Brevet FR2812723A1 — publié le 20020208

L'invention concerne un capteur de molécules gazeuses réductrices dont l'élément sensible est l'oxyde d'étain. La détection et la mesure de la concentration en molécu- les nocives d'une atmosphère constituent un enjeu très impor- tant, notamment en raison de l'accroissement des émissions d'origine industrielle ou urbaine. Il est devenu nécessaire de détecter la présence de molécules nocives à des concentra- tions de plus en plus faibles, inférieures aux concentrations dangereuses pour l'homme. Le cas de l'oxyde de carbone CO que O10 l'on trouve notamment dans les gaz d'échappement et dans la fumée des cigarettes est exemplaire, ce gaz étant mortel à des concentrations extrêmement faibles, de l'ordre de 1 ppm. En outre, ces mêmes molécules doivent être détectées dans certains dispositifs industriels ou technologiques tels que les piles à combustible, o des concentrations très faibles provoquent par exemple l'empoisonnement de catalyseurs. Le seuil de sensibilité et la vitesse de détection sont les deux paramètres importants d'un capteur de ce type. Il est connu d'utiliser des capteurs à l'oxyde d'étain pour détecter les molécules gazeuses réductrices. La conductivité de l'oxyde d'étain, qui est un semi-conducteur intrinsèque, varie en fonction de la teneur en molécules réductrices de l'atmosphère. Il est admis que, en atmosphère non réductrice, de l'oxygène s'adsorbe aux joints de grains et refoule partiellement les états électroniques des joints de grains, rendant le matériau très résistif. En présence de molécules réductrices, la concentration en oxygène des joints de grains diminue, libérant ainsi les états électroniques au voisinage de la surface des grains, de part et d'autre de la surface de contact proprement dite. L'existence de ces états électroniques permet la conducSion d'électrons à travers les joints de grains. Il apparaît ainsi que la sensibilité des capteurs ayant de l'oxyde d'étain comme élément sensible augmente lorsque la taille des grains de l'oxyde diminue, c'est-à-dire lorsque la surface spécifique augmente et lorscue l'effet quantique de refoulement des états électroniques vers l'intérieur du grain est plus efficace. Toutefois, une diminution de la taille des grains provoque en général une diminution de la connectivité physique entre les grains au détriment de la conductivité. De tels capteurs dont l'élément sensible est de l'oxyde d'étain sont décrits notamment dans le numéro spécial " Gas- sensing Materials " de " Materials Research Society Bulletin ", publié en Juin 1998. Ils comprennent une couche d'oxyde d'étain polycristallin sur un support. Dans les dispositifs commercialisés, la taille des grains de l'oxyde d'étain est en général de l'ordre de 1 Hm. On connaît également des capteurs contenant de l'oxyde d'étain poly- cristallin comme matière active sous forme de grains ayant une dimension inférieure à 20 nm. Il s'agit essentiellement de dispositifs de laboratoire, élaborés en préparant l'oxyde à partir d'un métal obtenu par pulvérisation cathodique par ablation laser, par des procédés sol-gel, par précipitation ou par d'autres procédés de synthèse chimique. Lorsque l'oxyde est obtenu par un procédé sol-gel ou par une simple précipitation, il contient un solvant qu'il faut éliminer. Dans la plupart des cas, l'oxyde obtenu se présente sous forme d'une poudre de grains séparés, qu'il faut ensuite fritter et recuire pour qu'elle soit utilisable pour un capteur, et la connectivité physique des grains n'est pas garantie. En outre, le frittage aboutit à un matériau tridimensionnel sous forme de pastilles qui contiennent un nombre élevé de grains dans l'épaisseur. Le temps de réponse d'un capteur contenant un tel oxyde sera d'autant plus long que les pastilles seront plus épaisses, en raison du temps de diffusion des molécules gazeuses à détecter vers le coeur de la matière active du capteur. Un autre inconvénient du frittage réside dans le fait qu'il ne permet pas de mettre en forme le capteur. Une mise en forme des poudres peut être effectuée par des procédés consistant à incorporer les grains dans une encre, puis à tracer le capteur selon les techniques utilisées dans les imprimantes à jet d'encre. Cette technique donne toutefois des films dans lesquels les grains ne sont pas connectés à une échelle macroscopique par rapport à leur taille et elle introduit des solvants dans les grains. 