Brevet FR3107960A1 — publié le 20210910

L’invention se rapporte à un capteur pour la détection de composé volatile ou de gaz, comprenant un transducteur comprenant : - un résonateur plan comprenant une pluralité de pistes métalliques, sur circuit imprimé, de type coplanaire ; - une couche sensible déposée sur une portion prédéterminée dudit résonateur, ladite couche sensible étant configurée de sorte qu’une présence d’un composé volatile ou d’un gaz à détecter implique une modification de la permittivité de la couche sensible entrainant une modification de caractéristiques dudit capteur lors de son alimentation électrique. Figure 2 Antennes à capteurs de type clusters ioniques Domaine L’invention se rapporte au domaine de la détection de la présence de composés volatils. L’invention se rapporte plus particulièrement à la détection de composés volatils par l’intermédiaire d’un capteur sans fil. 2. Art Antérieur La détection des COV (Composés Organiques Volatils) a débuté dans les années 1960 par la mise en évidence de l’affinité des oxydes métalliques avec certains COV. Le développement de capteurs basés sur l’utilisation des oxydes métalliques était vu comme primordial dans la surveillance de l'environnement, le contrôle des procédés de transformations chimiques, la sécurité des personnes, etc. Leur étude a contribué au développement de nombreux procédés de fabrication utilisant des nanostructures d'oxyde métallique de diverses géométries, telles que des nanoparticules, des nanofils, des nanotiges et des nanotubes dont la dimension reste de l'ordre nanométrique. En raison du rapport surface/masse élevé, les oxydes métalliques nanostructurés bénéficient d’une forte interaction avec l’atmosphère environnante et certains types de gaz. Cependant, leur efficacité de détection étant fortement en relation avec la complexité de fabrication de la couche sensible, cela rend ces capteurs onéreux et limitent leurs potentiels d’utilisations et de déploiements. Ainsi que l’illustre la Figure 1, un capteur à gaz de l’art antérieur est composé d’une couche sensible sélective et d’un transducteur. La couche sensible du détecteur est au cœur du dispositif. C’est elle qui est directement concernée par le phénomène de sorption des différents gaz. Il existe de nombreuses natures de couches sensibles assurant la détection des molécules gazeuses. Cette détection peut être plus ou moins sélective. La sélectivité se traduit par la capacité de la couche sensible à adsorber ou absorber une ou plusieurs espèces volatiles. Les couches sensibles existantes sont associées à une large gamme de matériaux à propriétés spécifiques. Ils sont classés selon leur composition chimique et divisés en plusieurs catégories telles que les nanostructures de type métal/métal-oxyde ou polymériques et les composites organique-inorganique. En ce qui concerne cette dernière catégorie, c’est la technologie des MOF (Metal-Organic Frameworks), qui rencontre aujourd’hui un vrai succès. Les couches sensibles présentées précédemment permettent la détection de nombreux constituants présents dans l’atmosphère, tels que l’ammoniac, le disulfite d'hydrogène, l’oxyde d'azote, l’eau, le monoxyde de carbone, le dioxyde d’azote, l’acide chlorhydrique, ainsi que les composés organiques (COV) intégrant les solvants et les agents pathogènes, les hydrocarbures, etc... Les polymères conducteurs ont une forte affinité avec les COV, cependant l’eau naturellement présente dans l'environnement déstabilise la couche sensible limitant ainsi la sensibilité des capteurs à technologie polymère. De plus, les capteurs de gaz à oxydes métalliques inorganiques, tels que l'oxyde de tungstène (WO 3 ), l’oxyde de zinc (ZnO), le dioxyde d'étain (SnO 2 ), le dioxyde de titane (TiO 2 ), les oxydes de fer (Fe 2 O 3 /Fe 3 O 4 ) et le dioxyde de silicium (SiO 2 ), sont liées à une stœchiométrie variable de l'oxygène et à leur activité électrique de surface, accroissant leur capacité de détection. Les capteurs de gaz à oxydes métalliques fonctionnent généralement à des températures élevées (200-400°C), ce qui peut conduire à des dérives dues à l'oxydation de l’électrode