Cours de capteurs L1PC

Cours de physico-chimie
appliquée aux capteurs
L1PC
Marcel Carrère
2011-2012
Livre support de ce cours « les capteurs en instrumentation industrielle » G. Asch et ses
collaborateurs, aux éditions Dunod.
Case 241, Equipe Plasma surface, laboratoire Physique des interactions ioniques et moléculaires
Faculté des sciences de saint Jérôme 13397 Marseille cedex 20

PLAN DU COURS DE PHYSICO-CHIMIE DES CAPTEURS
Introduction
1) qu’est ce qu’un capteur ?
2) La chaîne de mesure
3) Les capteurs actifs
a. Effet thermoélectrique
b. Effet pyroélectrique
c. Effet piézoélectrique
d. Effet Seebeck, Peltier
e. Effet d’induction électromagnétique
f. Effet photovoltaïque
g. Effet photo électromagnétique (Hall)
4) les capteurs passifs
5) les erreurs de mesure
6) Etalonnage d’un capteur
7) La sensibilité en régime statique
8) La sensibilité en régime dynamique
a. 1° ordre
b. Deuxième ordre
9) Temps de réponse
a. 1° ordre
b. Deuxième ordre
10)Conditionneurs de capteurs
a. Montages potentiométriques
b. Les ponts
c. Les oscillateurs
d. Le conditionnement en générale
11)Physique des semi-conducteurs
a. La liaison chimique
b. Notions de bandes d’énergie
c. Semi-conducteur intrinsèque
d. Semi-conducteur extrinsèque type N ou P
e. La jonction PN
f. Caractéristique de la jonction (capacité de transition)
12)La diode à vide
13) Triode et plus
14)Les capteurs optiques
a. Les photons et les équations de maxwell
b. Photométrie
c. Source de lumière
d. Photo diode et photo transistor
e. Cellule photovoltaïque
f. Capteurs photoémissifs
g. Fibre optique
15)Les capteurs de position
16)Les capteurs de déformation
17)Les capteurs de force
18)Les capteurs d’accélération, vibration
19)Les capteurs de vitesse et de débit
20)Les capteurs de pression

a. Loi des gaz parfait
b. Notions de mécanique des fluides
c. Tube de pitot et de Bourdon
d. Conversion de pression/déformation, force,thermique
e. Le vide et le pompage
f. Le pompage secondaire
g. Jauge pirani
h. Jauge Penning
i. Jauge Bayard-Alpert
j. Jauge Baratron
21)Les capteurs de rayonnement nucléaire
a. Radionucléides
b. Notions élémentaires de radioactivité
c. Effet du rayonnement sur la matière
d. Détecteur à ionisation (Geiger Muller)
e. Détecteur à scintillation
f. Détecteur à semi-conducteur

