CORETEK a développé un laser accordable sur un intervalle de 50nm avec
une largeur à mi-hauteur du pic d’émission inférieure au nanomètre. L’accordabilité est
réalisée avec une tension de 39Volts [CORETEK 99].
1.5 Conclusion Chapitre 1: Cahier des charges
et présentation du dispositif
Comme nous l’avons annoncé au début du chapitre, la finalité de notre dispositif est l’analyse
métrologique dans un environnement caractérisé par une pression totale variable entre 3-4Atm
constituée par le 95% de méthane et des traces de butane et propane dans la région spectrale
autour 1.66µm [GDF 92]. A la lumière de ces informations, nous sommes maintenant en
mesure de déterminer le cahier des charges à suivre afin de réaliser un filtre Fabry-Pérot
accordable à base d’InP qui puisse être intégré dans un système pour la détection d’un
mélange de gaz alcanes dans la région spectrale autour de 1.66µm (voir ANNEXE D). Le
dispositif devra autoriser une analyse du profil de la raie d’absorption du gaz en l’accordant
sur un intervalle de 200nm. Afin d’avoir un signal d’intensité suffisante pour être détecté
facilement, la largeur du pic de transmission du filtre Fabry-Pérot devra être d’environ 10nm.
Le choix de la largeur du pic de transmission est dicté par deux considérations. Tout d’abord
avoir un signal facilement détectable à l’aide de sources et détecteurs utilisés et une résolution
suffisamment fine pour pouvoir réaliser un profil de raie d’absorption. Pour notre application,
la largeur des raies à 1.7µm pour des pressions de l’ordre de plusieurs Atmosphères est
d’environ 100nm. Ainsi, il nous à a semblé qu’une sélectivité spectrale du filtre de 10nm
constituait un bon compromis.
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Pour garantir des mesures facilement et rapidement interprétables, la maximum du pic de
transmission ne devra pas baisser de plus d’environ 20% sur le spectre d’accordabilté.
Une autre spécification optique très importante est la stabilité thermique de la réponse : le
déplacement en longueur du pic de résonance du filtre entre –40C° et +60C°, ne devra pas
dépasser la limite de 10nm.
Le choix de la région spectrale autour de 1.66µm est dicté par deux raisons principales :
•
La raie d’absorption du méthane a une largeur d’environ 100nm dans cette région
spectrale. Ceci nous permet, avec une accordabilité de 200nm, de l’examiner dans sa
totalité.
•
La possibilité d’avoir un large choix de détecteurs qui travaillent dans cette région
spectrale à température ambiante et qui exploitent les progrès acquis dans le domaine des
télécommunications par fibres optiques.
Le résumé des caractéristiques envisagées pour notre dispositif est reporté dans le tableau cidessous:
6pOHFWLYLWp
QP
$FFRUGDELOLWp
QP
/RQJXHXUG¶RQGHFHQWUDOH
—P
'pULYHHQWHPSpUDWXUH
QP
'LPHQVLRQVODWpUDOHV
—P[—P
7HQVLRQG¶DFFRUGDELOLWp
9ROWV
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