de référence. Malgré une sensibilité élevée, les mises en œuvre et les applications de tels capteurs restent donc malgré tout limitées. Leur développement technologique se confronte aux propriétés de la couche organique sensible qui est à la fois peu stable et qui possède une conductivité électrique fortement limitée lors d’un fonctionnement à haute température. Enfin, la complexité de leur mise en œuvre empêche finalement une industrialisation à bas coût. L'utilisation de nanocomposites associant deux classes de matériaux permet de façon alternative, d'obtenir des capteurs de gaz avec des niveaux de détection améliorés et efficaces. En effet, la conception de nanocomposites semble remédier aux problématiques de stabilité dus aux effets synergiques de la base organique/inorganique. Lors de la sorption des gaz sur la couche sensible du capteur, certaines propriétés physico-chimiques telles que l’impédance complexe, la conductivité électrique, les caractéristiques thermiques ou optiques se trouvent être modifiées. Le transducteur a un rôle central dans la mesure où il doit convertir une modification physico-chimique en une grandeur mesurable. L’utilisation d’un transducteur approprié à chaque type de variation physico-chimique est donc très importante afin d’assurer la détection idoine et nécessite une conception adaptée pour la mesure précise de cette variation. Une grande variété de transducteurs existe. Une présentation succincte de ces derniers est réalisée dans «Gas Sensors: A Review», Sensors & Transducers, Vol. 168, Issue 4, April 2014, pp. 61-75. Le point commun de ces transducteurs est de conduire à la détection de molécules sous forme gazeuses. Les problèmes liés à ces capteurs sont divers, allant d’une complexité de fabrication importante à des problématiques de coûts et de fiabilité et/ou de passage à l’échelle industrielle. De plus, ils nécessitent un raccordement physique au système d’exploitation du signal électrique. Afin de transmettre l’information à distance, un système antennaire doit être ajouté, augmentant encore les dimensions du dispositif. 3. Résumé L’invention ne présente pas ces inconvénients de l’art antérieur. Plus particulièrement, l’invention se rapporte à un capteur pour la détection de composés volatils ou de gaz, comprenant un transducteur comprenant: un résonateur plan comprenant une pluralité de pistes métalliques, sur circuit imprimé, de type coplanaire; une couche sensible déposée sur une portion prédéterminée dudit résonateur; ladite couche sensible étant configurée de sorte qu’une présence d’un composé volatile ou d’un gaz à détecter implique une modification de la permittivité de la couche sensible entrainant une modification des caractéristiques dudit capteur lors de son alimentation électrique. Ainsi, il n’est pas nécessaire de disposer d’un appareillage couteux pour effectuer une détection de composés volatils. Au-delà du résonateur plan, la technique décrite peut être spécifiée à des structures de type microruban. Selon une caractéristique particulière, l’alimentation électrique appartient au groupe comprenant: une alimentation en courant continu (DC); une alimentation en radiofréquence (RF); Ainsi, l’alimentation du capteur est simple à mettre en œuvre. Selon une caractéristique particulière, le capteur prend la forme d’un «senscillateur» communicant, comprenant une antenne deux ports reconfigurables passivement, intégrée à un oscillateur à boucle. Ainsi, il est possible de définir précisément des modes de fonctionnement du capteur. Selon une caractéristique particulière, l’oscillateur à boucle comprend un amplificateur utilisant un transistor à effet de champ ou bipolaire, alimenté en courant continu. Ainsi, un tel capteur peut passer d’un état inactif (en cas d’absence de composé volatil à détecter) à un état actif (engendrant l’émission d’un signal électromagnétique) pouvant faire l’objet d’une captation. Selon une caractéristique particulière, la couche sensible comprend des précurseurs moléculaires de matériaux prédéterminés. Selon une caractéristique particulière, les précurseurs moléculaires à base de clusters métalliques de matériaux