3 2812723 Le but de la présente invention est de fournir un procé- dé d'élaboration de l'élément sensible d'un capteur de molécules réductrices comprenant une couche d'oxyde d'étain constituée de grains très fins ayant une très bonne cohésion physique. C'est pourquoi la présente invention a pour objet un procédé d'élaboration de l'élément sensible d'un tel capteur, ainsi que le capteur obtenu. Le procédé selon l'invention pour l'élaboration de l'élément sensible d'un capteur de molécules gazeuses réductrices est caractérisé en ce que: - au cours d'une première étape, on dépose par voie électrochimique sur la surface d'un support isolant une couche d'étain ayant une épaisseur inférieure à 1 pm, de préférence inférieure à 400 nm, en plaçant ledit support isolant dans une cellule électrochimique qui comprend une anode constituée par de l'étain et une cathode qui est un film conducteur appliqué sur la surface du support isolant à l'une de ses extrémités, les deux électrodes étant séparées par un électrolyte constitué par une solution de sel d'étain, et en faisant passer un courant d'intensité constante dans ladite cellule; - au cours d'une deuxième étape, on soumet la couche d'étain obtenue à une oxydation. L'intensité du courant est telle qu'elle crée une densité de courant comprise entre 1 pA/cm2 et 5 mA/cm2 dans le plan perpendiculaire aux électrodes et passant par le front de croissance du film qui se dépose. La concentration du sel d'étain dans l'électrolyte est comprise de préférence entre 10-3 mole/l et 10-1 mole/l. Dans un mode de réalisation, le support isolant sur lequel la couche doit être déposée constitue l'une des parois de la cellule électrochimique. Une plaque isolante sensible- ment de mêmes dimensions que ledit support isolant est paral- lèle audit support et sert simplement à fermer la cellule, afin de la protéger de l'air. L'écartement entre le support et la plaque isolante délimite le volume d'électrolyte. Le support et la plaque peuvent être maintenus écartés par les contacts métalliques qui permettent la circulation du courant 4 2812723 entre l'anode d'étain montée à l'intérieur de la cellule et la cathode constituée par un film conducteur déposé sur la face du support orientée vers l'intérieur de la cellule à l'une des extrémités de ladite face. La cathode peut être un film mince d'or ou d'un autre métal. Par exemple, si le métal formant la cathode est l'or, un film d'environ 1000 À est approprié. Pour mettre en contact la cathode constituée par un film d'or avec le galvanostat qui fournit l'intensité de courant requise, on peut utiliser des lames ou des fils de métal. Dans une cellule plate telle que définie ci-dessus, l'épaisseur e de la couche d'étain obtenue est déterminée simplement par la formule e = P x h x C/CM dans laquelle h représente la distance entre les deux plaques, c'est-à-dire la hauteur de l'électrolyte, C est la concentration en cations de l'électrolyte et CM est la concentration molaire de l'étain, c'est-à-dire le nombre de moles par litre d'étain à l'état solide. P est un paramètre lié à la mobilité du cation et de l'anion du sel suivant la formule P = 1 + (4c/Pa), Pc et Pa étant respectivement la mobilité du cation et de l'anion. En règle générale, les cations et les anions d'un sel ont une mobilité très proches, et P est voisin de 2. La formule simplifiée pour la détermination de e peut donc s'écrire: e = 2h x C/CM. Au début de l'étape d'électrolyse, la cathode sert d'amorce à la formation de l'étain qui s'effectue sous forme de couche sur le support. La couche d'étain qui se dépose ensuite reste adhérente au support. L'électrolyte peut être une solution aqueuse ou non aqueuse d'un sel d'étain. Les solutions aqueuses sont préférées. Le sel d'étain est de préférence le chlorure ou le sulfate d'étain. La concentration de sel dans l'électrolyte peut varier dans une très large mesure, suivant la qualité et la compacité du film que l'on souhaite obtenir. Une concentration entre 0,005 et 0,05 mole/l, plus spécialement entre 0,02 et 0,04 mole/l est particulièremen: préférée. On utilise de Dréférence une solution de sel d'étain conservée à l'abri de l'air, afin d'éviter la présence d'hydroxydes et de carbonates. Du fait que l'on opère à courant constant, la vitesse de croissance de la couche d'étain est proportionnelle à l'intensité du courant, c'est-à-dire au flux d'atomes. Lorsque l'on souhaite obtenir une couche d'étain homogène, on impose à la cellule électrochimique un courant ayant une intensité telle qu'elle crée une densité de courant comprise entre 0,05 et 5 mA/cm2 dans le plan perpendiculaire aux électrodes et passant par le front de croissance de la couche qui se dépose. Dans ce cas, lorsque l'électrolyte est une solution