Brevet FR2947904A1 — publié le 20110114

- 1 - La présente invention concerne un capteur électrochimique dédié à la mesure de l'oxygène dissous pouvant atteindre une limite de détection inférieure à 10 gg/L sur une gamme de température élargie 0 °C - 100 °C. Les capteurs d'oxygène dissous traditionnellement utilisés sont d'origine électrochimique dont le principe de fonctionnement repose sur des processus chimiques d'oxydoréduction. Le fonctionnement de ce type de capteur nécessite l'utilisation d'électrolytes liquides aqueux, piégés dans une cavité électrolytique protégée du milieu de mesure par une membrane de faible épaisseur semi-perméable à l'oxygène. Ces éléments limitent la gamme de fonctionnement en température du capteur d'oxygène dissous qui dans le meilleur des cas atteint 80°C. En effet lorsque la température du milieu de mesure tend et dépasse les 100°C, les dispositifs de mesure ne peuvent plus donner une valeur correcte de la concentration en oxygène dissous du fait de la modification de l'électrolyte et de la structure. Ainsi, il est difficile de donner une mesure de l'oxygène dissous sur une gamme de température dépassant les 80°C. Enfin, la résistance thermique de ces capteurs ne permet pas leur stérilisation (120°C-140°C), sauf pour certains dispositifs permettant indirectement de maintenir l'électrolyte en dessous de son point d'ébullition par l'utilisation de membrane indéformable qui assure le maintient de la cavité électrolytique à volume constant. Par une augmentation de la pression lorsque la température augmente, la température d'ébullition est augmentée. Le capteur d'oxygène dissous électrochimique selon l'invention permet par l'adoption d'une méthode directe de remédier à ces 25 inconvénients. Le capteur est réalisé en technologies microsystèmes sur le principe de la pile de Hersch, il s'agit d'une structure en deux parties, réalisées et assemblées par les technologies de fabrication collective issues de la micro-électronique. 30 Une première partie appelée partie inférieure supporte deux électrodes : une cathode sur laquelle vient se réduire l'oxygène et une anode, cette partie inférieure comporte une cavité électrolytique micro-usinée qui accueillera les matériaux électrolytiques. Une seconde partie recouvrant la partie inférieure précédente est 35 appelée partie supérieure. Sur cette partie supérieure, un puits est micro-usiné, autorisant ainsi le contact du milieu de mesure située sur une face avec la membrane semi-perméable assemblée mécaniquement sur l'autre face de cette partie supérieure. La membrane utilisée permet d'isoler la cavité électrolytique du 46 milieu de mesure, il s'agit avantageusement d'un film en - 2 - polytétrafluoroéthylène de 12,5pm d'épaisseur, ce matériau semi-perméable à l'oxygène dissous permet la diffusion contrôlée de l'oxygène du milieu de mesure vers le capteur. L'électrolyte, permettant la réaction électrochimique de la pile de Hersch, doit être stable sur une gamme de température élargie (0 °C - 100 °C) et doit résister aux températures de stérilisation (maximum 140 °C). Les réactions électrochimiques de la pile de Hersch pour ce capteur sont les suivantes : Réaction cathodique (cathode Au) : 02 + H20 + 2e- -4 HO2 + OHHOz + H20 + 2e- -4 30H- 02 + 2H20 + 4e- -> 40HEquation E 1 Réaction anodique (anode Pb) : Pb + 20H- -+ 2e- + PbO + H20 Equation E 2 Réaction bilan : 02 + 2Pb -* 2PbO Equation E 3 Cette réaction électrochimique spontanée en présence d'oxygène génère un courant directement proportionnel à la concentration d'oxygène dissous présent dans le milieu. Ce courant est mesuré entre l'anode et la cathode et est compensé en température. Les dessins annexés illustrent l'invention. La figure 1 représente, la chaine de mesure du paramètre oxygène dissous. En référence à ce dessin, la sonde (1) constituée d'un corps de sonde (4) sur lequel est vissé le capteur (5). Sur la face avant (2) du capteur (5), un orifice (8) permet l'accès au milieu de mesure (3). La sonde (1) est reliée à une unité de traitement du signal (7) par un câble de liaison (6). La figure 2 représente, une vue en coupe du capteur selon l'invention. En référence à ce dessin, le capteur est constitué de deux parties en silicium micro-usiné. Une partie inférieure (16), comportant une5 - 3 - cavité électrolytique (il), une cathode centrale (10) et une anode latérale (9). Une partie supérieure (13), dispose d'un puits (14) permettant le contact du capteur avec le milieu de mesure. Une membrane en polytétrafluoroéthylène (12) est fixée sur une face (15). La cavité électrolytique (11) est occupée par un électrolyte (11) qui peut être de deux types. Un premier étant un hydrogel à base de polyhydroxyéthylméthacrylate et d'électrolyte liquide aqueux. Cet électrolyte est réalisé par photopolymérisation radicalaire sous UV, d'un monomère 2-hydroxyéthyméthacrylate et d'un électrolyte liquide aqueux à base d'hydrogénocarbonate de potassium de concentration molaire 1M. Le mélange monomère et électrolyte liquide aqueux est déposé dans la cavité électrolytique (11) avant de subir un rayonnement UV et d'être piégé par la partie supérieure (13) du capteur. Un second étant un électrolyte de type liquide ionique. La cavité électrolytique est remplie par du 1-Ethyl-3-Méthylimidazolium bis(trifluorométhylsulfonyl)imide avant d'être protégé par la partie supérieure (13) du capteur. L'électrolyte (11) est piégé par le micro-assemblage de la partie inférieure (16) avec la partie inférieure (13). La mesure de la teneur en oxygène s'effectue en mesurant l'intensité entre l'anode et la cathode à l'aide des deux plots de reprise de contacts (17). Le capteur selon l'invention est particulièrement destiné à la mesure des faibles concentrations d'oxygène dans les eaux industrielles, mais également dans le domaine des biotechnologies, de la pharmacie et de l'agroalimentaire. REVENDICATIONS1) Dispositif permettant la mesure d'oxygène dissous dans l'eau, caractérisé en ce qu'il comprend : une cathode en or une anode en plomb une membrane semi-perméable ; une cavité électrolytique remplie d'un électrolyte de type hydrogel à base de Polyhydroxyéthylméthacrylate ou d'un électrolyte de type liquide ionique à base de 1-Ethyl-3-Méthylimidazolium bis(trifluorométhylsulfonyl)imide. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que son principe de fonctionnement est de type électrochimique suivant la réaction de la pile de Hersch. 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par une réalisation en technologies Microsystèmes et procédés de fabrication 15 collective issus de la micro-électronique.