comprennent des motifs à clusters octaédriques à faces coiffées de type: [M 6 X i 8 L a 6 ] n -/0/m+ dans lesquels: M comprend W (tungstène) ou Mo (molybdène); X i comprend Cl (Chlore) ou Br (Brome) ou I (Iode); L a comprend F (Fluor), X, acétates fonctionnels, phosphines fonctionnelles, sulfates fonctionnels, NCS, H 2 O, OH, ou tout autre ligand donneur. Selon une caractéristique particulière, les précurseurs moléculaires à base de clusters métalliques de matériaux comprennent des motifs à clusters octaédriques à arêtes pontées de type: [M 6 X i 12 L a 6 ] n -/0/m+ dans lesquels: M comprend Nb (Niobium) ou Ta (Tantale); X i comprend Cl (Chlore) ou Br (Brome) ou I (Iode); L a comprend F, X, acétates fonctionnels, phosphines fonctionnelles, sulfates fonctionnels, NCS, H 2 O, OH, ou tout autre ligand donneur. Selon une caractéristique particulière, les précurseurs moléculaires à base de clusters métalliques de matériaux comprennent des motifs de typeà clusters octaédriques : [Mo 6 X i 8 X a 6 ] 2- dans lesquels: X i comprend Cl (Chlore) ou Br (Brome) ou I (Iode). L’invention se rapporte également à un système caractérisé en ce qu’il comprend au moins un capteur tel que précédemment défini. Selon une caractéristique particulière, un tel système comprend en outre au moins un dispositif de mesure d’un signal électromagnétique émis par ledit au moins un capteur. 4. Dessins D’autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d’un mode de réalisation préférentiel, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels : - , déjà présentée, expose le fonctionnement d’un capteur à gaz selon l’art antérieur; - expose le principe général de l’invention; - illustre un mode de réalisation d’un capteur antennaire ; - illustre un mode de réalisation d’un capteur antennaire à facteur de qualité amélioré; - illustre un mode de réalisation d’un oscillateur à boucle fermée reconfigurable passivement; - illustre un mode de réalisation d’un «senscillateur» communicant, antenne deux ports reconfigurables passivement et intégrée à un oscillateur à boucle; - illustre un mode de réalisation d’un diviseur de puissance reconfigurable passivement. 5. Description détaillée 5.1. Rappels du principe Comme indiqué précédemment, les capteurs de l’art antérieur n’offrent pas de solution satisfaisante, notamment en termes de coût et de facilité d’utilisation. Un objet de l’invention est de proposer un capteur de composés volatils (gaz, solvant) de petites dimensions assurant une détection précise avec une forte sélectivité suivant une gamme étendue de molécules gazeuses tout en étant directement communicant avec son environnement, fonctionnant à température ambiante, le tout à bas coût. La technique proposée permet la détection et la distinction de molécules gazeuses par un dispositif de dimensions réduites avec une sensibilité accrue respectant une sélectivité et assurant la transmission directe des mesures (capteurs communicants sans fil). Le principe général de l’invention consiste à munir un résonateur (hyperfréquence), comprenant des caractéristiques prédéterminées, d’une couche d’au moins un matériau spécifique, délivrant ainsi un transducteur d’élément à détecter vers de l’hyperfréquence. Ce matériau est préalablement sélectionné afin qu’il interagisse avec une gamme d’éléments à détecter (par exemple un ensemble prédéterminé de gaz ou de composés volatils). Cette interaction a pour conséquence de modifier les caractéristiques du transducteur (et en conséquence les caractéristiques hyperfréquences). Ces caractéristiques modifiées sont mesurées et révèlent le cas échéant, la présence d’un ou de plusieurs types d’éléments (en fonction du nombre de matériaux spécifiques du transducteur). En d’autres termes, l’invention porte d’une manière générale sur la réalisation d’un résonateur particulier auquel on adjoint une couche sensible, ce qui délivre un transducteur hyperfréquence (également appelé capteur antennaire). La figure 2 explicite le principe général de l’invention. Le résonateur (Res) est alimenté par l’intermédiaire d’une alimentation adéquate. Sur le résonateur (Res), une couche (LYR) de matériau