de chlorure d'étain préparée à partir d'une poudre de chlorure d'étain du commerce, on obtient des couches constituées de grains ayant une dimension moyenne de l'ordre de 300 nm. Lorsque l'on utilise un électrolyte obtenu en diluant à 0,01 mole/l, juste avant l'utilisation, une solution commerciale de chlorure d'étain très concentrée et fortement acide, (par exemple des solutions commercialisées pour la sensibilisation des surfaces avant argenture dans les procédés dit Electroless) la couche qui se dépose sur le support est constituée de pastilles en forme de disque ayant une épaisseur d'environ 5 nm et une circonférence d'environ nm lorsque la densité de courant dans la cellule électrochimique est inférieure à 1 mA/cm2, cette structure étant déterminée par AFM (microscopie à force atomique). La sensibilité aux atmosphères réductrices étant liée à des phénomènes d'écrantage entre les molécules adsorbées et le matériau actif du capteur, c'est la plus petite dimension des grains qui oriente les propriétés du capteur. Dans le cas présent, les performances sont donc particulièrement bonnes. En règle générale, lorsque l'on souhaite obtenir une couche dendritique, on impose à la cellule électrochimique une intensité de courant comprise entre 1 et 100 pA, de préférence entre 5 et 50 pA. Aux intensités inférieures à environ 1 pA, il se forme des macrocristaux qui sont peu intéressants pour les capteurs. Aux intensités supérieures à 100 pA, le métal ne se dépose plus sous forme de couche sur le support, mais il se forme dans le liquide. Il peut aussi se produire une électrolyse de l'eau au lieu d'un dépôt métallique. Lorsque l'électrolyte est une solution de sel 6 2812723 d'étain fortement acide, il est nécessaire d'imposer une densité de courant supérieure à 20 pA pour obtenir une couche dendritique. Dans un mode de réalisation particulier, on utilise comme support pour le dépôt d'une couche dendritique d'étain, un support sur l'une des faces duquel on a gravé des micro-rayures. Dans ce cas, les dendrites de la couche qui se forme lors de l'électrolyse suivent le tracé des micro- rayures. On obtient ainsi un micro-fil polycristallin dont l'épaisseur et la section ne contiennent qu'un très faible nombre de grains, voire un grain unique en épaisseur. Ces grains ont une dimension inférieure ou égale à 1 pm, généralement de l'ordre de 100 à 300 nm. L'oxydation de la couche d'étain déposée sur le support peut être effectuée par oxydation à l'air. Il est avantageux d'effectuer un traitement thermique simultané, pour accélérer l'oxydation et l'adsorption d'oxygène aux joints de grains. L'oxydation et l'adsorption d'oxygène se traduisent par une augmentation significative de la résistance de la couche jusqu'à un pallier qui dépend de l'épaisseur de la couche. Lorsque la couche est ensuite soumise une atmosphère réductrice, on observe une baisse significative de la résistivité en quelques secondes à la température ambiante. Lorsque la couche est remise en atmosphère normale, la résistance retrouve sa valeur initiale en quelques dizaines de secondes à la température ambiante. L'oxydation de la couche d'étain obtenue lors de la première étape du procédé peut être effectuée après avoir construit le capteur. Dans ce cas, lorsque la couche d'étain a atteint la longueur souhaitée sur le support au cours de la première étape, on ouvre la cellule électrochimique, par exemple en retirant la plaque isolante ayant servi à fermer la cellule sur sa partie supérieure. La couche reste bien adhérente au support isolant sur lequel elle s'est déposée. Après avoir éliminé l'électrolyte, on colle deux fils d'argent ayant quelques dixièmes de millimètre de diamètre sur la couche d'étain à ses extrémités, lesdits fils d'argent étant destinés à servir d'électrodes pour le capteur. L'ensemble constitué par le support isolant portant la couche d'étain munie des fils d'argent est ensuite soumis à une atmosphère oxydante, par exemple l'atmosphère ambiante, éventuellement avec un traitement thermique. Le procédé d'élaboration de la couche d'oxyde d'étain est particulièrement avantageux dans la mesure o il produit de l'oxyde d'étain très pur et sous forme de couche très finedirectement sur le support qui fera partie du capteur. En outre, il permet de travailler à température ambiante, en milieu liquide, sans mise en ouvre de techniques délicates. Par le contrôle de l'intensité du courant appliqué lors de l'électrolyse, on peut orienter l'épaisseur et la morphologie de la couche déposée (couche homogène ou couche dendritique). En outre, le fait que le