Réalisation d'un capteur de gaz MOX

III.6.3.1 Mesure de sensibilité des capteurs CG1, CG2, CG3 et CG4

Figure III.28. Evolution de la Sensibilité de deux capteurs CG1 : (a) élément sensible (ZnO
non dopé) soumis à un recuit à 500 °C avant exposition au gaz d'éthanol, (b) élément sensible
(ZnO non dopé) testé directement après dépôt de la couche sensible, pour une concentration
d'éthanol : C1 = 337 ppm.

Remarque 8 :

L'échantillon recuit à 500 °C donne une meilleure sensibilité (S = 90) que l'échantillon tester directement après dépôt (S = 10).

	(a)
	(b)

Figure III.29. Evolution de la Sensibilité d'un capteur CG1 durant trois tests, pour une
concentration : (a) C1 = 337 ppm, (b) = 194 ppm.

	(a)
	(b)

Figure III.30. Evolution de la Sensibilité d'un capteur CG2 durant trois tests, pour une
concentration : (a) C1 = 337 ppm, (b) = 194 ppm.

	(a)
	(b)

Figure III.31. Evolution de la Sensibilité d'un capteur CG3 durant trois tests, pour une
concentration : (a) C1 = 337 ppm, (b) = 194 ppm.

	(a)
	(b)

Figure III.32. Evolution de la Sensibilité d'un capteur CG4 durant trois tests, pour une
concentration : (a) C1 = 337 ppm, (b) = 194 ppm.

Les mesures de sensibilité des quatre capteurs de gaz envers le gaz d'éthanol montrent

₁er

une piètre sensibilité du ZnO dopé aluminium, une très forte sensibilité (la plus importante)

2éme test
éme

du ZnO dopé cuivre et une forte sensibilité du ZnO pur essentiellement celui recuit à 500 °C.

3ém test 3éme test

Remarques générales :

Taille des grains = 1/10 taille d'une colonne.

En montée de température il n'y a pas de réponse du capteur pour le gaz d'éthanol, par contre en descente il y a une réponse électrique.

Les grains dans le ZnO dopé Al sont petites mais ne donnent pas une bonne réponse au gaz d'éthanol, tendis que le ZnO dopé Cu et non dopé donne une meilleur réponse.

Ce travail effectué au laboratoire de microscopie électronique et sciences des matériaux, nous a permis à travers plusieurs démarches de réaliser des capteurs de gaz à base d'oxyde de zinc dopé (Al et Cu) et non dopé, avec un mini four intégré (conçu avec une double couche de nickel plus tungstène) sur un wafer de Si poly cristallin.

L'objectif visé était de faire en sorte qu'une fois le capteur finalisé, il puisse fonctionner, et donc pouvoir détecter différents gaz ayant un impact sur l'environnement (dans notre cas le gaz d'éthanol).

Pour cela, nous avons conçu un banc de test spécifique, ou il comprend d'une part un système d'alimentation du mini four (plateforme chauffante du capteur), et d'autre part un système de mesure de la réponse de l'élément sensible du capteur.

Le travail expérimental à comporté deux approches.

- La première procédure consiste à réaliser le capteur. A savoir la préparation du wafer de Si poly-cristallin comme plateforme d'intégration d'une partie du capteur, suivi de son oxydation sous un flux constant d'air (humidité plus oxygène) dans un four à moufle, ensuite le découpage en dimension égale selon la disposition des contacts de mesures mises en place (L x l) = (2 x 5) mm, et en fin la dernière étape celle du dépôt des différents couches minces métalliques (nickel plus tungstène ) d'une face et semiconductrices (ZnO pur et dopé (Al :1%, 3% et Cu :1%) de l'autre face.

- La deuxième procédure fait intervenir son aptitude à détecter le gaz d'éthanol.

Nous avons obtenus quatre types de capteurs : ZnO pur, ZnO dopé Al 1% et 3 % et ZnO dopé Cu 1%.

Nous avons aussi put atteindre les 400 ^°C grace à l'apport du mini four en (Nickel plus Tungstène) avec une précision de 0.5 °C, pour un courant de 243 mA et une tension de 13 Volts.