spécifique (à base de cluster de cluster métallique par exemple) est déposée: le résonnateur dispose à ce stade de caractéristiques de résonnance de référence. Lorsqu’un composé volatil (Comp) est présent, ce composé altère les propriétés de la couche sensible (LYR), ce qui entraine une modification des caractéristiques de résonnance du résonateur (RES), et donc une détection de la présence du composé (Comp) par détection du changement de ces caractéristiques de résonnance: on passe de caractéristiques de résonnance de référence à des caractéristiques de résonnance courante, différentes. On effectue donc une mesure indirecte de présence du composé volatile. Dans un mode de réalisation particulier décrit par la suite, ce capteur antennaire est basé sur une couche sensible à base de clusters de molybdène. D’autres clusters, comme des clusters de tungstène ou de niobium, ou encore de tantale peuvent être utilisés, en fonction des gammes de composés volatils à détecter. La couche est déposée par exemple par une technique d’électro-nébulisation pneumatiquement assistée (electrospray). Les clusters peuvent être hexaédriques ou octaédriques, en fonction de la formulation choisie. Une couche sensible peut comprendre une pluralité de types de clusters différents, afin de permettre une détection de plusieurs gammes d’éléments différents. Le capteur antennaire objet de la présente se distingue des solutions de l’art antérieur: - par les interactions plurielles des molécules à détecter avec la surface active (couche sensible); - par la nature de la transduction du signal directement associé à l’activité de la couche active; et - par le mode de transmission sans fil de l’information chimique (détection indirecte). Le fonctionnement de ces capteurs se base en effet sur la polarisabilité des différents motifs à clusters (par exemple cluster de molybdène, cluster de tungstène, etc.) déposés sur la surface sensible. La sorption des molécules captées (solvants, gaz, …) provoque la modification de la polarisation des motifs à clusters, induisant une modification de la permittivité de la couche active, et en conséquence une modification des caractéristiques hyperfréquences du transducteur. En fonction des modes de réalisation, la permittivité de la couche active évolue en fonction de la présence ou non de composés à détecter. Par exemple, les inventeurs ont déterminé qu’une permittivité diélectrique proche de 4,5 caractérise une saturation de la couche sensible par le ou les éléments à détecter. Au contraire, le capteur antennaire de l’invention est configuré, pour qu’à sa fabrication, la permittivité diélectrique se situe aux alentours de 2,5. Cette valeur de permittivité diélectrique est obtenue en déposant une couche sensible à base de matériaux à clusters d’une épaisseur prédéterminée (par exemple 18 µm d’épaisseur). Le capteur antennaire comprend, dans sa forme la plus simple, un transducteur, de forme prédéterminée, en fonction des besoins; et une couche sensible à déposer sur une portion spécifiquement définie du transducteur. En fonctionnement, le capteur est alimenté (par un générateur RF ou une source DC ou tout autre dispositif adéquat). L’alimentation provoque le rayonnement du transducteur à au moins une fréquence prédéterminée (par exemple aux alentours de 30 GHz) avec des caractéristiques propres (par exemple des coefficients de réflexion S 11 , de transmission S 21 ainsi qu’un gain prédéterminé). Selon l’invention, lorsque la couche sensible est altérée par l’action de sorption d’un composé à détecter sur la couche sensible, les caractéristiques (fréquence, coefficients de réflexion S 11 , de transmission S 21 et gain) sont modifiées. Ces caractéristiques peuvent être mesurées pour déterminer la présence ou non d’un ou de plusieurs composés volatils ou gaz prédéterminés (système évolué) ou bien le rayonnement peut être utilisé de manière plus basique pour générer une alerte visuelle (système simplifié). Le dispositif de mesure de ces caractéristiques peut être intégré ou non au capteur lui-même, en fonction des modes de mise en œuvre. Cependant, pour favoriser une production à moindre