courant circule dans les grains pendant le dépôt de l'étain sous forme de métal garantit que les grains d'oxyde d'étain obtenus après oxydation de la couche d'étain seront physiquement connectés. De manière surprenante, l'oxydation de la couche d'étain ne provoque pas de déconnexion des grains dans une mesure qui aurait pu modifier les propriétés de conductivité de la couche d'oxyde utilisée comme élément sensible d'un capteur. Dans les procédés de l'art antérieur pour la préparation d'oxyde d'étain, il nécessaire d'appliquer des traitements particuliers, par exemples des frittages, ou des traitements thermiques sévères tels que des calcinations, pour obtenir un matériau conducteur. Enfin, du fait que l'élément sensible du capteur de la présente invention est élaboré en milieu liquide, il est parfaitement apte à fonctionner dans un tel milieu. Selon la présente invention, un élément sensible de capteur de molécules réductrices gazeuses est constitué par un support isolant revêtu d'une couche d'oxyde d'étain et il est caractérisé en ce que la couche d'oxyde d'étain est polycristalline et a une épaisseur inférieure à 1 pm, de préférence inférieure à 400 nm. Dans un mode de réalisation particulier, la couche d'oxyde d'étain est substantiellement monograin dans l'épaisseur, c'est-à-dire la taille des grains est sensiblement équivalente à l'épaisseur de la couche d'oxyde. 8 2812723 Un capteur de molécules gazeuses réductrices peut être constitué par un élément sensible selon l'invention relié à deux électrodes, un contrôleur et un ohm-mêtre ou un pont d'impédance. Dans un mode de réalisation particulier, la couche d'oxyde d'étain est une couche homogène. Dans un autre mode de réalisation, la couche d'oxyde d'étain a une morphologie dendritique. Les joints de grains sont très accessibles à l'atmosphère. En outre, la sEructure en arbre des grains est assimilable à une structure en fil. La présence de petits grains sur le trajet du courant, le long de ce fil, suffit à rendre le capteur performant. L'on constate également que certains grains présentent des tailles de guêpe qui, sans constituer de véritables joints de grains, restent des lieux privilégiés pour la détection du changement de conductivité lié à la présence de molécules réductrices. La structure en fil peut être accentuée en utilisant un support dans lequel des micro-rayures ont été gravées. Cette technique est aisée et permet d'obtenir des alignements de grains de forme quelconque, car le dépôt des grains se fait le long de la rayure qui peut avoir une forme rectiligne ou une forme quelconque. La présente invention est décrite plus en détail par référence aux exemples donnés ci-après. Exemple 1 Préparation d'une couche d'oxyde Pour la première étape du procédé, à savoir pour la pré- paration du film d'étain, on a utilisé une cellule électrochimique constituée par une lame de microscope (servant de support pour le dépôt) et une lamelle de microscope ayant toutes deux 1,8 cm de côté, maintenues espacées de 0,1 mm par deux feuilles rectangulaires découpées dans une feuille d'étain métallique (commercialisée par la société Goodfellow), l'une des feuilles assuranh la connexion entre le générateur et la cathode, l'autre feuille assurant la connexion entre le générateur et l'anode. L'électrolyte était une solution aqueuse acide à 0,1 mole/1 de chlorure d'étain. La cathode était constituée par un film d'or de 1000 À d'épaisseur, appliqué par évaporation à l'une des extrémités de la face interne de la lame servant de support, le reste de cette face interne ayant été au préalable sensibilisé par évaporation d'une couche d'or ayant une épaisseur de 20 A, non conductrice de courant. L'intensité du courant I fournie par le galvanostat était de 30 pA. Les mesures effectuées ont montré que les tailles de grains sont typiquement comprises entre 200 et 600 nm. La couche d'étain a ensuite été oxydée par chauffage à C pendant 4 heures dans une enceinte dans laquelle on a fait circuler de l'air. Exemple 2 Essais de détection Un capteur comprenant comme élément sensible une couche dendritique ayant des grains de l'ordre de 400 nm a été utilisé pour détecter l'oxyde de carbone contenu dans la fumée de cigarette. Les contacts entre le support constitué par la lame de microscope revêtu de la couche d'oxyde d'étain, et un ohm-mêtre ont été réalisés à l'aide de laque d'argent déposée sur la couche et de fils d'argent. Une fumée de cigarette a été aspirée dans une enceinte en verre ayant une contenance de 0,5 1, maintenue close. Lorsque la température de la fumée a atteint la température