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Le fonctionnement des capteurs semi-conducteurs

Etant donné l’augmentation des considérations environnementales et de sécurité, la détection des gaz ainsi que la mesure de leur concentration est devenue un véritable enjeu de l’industrie. Dans ce domaine, il faut bien distinguer les analyseurs et les capteurs chimiques. [12]

Les analyseurs sont souvent des systèmes complexes, encombrants et énergivores. Ils permettent de faire une analyse complète et précise du gaz étudié. Par contre, ils ne sont pas pratiques pour des mesures sur site. On retrouve dans cette catégorie, les chromatographes ou les spectromètres. [12]

Les capteurs chimiques sont généralement de petits composés simples qui permettent d’obtenir l’évolution de la concentration en gaz. Il existe de nombreux capteurs différents. Pour ce projet, un capteur semi-conducteur de la marque Figaro sera utilisé car ils s’insèrent facilement dans des circuits électroniques. [12]

Ces capteurs contiennent une couche sensible semi-conductrice qui possède une conductivité dépendante de la composition de l’air qui l’entoure. Le signal obtenu correspond donc à une résistance variable en fonction de l’évolution de la conductivité. Des défauts dans le réseau cristallin sont associés aux propriétés électriques des oxydes métalliques. En effet, ces composés métalliques sont souvent isolants à l’état de cristal parfait. Il existe deux types de semi-conducteurs [12] :

  • De type n : il possède des atomes de métal en excès qui peuvent s’ioniser facilement et libérer des électrons permettant le transport du courant
  • De type p : certains nœuds du métal restent vacant, c’est pourquoi des ions perdent un électron de manière à conserver l’électroneutralité du composé. La conductivité électrique est permise par les trous ainsi formés.

Par ces défauts des oxydes métalliques, on introduit des porteurs de charge (électrons ou trous vacants) qui conditionnent les propriétés électriques et optiques du matériau. Le retrait ou le don par un gaz adsorbé d’un porteur de charge modifie le nombre de ceux-ci et donc la conductivité. C’est pourquoi la mesure de la conductivité d’un matériau semi-conducteur permet de détecter des gaz. De manière générale, les gaz oxydant diminuent la conductivité alors que les gaz réducteurs l’augmentent pour les semi-conducteurs de type n. L’effet inverse est observé avec des semi-conducteurs de type p. [12]

La plupart des capteurs industriels sont utilisés de semi-conducteurs à base d’oxyde d’étain IV. Ils sont fortement sensibles aux gaz combustibles mais n’ont qu’une faible sélectivité. Néanmoins, d’autres oxydes peuvent être employés à la détection de gaz. [12]

En règle générale, la sensibilité du capteur pour un gaz donné est dépendante de la température : la sensibilité maximum est observée pour une température dite optimale. C’est pourquoi, en pratique, on essaie de travailler à cette température de manière à augmenter la sélectivité vis-à-vis de ce gaz et diminuer le temps de réponse. La valeur de l’humidité de l’air influence les capteurs semi-conducteurs en changeant le niveau de base de la résistance et la sensibilité. Il faut donc prendre en compte ce paramètre lors de l’utilisation des capteurs. Dans la plupart des cas, les caractéristiques sont assurées pour une température de 20 °C et des humidités relatives supérieures à 10 %. [12] C’est pourquoi, il faut surveiller cette sensibilité et prendre plutôt en compte l’évolution de la concentration en gaz que des mesures absolues. [16]

Il faut prendre en compte que les capteurs semi-conducteurs ne présentent pas une sélectivité importante. Ils ne sont donc pas destinés à des applications nécessitant des mesures précises de la composition de l’air. De plus, l’exploitation des résultats demande de connaître le lien entre la concentration du gaz étudiée et le signal du capteur. Ces informations sont obtenues grâce au modèle de fonctionnement du capteur. [12]

La figure ci-dessous présente un exemple de capteur semi-conducteur sur un support cylindrique d’alumine. Ce type de capteur est commercialisé par la société Figaro. [12]

 

 

 Figure 1 : Capteur à base de poudre de SnO2 frittées (doc. Figaro Engineering Inc.) 

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