coût des capteurs, il est possible de disposer d’un dispositif de mesure indépendant du capteur lui-même. Les interactions entre molécules captées et les motifs à clusters sont de différentes natures: liaison hydrogène, interaction électrostatique et potentiellement réactivité chimique. De plus, la part de modification chimique de la couche sensible étant quasi-inexistante au regard des effets de sorption, ces capteurs sont réutilisables. Sur une utilisation à long terme, le capteur peut être reconditionné: arriver à saturation, le remplacement de la couche sensible est simple, rapide et peu onéreux, grâce à une technique de type «electrospray» afin de redéposer une couche de nanocapteurs permettant ainsi de régénérer le capteur antennaire. Si l’on considère l’interaction onde électromagnétique EM/matière dans le contexte de ce capteur antennaire, la détermination de la nature de la molécule fixée à la surface de la couche active se réalise par exemple au travers de la mesure simultanée de différents paramètres complémentaires: coefficient de réflexion S 11 , coefficient de transmission S 21 et gain. Les tests effectués, notamment des modes de réalisation indicatifs exposés ci-après permettent de conclure à une bonne détectabilité notamment des composés: acétonitrile, éthanol, méthanol, propanol, notamment en mesurant le coefficient de réflexion S 11 qui permet de distinguer les différents composés. Par ailleurs, l’originalité de l’ingénierie des capteurs antennaires objets de la présente divulgation consiste en ce que ces capteurs chimiques sont conçus à partir de précurseurs moléculaires à base de clusters métalliques de matériaux à propriétés spécifiques (par exemple les clusters d’halogénure de molybdène) dont la réactivité vis-à-vis de molécules gazeuses à pression atmosphérique, a été préalablement révélée à l’aide d’analyses chimiques par spectrométrie de masse, avant la mise en forme de la surface sensible. Plus particulièrement, pour des clusters à faces coiffées [M 6 X i 8 L a 6 ] n -/0/m+ dans lesquels: - M comprend W (tungstène) ou Mo (molybdène); - X comprend Cl (Chlore) ou Br (Brome) ou I (Iode); - L comprend F (Fluor), X, acétates fonctionnels, phosphines fonctionnelles, sulfates fonctionnels, NCS, H 2 O, OH, ou tout autre ligand donneur, La polarisation augmente selon l’ordre: M 6 I i 8 I a 6 6 Br i 8 Br a 6 6 Cl i 8 Cl a 6 6 Br i 8 (NCS) a 6 6 Br 8 Cl a 6 6 I 8 Br 6 6 I i 8 Cl a 6 6 I i 8 (OOCR) a 6 6 I i 8 F a 6 où R = C n F 2n+1 et autres groupements attracteurs d’électrons. Les clusters les plus polarisés réagissent avec les molécules de gaz les plus polaires qui sont ciblées pour rendre compte de la composition d’une atmosphère industrielle en termes de détection de pollution environnementale. Ainsi, les premiers clusters de la série ci-dessus interagiront préférentiellement avec les premières molécules cibles du tableau ci-dessous. Il en va de même pour les clusters les plus polaires qui détecteront les molécules les plus polaires du tableau. Composés caractéristiques de Composés Toxiques Industriels et leur moment dipolaire en Debye Carbon tetrachloride (0) - Molécule la moins polaire de la série n-butylbenzene (0,60) Xylene (0,62) Ethylamine (1) Chloroform (1,01) Diethylether (1,15) Phenol (1,45) Methylen Chloride (1,60) n-Butyl acetate (1,8) Chloroacetophenone (1,9) Formaldéhyde (2,33) Diméthylformamide (3,86) Diméthylsulfoxide (3,96) - Molécule la plus polaire de la série Tableau 1: Polarité des molécules pouvant interagir avec une couche sensible Pour les clusters à arêtes pontées: [M 6 X i 12 L a 6 ] n -/0/m+ dans lesquels: - M comprend Nb (Niobium) ou Ta (Tantale); - X comprend Cl (Chlore) ou Br (Brome) ou I (Iode); - L comprend F, X, acétate, NCS, H 2 O, OH, ou tout autre ligand donneur. La polarisation augmente selon l’ordre: M 6 Br i 12 Br a 6 6 Cl i Cl a 6 6 Cl i (NCS) a 6 6 Br i 8 (H 2 O) a 6 6 Br i 8 (OOCR) a 6 . Ainsi, le même ordre d’interaction cluster-molécule gazeuse se produit avec ce type de cluster. Ainsi, il est proposé dans un mode de réalisation, de convertir en rayonnement électromagnétique la réactivité chimique de motifs anioniques