L'état de surface observé par MEB présente une structure colonnaire pour toutes les

couches avec des tailles de grains observé par DRX correspondant à de la taille des

colonnes.

L'échantillon dopé Cu présente des tailles de grains et de colonne double de celle des autres.

Les mesures électriques effectuées sur ses capteurs ont montré une grande sensibilité au gaz d'éthanol pour celui dopé Cu (S = 250), une sensibilité moyenne pour le non dopé (S = 28) et une faible sensibilité pour le dopé Al (S = 3).

Cette sensibilité ne peut, par conséquent être expliquée par l'effet morphologique, l'explication serait plutôt dans un effet catalytique du Cu ?

En perspective une étude plus détaillée sur ce dernier effet doit être entreprise.

La puissance fournie au capteur reste toujours importante (3 Watts), nous espérons par des techniques de gravures atteindre des puissances beaucoup plus petite (de l'ordre du dixième de Watts).

Dans le cas des mini-capteurs, les problèmes de contact se posent de façon cruciale. Une étude appropriée doit être aussi poursuivie.

[1] K. An NGO, Etude d'un système multicapteur pour la détection sélective des gaz, Thèse de Doctorat, UNIVERSITE PAUL CEZANNE AIX-MARSEILLE III, 2006.

[2] J. FRADEN, Handbook of Modern Sensors Physics, Designs, and Applications, 3rd Edition Springer, 2004.

[3] N. Taguchi, Japanese Patent Application No. 45-38200, 1962.

[4] M. Penza, E. Milella and V. I. Anisimkin, Monitoring of NH3 gas by LB polypyrrolebased SAW sensor, Sensors and Actuators B 47 (1998) 218-224.

[5] Pavel Ripka et Alois Tipek, Modern Sensors Handbook, 1^st edition ISTE, 2007.

[6] M. K Bendimerad, Réalisation d'un capteur de gaz à base de couches mince d'oxyde de zinc avec un micro four intégré, Mémoire d'ingéniorat, Université d'U.S.T.O.M.B, 2007.

[7] H. BAHA, Conception d'un capteur de gaz intelligent, Mémoire de magister, Université de Batna, 2007.

[8] Y. BAKHA, Adsorption des gaz sur des couches d'oxyde de zinc préparées par la technique pyrolyse spray, Mémoire de magister, Université d'U.S.T.O.M.B, 2007.

[9] Matthias Batzill, Ulrike Diebold, The surface and materials science of tin oxide, progress in surface science, 79 (2005) 47-154.

[10] D. Cherrad, Élaboration et Etude technologique des couches minces T.C.O de type « n »et « p » par micro pipetage et procédé rf, Application : à la détection des polluants, radiations ultraviolettes, jonction « pn », Mémoire de magister, Université d'U.S.T.O.M.B, 2008.

[11] J.E.Housten, Kohnke, J.Appl.phys, 36(12) (1965) 3931-3938.

[12] K-S Weibenrieder; j Muller, Thin solid films, 30-41 (1997) 300.

[13] M. Gaidi, Films minces de SnO2 dopés au platine ou au palladium et utilisés pour la détection des gaz polluants : analyses in situ des corrélations entre la réponse électrique et le Comportement des agrégats métalliques, Thèse de doctorat de l'INP de Grenoble, 1999.

[14] A. Varpula et al, Sensors and Actuators: B (2007) 12-013.

[15] D R PATIL, L A PATIL et D P AMALNERKAR, Ethanol gas sensing properties of Al2O3-doped ZnO thick film resistors, Bull. Mater. Sci, 30-6 (2007) 553-559.

[16] N. Hongsith, S. Choopun, P. Mangkorntong et N. Mangkorntong, Ethanol Sensing Properties of Zinc Oxide Nanobelts Prepared by RF Sputtering, Department of Physics, Faculty of Science, Chiang Mai University, Chiang Mai 50200, Thailand.

[17] K. Ellmer, A. Klein and B. Rech, Transparent Conductive Zinc Oxide basics and applications in thin film solar cells, Materials Science, Springer, 2008.