Introduction
Ce cours s’adressent à des étudiants de master, ce qui signifie que vous êtes motivés et que
vos connaissances générales sont plus importantes que celles que vous aviez en Licence, BTS,
IUT ou autres formations de premier cycle universitaire. J’accepte que l’on ne sache pas tout
ce qui concerne la physique, l’électromagnétisme, la transformée de Fourier, les circuits RLC
et les nombres complexe, la thermodynamique et la physique des semi-conducteurs mais je
n’admets pas que l’on ne fasse pas l’effort de savoir. Etre en master, c’est commencer à
prendre de l’autonomie intellectuelle, c’est surtout prendre du temps afin de combler ses
lacunes surtout quand les enseignants les pointent avec patience. Alors bon travail car le cours
suivants demande un champ de connaissance très large en physique et chimie, je donnerai un
maximum de notions en reprenant toutes les bases voire les fondements, mais rien ne
remplacera le travail personnel afin de bien maîtriser tous les outils de ce cours passionnant.
Ce support de cours n’est pas exhaustif mais il retrace les chapitres essentiels que nous allons
aborder et développer, bon travail à tous.
1) qu’est ce qu’un capteur ?
Le monde qui nous entoure est rempli de matière et cette matière comme vous le savez est
faire d’atomes. Pour recueillir des informations vitales chacun de nous a développé des
antennes, des capteurs qui permettent de communiquer avec le milieu extérieur. Pour obtenir
des informations locales du milieu extérieur, le corps a donc un certain nombre de capteur et il
est bon d’en faire l’inventaire afin de comprendre la multiplicité et la complexité des capteurs.
Je trouve que l’on peut prendre comme définition « fournir des informations capitales à un
système » ou « transformer des grandeurs physiques en signal utile ».
Observons comment et combien de capteurs nous possédons sans faire un cours de médecine.
Les yeux (signaux électromagnétiques dans le domaine du visible)
Les oreilles (signaux sonores)
Le nez (molécules aromatiques)
La peau (chaleur, touché)
Langue (chaleur, acidité, amertume, sucré, salé)
Dents (chaleur, texture et fonctions mécaniques)
…
2) La chaîne de mesure
Il est évident que du capteur à l’ordinateur, il y à une chaîne de mesure. Cette chaîne de
mesure est constituée d’une multitude de composants. Mais elle est toujours constituée
d’éléments de conversion (analogique ou numérique). Le capteur va transformer le mesurande
en grandeur électrique. Le mesurande est la grandeur physique que nous désirons suivre, cela
peut être la température, la pression, la viscosité, la vitesse de rotation, le PH, la
radioactivité...Ce capteur est alimenté donc il y a toujours une alimentation stabilisée, pour
une bonne sensibilité un pont de Wheatstone est souvent utile le conditionnement du capteur
est étudié dans un autre cours et donc nous ne nous étendrons pas ici.
En électronique vous verrez comment le signal électrique est traité avec des amplis
Opérationnels ou des transistors afin d’être amplifié. Mais abordons ce capteur afin d’en
comprendre la dynamique interne

3) Les capteurs actifs
Le principe du capteur actif est qu’il fonctionne comme un petit générateur. Il est opposé
au capteur passif dont le principe de fonctionnement est de type récepteur : résistif,
capacitif ou inductif. Le capteur va donc opérer une conversion de l’énergie, c'est-à-dire
qu’il transforme l’énergie du mesurande : thermique, mécanique ou électromécanique en
signal électrique. Nous allons décrire quelques propriétés des capteurs actifs.
a. Effet thermoélectrique
Un circuit formé de deux conducteurs de nature physico-chimique différente, dont
les températures de jonctions T1 et T2 sont différentes.
b. Effet pyro-électrique
Certains cristaux, comme le sulfate de triglycine ont une polarisation électrique
spontanée qui dépend de la température. Ils portent en surface des charges
opposées, ce qui leur donne l’aspect d’un condensateur dont la polarisation est une
fonction de la température
c. Effet piézoélectrique
L’application d’une contrainte sur un cristal va modifier ses propriétés
microscopiques, sa maille cristalline et donc ses propriétés diélectriques. En
faisant apparaître une f.e.m. donc des charges de signes opposées sur les faces
contraintes, un des exemples de ce type de cristal est le quartz.
d. Effet Seebeck, Peltier
C’est Seebeck (1820) qui découvert que le contact entre deux conducteurs donné
une f.e.m. en fonction de la température de jonction. C’est cet effet qui va nous
donner les capteurs de température de type thermocouple. Une extension de cet
effet est faite quelques années plus tard par un français Peltier qui utilise un
courant afin de produire ou de capter de la chaleur. C’est ce dernier qui a permis la
fabrication de réfrigérateur (frigidaire).
e. Effet d’induction électromagnétique
Tout conducteur plongé dans un champ magnétique va se voir affecté d’une fem
qui est proportionnelle à la variation de flux au cours du temps. Cet effet est très
présent en hyperfréquence.
f. Effet photovoltaïque
L’effet photoélectrique consiste à collecter des électrons éjecter par une électrode
par des photons, nous avons donc un courant électrique proportionnel au flux de
lumière. Nous voyons qu’il s’agit d’un semi-conducteur en présence d’un champ
électrique (photo courant) ou une jonction PN dans laquelle des paires électron-
trou sont créées puis collectées. La collection des paires va donner lieu à un
courant proportionnel au flux lumineux.
Remarque : Comme pour le premier effet que nous avons décris ce mécanisme est
à effet de seuil.
g. Effet photo électromagnétique (Hall)
L’effet Hall est la déviation de charges électriques, soumis à un champ magnétique
statique transverse (force de Lorentz). Cette déviation s’équilibre avec le champ