ambiante, on a ménagé une ouverture dans l'enceinte, d'environ 5 cm de diamètre et on a aussitôt approché le capteur à quelques cm de l'ouverture, puis on l'a éloigné. Les opérations de rapprochement et d'éloignement ont été répétées plusieurs fois, la résistivité du capteur étant mesurée en continu. On a constaté un temps de réponse de 2,5 secondes, lorsque le capteur est mis en contact avec la fumée alors que les capteurs à l'oxyde d'étain de l'art antérieur, dit capteurs Taguchi, ont un temps de réponse de l'ordre de 10 secondes à 1 min suivant les types. Lorsque le capteur de 2812723 l'invention est éloigné de la fumée, il retrouve sa résistivité nominale en 30 secondes. Des mesures comparatives ont été effectuées avec un capteur analogue, ne comportant pas de film d'oxyde d'étain, l'élément sensible étant constitué de la plaque de microscope portant la laque d'argent et relié à l'ohm-mêtre par des fils d'argent. Aucune modification de la résistivité n'a été constatée lors de la mise en contact avec la fumée de ce capteur comparatif. l1 Revendications 1. Procédé pour l'élaboration de l'élément sensible d'un capteur de molécules gazeuses réductrices, caractérisé en ce que: - au cours d'une première étape, on dépose par voie électrochimique sur la surface d'un support isolant une couche d'étain ayant une épaisseur inférieure à 1 pm, en plaçant ledit support isolant dans une cellule électrochimique qui comprend une anode constituée par de l'étain et une cathode qui est un film conducteur appliqué sur la surface du support isolant à l'une de ses extrémités, les deux électrodes étant séparées par un électrolyte constitué par une solution de sel d'étain, et en faisant passer un courant d'intensité constante dans ladite cellule; - au cours d'une deuxième étape, on soumet la couche d'étain obtenue à une oxydation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on applique une intensité de courant telle qu'elle crée une densité de courant comprise entre 1 pA/cm2 et 5 mA/cm2 dans le plan perpendiculaire aux électrodes et passant par le front de croissance de la couche qui se dépose. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la densité de courant est comprise entre 0,05 mA/cm2 et mA/cm2. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la densité de courant est inférieure à 1 mA/cm2. 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la densité de courant est comprise entre 1 pA/cm2 et IA/cm2. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la concentration du sel d'étain dans l'électrolyte est comprise entre 10-3 mole/l et 10-1 mole/l. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la concentration du sel d'étain dans l'électrolyte est comprise entre 0,005 mole/l et 0,05 mole/l. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que: 12 2812723 - le support isolant sur lequel la couche doit être déposé constitue l'une des parois de la cellule électrochimique; - une plaque isolante sensiblement de mêmes dimen- sions que ledit support isolant est parallèle audit support et sert à fermer la cellule, l'écartement entre le support et la plaque isolante délimitant le volume d'électrolyte; - le support et la plaque sont maintenus écartés par des contacts métalliques qui permettent la circulation du courant entre l'anode d'étain montée à l'intérieur de la cellule et la cathode constituée par un film conducteur déposé sur la face du support orientée vers l'intérieur de la cellule et à l'une des extrémités de ladite face. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cathode est un film mince d'or ayant une épaisseur d'environ 1000 A. 10. Elément sensible de capteur de molécules réductri- ces gazeuses, constitué par un support isolant revêtu d'une couche d'oxyde d'étain, caractérisé en ce que la couche d'oxyde d'étain est polycristalline et a une épaisseur inférieure à 1 pm. 11. Elément sensible de capteur selon la revendication , caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche d'oxyde d'étain est inférieure à 400 nm. 12. Elément sensible de capteur selon la revendication , caractérisé en ce que la couche d'oxyde d'étain est substantiellement monograin dans l'épaisseur. 13. Elément sensible de capteur selon la revendication , caractérisé en ce que la couche d'oxyde d'étain a une structure homogène. 14. Elément sensible de capteur selon la revendication , caractérisé en ce que la couche d'oxyde d'étain a une structure dendritique. 15. Elément sensible de capteur selon la revendication 14, caractérisé en ce que la couche d'oxyde d'étain est sous forme de microfil polycristallin.