[18] F. Boutaba, Réalisation d'un transducteur à base de couches minces d'oxyde de zinc dopé cuivre, Mémoire de magister, Université d'U.S.T.O.M.B, 2005.

[19] AEK. Safou, Réalisation d'un transducteur piézoélectrique IDT miniature à base d'une couche mince de ZnO dopé cuivre, mémoire de magister, Université d'U.S.T.O.M.B, 2009.

[20] U. Özgür, Ya. I. Alivov, C. Liu, A. Teke, M. A. Reshchikov, S. Doðan,c_ V. Avrutin, S.J. Cho, and H. Morkoçd, A comprehensive review of ZnO materials and devices, Journal of Applied Physics, 98 (2005) 041301.

[21] Y. Min, Properties and sensor performance of ZnO thin films, thèse de doctorat, Massachusetts Institute of Technology MIT, 2003.

[22] M. Zerdali, Etude et Réalisation de Transducteur SAW à base de Couches Minces de type II-VI ZnO, thèse de doctorat, Université d'U.S.T.O.M.B, 2007.

[23] C. Kittel, physique de l'état solide, 7^e édition Dunod, Paris, 1998.

[24] S. Bories, M. Prat, transfert de chaleur dans les milieux poreux, Techniques d'ingénieur (2000), Traité génie énergétique B 8 250.

[25] A. Richardt, I. Richardt, les évaporations sous vide, Edition INFINE Paris 2000.

[26] A. Richardt, A. M Durand, Le vide- les couches minces-les couches dures, Edition INFINE Paris ,1994.

[27] J. J. Béssot, Dépôt par pulvérisation cathodique, Technique de l'ingénieur M 1 (1985) 657-1.

[28] Geraldine C. Schwartz, Kris V. Srikrishnan, Handbook of semiconductor interconnection technology, 2^nd edition Taylor & Francis Group, 2006.

[29] Francis Lévy, Physique et technologie des semiconducteurs, Traité des matériaux, presses polytechniques et universitaires Romandes, 1995.

[30] DIETER K. SCHRODER, Semiconductor material and device characterization, 3rd edition IEEE press and Wiley-Interscience, 2006.

[31] Weiping Yan, Henan Li, Yongbian Kuang, Liqun Du, Jihong Guo, Nickel membrane temperature sensor in micro-flow measurement, Journal of Alloys and Compounds 449 (2008) 210-213.

[32] M. Sahal, B. Hartiti, B. Mari, A. Ridah1, M. Mollar, Etude des propriétés physiques des couches minces de ZnO dopées Al, préparées par la méthode de « sol-gel » associée au « spin coating », Afrique SCIENCE 02(3) (2006) 245 - 254.

[33] H. Kin, A. Pique, JSHorwitz, H. Murata, Z.H. Kafafi, C.M. Gilmore, D.B. Chresey, Thin Solid Films, 377-378 (2000) 798.

[34] P. P. SAHAY, Zinc oxide thin film gas sensor for detection of acetone, JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE 40 (2005) 4383 - 4385.

[35] M. Graf, A. Gurlo, N. Barsan, U. Weimar2 et A. Hierlemann, Microfabricated gas sensor systems with sensitive nanocrystalline metal-oxide films, Journal of Nanoparticle Research (2006) 8:823-839.

131

a) Bac ultrasons de type BRANSON YAMATO 3200.

b) Générateur d'azote N2.

c) Substrat de Silicium polycristallin avant oxydation.

d) Four d'oxydation thermique de Si.
		e) Substrat de Silicium polycristallin après oxydation thermique.
f) Système de pulvérisation cathodique radiofréquence de type ULVAC KIKO RFS 200.

h) Microscope électronique à balayage de type HITACHI S2500.

i) Montage utilisé pour la mesure de la

résistivité électrique des couches

minces semiconductrice et

d'épaisseur des couches minces

métalliques.

a) b) c) d) e)

g) Différents capteur de gaz élaborés au laboratoire. A. capteur à base de ZnO. B. capteur à base de ZnO : 3%Al. C. capteur à base de ZnO : 1%Al. D. capteur à base de ZnO : 1%Cu. E. système de chauffage.

j) Montage expérimentale pour tester le capteur de gaz.