de types [Mo 6 X i 8 X a 6 ] 2- (X = Cl, Br, I) à clusters de molybdène (Mo) comme nanocapteurs. Ces derniers assurent la sélectivité de la détection qui se traduit par une spécificité de l’information transmise au travers des caractéristiques (paramètres) complémentaires tels que les coefficients de réflexion S 11 et de transmission S 21 ainsi que le gain. L’association directe des nanocapteurs sous forme de couche active avec le transducteur hyperfréquence assure d’un côté, une meilleure sensibilité et sélectivité à la nature du composé volatil ou du gaz polluant et d’un autre côté, une plus grande réactivité associée à une transmission directe de l’information sans avoir besoin de passer par un système antennaire connexe, ni même par une connexion filaire (permettant ainsi de faciliter l’industrialisation et de baisser le coût du capteur) et ni par une implémentation électronique supplémentaire sur le capteur lui-même. Ce capteur antennaire autonome fonctionne de plus à température ambiante et dans le domaine millimétrique (environ 30 GHz), lui conférant ainsi des dimensions réduites (surface active de quelques mm²) pour une intégration optimale dans un système utilisant notamment les bandes de fréquences liées au déploiement du réseau de la 5G. D’une manière plus générale, selon l’invention, au-delà des motifs halogénés [M 6 X i 8 X a 6 ] 2- , les inventeurs ont déterminé que des motifs de type [M 6 X i 8 L a 6 ] n-/0/m+ (M = W et Mo; X = Cl, Br, I; L = F, X, acétates fonctionnels, phosphines fonctionnelles, sulfates fonctionnels, NCS, H 2 O, OH, ou tout autre ligand donneur) peuvent être utilisés comme nanocapteur à la base de la réactivité chimique pour détecter les composés visés. La nature des ligands X et L permet de moduler les propriétés de polarisation du cluster par les molécules de solvant et donc les performances de détection des dispositifs hyperfréquences associés. Il est ainsi possible d’élargir la gamme des précurseurs de matériaux aux motifs à arêtes pontées de type [M 6 X i 12 L a 6 ] n -/0/m+ avec M = Nb, Ta; X = Cl, Br, I; L = F, X, acétates fonctionnels, phosphines fonctionnelles, sulfates fonctionnels, NCS, H 2 O, OH, ou tout autre ligand donneur, afin d’élargir encore la palette des gammes de gaz ou de composés volatils visés. Un des avantages particuliers de l’invention est que le capteur antennaire proposé ne nécessite pas de processeur de traitement de données. En effet, la modification des caractéristiques propres (coefficient de réflexion, de transmission, gain) du signal généré par le capteur antennaire suffit à assurer une reconnaissance de la présence d’au moins un élément à détecter. Il est ainsi possible de disposer d’une grande quantité de capteurs antennaires, à bas coûts permettant une détection simple d’un ou de plusieurs composés potentiellement dangereux. Le transducteur, lors de sa définition, est conformé pour favoriser le rayonnement électromagnétique: l’objectif est de créer une répartition caractéristique du signal afin que celle-ci puisse être reconnue (identifiée) en fonction de la détection ou non d’un ou de plusieurs composés ou éléments chimiques ou organiques. 5.2. Description de modes de réalisation Dans ce mode de réalisation, on décrit une famille de transducteurs associée à une couche sensible assurant une transmission directe et sans fil de l'information. Ces transducteurs sont recouverts d’une couche inorganique à base de clusters de molybdène, sensible à une gamme de solvants (méthanol, éthanol, propanol, acétonitrile, etc.). Dans ce mode de réalisation, une morphologie granuleuse de la couche sensible est privilégiée, optimisant ainsi la surface spécifique de la couche sensible, et donc les échanges de surface entre les vapeurs de solvant et la couche sensible: la couche granuleuse assure que les composés à détecter seront en contact avec une surface développée plus importante de la couche sensible, ce qui augmente la sensibilité de détection, car augmente les interactions entre la couche sensible et les composants à détecter. La réactivité du capteur suit le fonctionnement suivant: en premier lieu, le solvant présent