Généralités sur les capteurs de gaz

Pour des raisons de santé et de sécurité, le domaine de la détection des espèces potentiellement nocives représente un domaine de recherche important. En effet, ces dernières années le marché des capteurs de gaz a connu une augmentation importante et les ventes ont atteint un record, selon le rapport O-S-D d’IC Insight [1].

Définition d’un capteur de gaz

Un capteur de gaz peut être d’écrit comme un composant dont au moins une de ses propriétés physiques change [2]. En général, le détecteur est constitué de deux composants principaux : l’élément sensible et le transducteur. L’élément sensible représente le cœur du capteur, sur lequel se passe la réaction avec la substance gazeuse [2]. Le transducteur est un dispositif qui permet de convertir le résultat d’une réaction entre le gaz et l’élément sensible en un signal (électrique ou optique) exploitable [2]. Parfois, l’élément sensible et le transducteur peuvent être confondus comme dans les capteurs à base d’oxyde métallique (MOX) [2].

Familles de capteurs de gaz

Dans le monde de l’industrie, il existe plusieurs types de capteurs de gaz. Nous décrivons dans cette partie quelques types de capteurs ainsi que leurs principes de fonctionnement [2].

Capteur à ondes acoustiques de surface 

Ce capteur est constitué d’un matériau piézo-électrique (quartz) sur lequel deux paires d’électrodes interdigitées sont déposées [2]. L’une des électrodes est utilisée pour l’excitation et joue le rôle d’un émetteur, alors que l’autre a pour mission de la réception et la détection des ondes après propagation [2]. Entre ces deux électrodes, une couche sensible est déposée sur le trajet de l’onde. Cette couche permet l’adsorption du gaz à détecter  [2]. Le principe de fonctionnement de ce capteur est similaire à celui des capteurs à microbalance de quartz. En effet, l’adsorption de l’espèce à détecter par la couche sensible modifie la propagation de l’onde et par conséquence sa fréquence [2,3].

Capteur à transistors à effet de champs (GASFET)

La structure de ce type de capteurs de gaz est la même d’un transistor MOS à effet de champs sauf que la grille du FET est constituée d’un oxyde métallique sensible au gaz et sur laquelle une membrane sensible à la substance à détecter est intégrée  [2]. En effet, lors de l’absorption, l’interaction de l’oxyde métallique avec l’espèce à détecter provoque une modification de la tension de seuil du FET [2]. Cette modification induit une variation de la concentration de porteurs au niveau du canal du transistor et de sa conductance [3].

Capteur électrochimique

La structure la plus simple de ce type des capteurs de gaz est composée d’une membrane semi-perméable jouant un rôle de barrière de diffusion, un électrolyte et deux électrodes entre lesquelles est appliquée une différence de potentiel [2]. Le principe de fonctionnement est basé sur une réaction d’oxydoréduction. L’absorption du gaz à détecter déclenche une réaction électrochimique spécifique, qui provoque une force électromotrice due au transfert de charge entre l’espèce gazeux et la cellule [2]. Ce type de capteur est très sensible et possède une bonne sélectivité aux gaz. Cependant, leur durée de vie est limitée et la mesure dépend de l’historique du capteur [4].

Capteur à fibre optique

Les deux principaux types de capteur de gaz à fibres optiques sont : les capteurs extrinsèques et les capteurs intrinsèques [3]. Pour le capteur extrinsèque, l’élément sensible se trouve à l’extrémité de la fibre optique, tandis que dans le cas du capteur intrinsèque, la surface de la fibre optique constitue elle-même l’élément sensible [3]. Le principe de fonctionnement est basé sur la modification de la propagation du rayonnement. En effet, la lumière dans la zone de mesure subit une modification en présence de la substance à détecter [3].

L’avantage de ces capteurs est qu’ils offrent la possibilité d’obtenir une mesure dans des environnements difficiles à accéder ou perturbés [2].

Les capteurs de gaz à base d’oxyde métalliques (MOX)

Le capteur de gaz à base d’oxyde métallique est principalement composé de matériaux semi-conducteurs aux quels d’autres oxydes ou des catalyseurs (tels que le platine ou le palladium) sont ajoutés [2].

Ils possèdent plusieurs avantages, tels qu’une intégration facile dans un système de détection complet avec des faibles coûts de fabrication et de maintenance [1]. Aussi, ils sont sensibles aux différents gaz, avec des temps de réponse relativement courts[1].

Principe de fonctionnement des capteurs MOX

Les capteurs chimiques actuels sont particulièrement intéressants car ils sont faciles à utiliser et ils possèdent une faible sensibilité aux grandeurs d’influence [2]. Les capteurs à base d’oxyde métallique (MOX) ne sont pas chers. Ils sont utilisés dans les applications domestiques, en plus ils sont disponibles sur le marché [2]. Le principe de fonctionnement de ces capteurs est basé sur la variation de la conductivité de la couche d’oxyde métallique lors de la mise en contact avec un environnement gazeux [2]. En effet, lorsque le gaz atteint la surface du matériau actif, la résistance entre les électrodes métalliques change proportionnellement avec la concentration du gaz [2]. Plusieurs oxydes métalliques sont utilisés dans les capteurs de gaz, tels que (WO3, ZnO, TiO2, In2O3, etc.), mais en raison de ses bonnes performances de détection, l’oxyde métallique le plus répandu est le dioxyde d’étain (SnO2) [2].

Pour les oxydes métalliques de type n (comme SnO2), la conductivité augmente en présence d’un gaz réducteur, tandis que la conductivité diminue en présence d’un gaz oxydant. Ceci est dû à une série de réactions physico-chimiques entre le matériau actif du capteur et les molécules de gaz adsorbées à sa surface [2].

Conception d’un capteur de gaz MOX

Le capteur de gaz à base d’oxyde métallique (MOX) est constitué de :
▪ Une couche sensible, qui forme la partie qui interagit avec le gaz cible.
▪ Des électrodes pour effectuer des mesures électriques. Les matériaux les plus utilisés pour fabriquer des électrodes sont : l’or (Au), le platine (Pt) ou l’aluminium (Al).
▪ Une partie chauffante pour contrôler et ajuster la température de la couche sensible entre 200 ° C et 500 ° C. Cette partie doit être isolée électriquement de l’électrode de mesure [2].