Réalisation d'un capteur de gaz MOX

Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Université des Sciences et de la Technologie d'Oran Mohamed Boudiaf
Faculté des Sciences
Département de Physique

Spécialité : physique Option : Traitement de Surface et Structure

des Matériaux

Mr : BENDIEMRAD MANSOUR KAMAL
Soutiendra publiquement un mémoire de Magister intitulé :

Réalisation d'un capteur de gaz

le : / 11/ 2009

Devant le jury composé de : Président : Saïd HIADSI Rapporteur : Saad HAMZAOUI Examinateur : Ahmed BELASSRI Examinateur : Moustafa BOUDERBALA Membre invité : Zoubida BELGHOMARI

Professeur Professeur Professeur Maitre de conférence Maitre assistante

U.S.T.O (M.B) U.S.T.O (M.B) U.S.T.O (M.B) U.S.T.O (M.B) U.S.T.O (M.B)

Je tiens à remercier prioritairement le professeur Saad HAMZAOUI pour m'avoir accueilli au sein du laboratoire de microscopie électronique et sciences des matériaux (LME&SM), encadré, orienté, assisté, et guidé sur les travaux objet de mon mémoire. Les remerciements hors protocolaires s'expriment loyalement et sincèrement pour ses qualités tant humaines que scientifiques, qu'il trouve ici l'expression de toute ma gratitude pour avoir mis à ma disposition tous les moyens disponibles au laboratoire et pour n'avoir jamais cesser de me prodiguer conseils, assistances et aides.

Je souhaite remercier le professeur S. HIADSI pour avoir bien voulu me faire l'honneur de présider le jury.

Je tiens également à témoigner ma reconnaissance à Mr A. BELASSRI et Mr M. BOUDERBALA qui ont accepté d'être membres du jury, ainsi que Mme Z. BELGHOMARI qui a bien voulue examiner ce travail et participer au jury.

Mes remerciements s'adressent également à l'ensemble des personnes que j'ai fréquemment sollicitées dans le cadre de mon travail.

Enfin je tien à remercier l'ensemble de mes amis et de mes connaissances pour leur aides et soutien morale, tendant à faciliter mes tâches.

Merci à tous et toutes.

Résumé

L'objectif de ce travail est la réalisation de capteurs à gaz à base de couches minces d'oxyde de zinc (ZnO) dopées et non dopées, avec un mini four intégré (conçu avec une double couche de nickel plus tungstène) sur un wafer de Si poly cristallin, afin de contrôler et de réguler à plus au moins un degré Celsius (1°C) de précision.

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

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

L'état de surface observe 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 dope Cu présente des tailles de grains et de colonne double de celle des autres.

Cette sensibilité ne peut par consequent pas être expliquee par l'effet morphologique. L'explication serait dans un effet catalytique du Cu ?

Mots clés : capteur de gaz MOX, oxyde de zinc, mini-four, couches minces, sensibilité, détection.

Table des matières

Introduction générale 14

Chapitre I Les capteurs de gaz (chimiques)

Partie 1 : Rappel sur les capteurs de gaz et capteur à base d'oxyde métallique
(MOX), cas de l'oxyde de Zinc ; propriétés et application pour la détection des gaz.

I.1 Introduction 19

I.2 Définition d'un capteur de gaz .. 19

I.3 Principales familles de capteurs 19

I.3.1 Capteur Direct . 21

I.3.1.1 Capteur à transistors à effet de champs (GASFET ou ChemFET) .. 21

I.3.1.2 Capteur Electrochimique 21

I.3.1.3 Capteur à base d'oxyde métallique .. 22

I.3.2 Capteur Indirect (Complexe) ... 22

I.3.2.1 Capteur à microbalance de quartz 22

I.3.2.2 Capteur à onde acoustique de surface 23

I.3.2.3 Capteur à fibre optique 24

I.4 Caractéristique d'un capteur de gaz . 24

I.4.1 Sensibilité . 24

I.4.2 Sélectivité . 25

I.4.3 Stabilité 25

I.4.4 Température de fonctionnement .. 25

I.4.5 Temps de réponse . 25

I.5 Capteurs de gaz à base d'oxyde métallique (MOX) 26

I.5.1 Matériaux sensibles 26

I.5.2 Structure d'un capteur MOX ... 26

I.5.3 Principe de fonctionnement 27

I.5.3.1 Conductivité du ZnO 27

I.5.3.2 Interaction gaz - solide .. 27

I.5.3.3 Adsorption à la surface d'un oxyde métallique 28

I.5.3.3.1 Chimisorption dans un semiconducteur 28

I.5.3.4 Mécanisme mise en jeu dans un oxyde métallique pour la déviation du type

Semiconducteur .. 36

I.5.3.4.1 Mécanisme de la non stoechiométrie a conductivité n 36

I.5.3.4.2 Mécanisme de la non stoechiométrie a conductivité p 36

I.5.3.4.3 Effet de la morphologie sur les propriétés électrique des oxydes

métalliques .. 37

I.5.3.4.4 A propos des joints de grains . 37

I.5.3.4.5 Rôle d'état de surface dans les oxydes métalliques 38

I.5.3.5 Rôle de l'oxygène et principe de détection 39

I.6 L'oxyde de zinc (ZnO) .. 41

I.6.1 Propriété de l'oxyde de zinc (ZnO) . 41

I.6.2 Structure cristalline du ZnO 41

I.6.3 Structure Electronique du ZnO 43

I.6.4 Propriété électrique de l'oxyde de zinc 44

Partie 2 : Phénomène de chauffage dans une couche mince métallique et transfert
de chaleur.

I.7 Introduction 47

I.8 Propriétés générales des matériaux métalliques on couche mince à usage

thermique 47

I.9 Conductivité électrique dans une couche mince métallique . 48

I.10 Dissipation de la chaleur par effet joule dans une couche mince métallique 50

I.11 Phénomène de transfert de chaleur . 53

I.11.1 Phénomène de diffusion de la chaleur : métal/isolant 54

Chapitre II Procédure expérimentale et Techniques de caractérisation