Capteurs de gaz optiques et chimiques

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Capteurs de gaz optiques et chimiques

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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.
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