dans l’atmosphère environnante est adsorbé sur la couche sensible. Ce premier effet occasionne un premier décalage de la fréquence de fonctionnement du dispositif sur lequel est déposée la couche active en raison de la modification de la permittivité relative subie par ce dernier. Par exemple, en présence de méthanol, une réaction chimique se produit par la substitution des ligands chlorés (Cl) par les espèces (OCH 3 ) - en raison de la réactivité des clusters [Mo 6 Cl i 8 Cl a 6 ] 2- . Les interactions avec des molécules comme le méthanol sont davantage liées à des interactions avec les clusters déposés en surface active. Les caractéristiques électromagnétiques du dispositif (S 11 , S 21 , gain, …) étant directement en lien avec son environnement direct (i.e. les caractéristiques physico-chimiques de la couche sensible) ses performances sont donc modifiées et sont sensibles à la nature du solvant en interaction avec la couche active (sélectivité du capteur). Dans l’intérêt de développer des dispositifs à faible coût, des modèles de transducteurs ont été conçus tels que des résonateurs dipolaires hyperfréquences, imprimés sur substrat diélectrique standard et sont présentés ci-après à titre d’exemples de modes de réalisation de la présente technique, sans que ces modes de réalisation ne puissent être considérés comme limitatifs. 5.2.1. Résonateurs dipolaires hyperfréquences 5.2.1.1. Configuration 1 La Figure 3 présente un élément rayonnant rectangulaire formé de six résonateurs. Le transducteur/antenne est alimenté par une ligne 50 Ohm. L'élément rayonnant est revêtu d'une couche de matériau sensible à base de clusters [Mo 6 Cl i 8 Cl a 6 ] 2- déposée par electrospray. La modification de la permittivité relative par l’adsorption d’un polluant réactant provoque un déplacement de la fréquence de travail de f1 à f2. Les diagrammes de rayonnement se trouvent également modifiés. Cet élément rayonnant a notamment permis la caractérisation, selon l’invention, de la permittivité de la couche active. Plus particulièrement, le transducteur dans ce mode de réalisation, est basé sur une combinaison de résonateurs dipolaires. L’utilisation de la technologie microruban (ou coplanaire) permet d’accroître le couplage du champ électromagnétique avec la couche active déposée à la surface du transducteur. Dans un souci de développer un dispositif à bas coût, le transducteur communicant est imprimé sur un substrat de 254 µm d'épaisseur (composite PTFE renforcé de microfibres de verre) avec une métallisation en cuivre de 18 µm d’épaisseur. L'élément rayonnant rectangulaire de 2,85 mm × 3,37mm (Figure 3) est formé de six bandes de cuivre de 220 µm de largeur, l'espacement central est de 330 µm suivi à droite et à gauche d'un espacement de 167 µm, le dernier espacement mesure 230µm. Le transducteur/antenne est alimenté par une ligne cuivre d’impédance 50 Ohm et de 770 µm de large. Le tableau suivant présente les dimensions du transducteur dans ce premier mode de réalisation. a b c d e f 3,37 mm 0,33 mm 0,77 mm 0,49 mm 1,04 mm 2,85 mm Tableau 2: dimensions du transducteur communicant (en mm) – Configuration n°1 Dans ce mode de réalisation, l’alimentation du capteur est par exemple réalisée à l’aide d’un générateur RF ou d’un autre dispositif permettant d’obtenir des résultats similaires. L’alimentation peut être constante ou bien effectuée au besoin (par exemple phase de détection périodique). 5.2.1.2. Configuration 2 La Figure 4 présente un nouveau concept de transducteur communicant permettant d’améliorer le facteur de qualité Q associé à la résonance propre du dispositif. Le transducteur communicant est une cavité résonante rayonnante rectangulaire de 4,19 mm × 6,7 mm. Le réflecteur supérieur est conçu numériquement afin de faire apparaitre une impédance forte à l’extérieur et faible au centre dans l’idée de favoriser la propagation transversale de l’onde au sein de la cavité. Un quart d’onde d’adaptation de géométrie elliptique inverse est placé à l’entrée du système. Les dimensions indicatives sont présentées dans le tableau suivant. Le transducteur communicant est alimenté par une ligne 50 Ohm de 770 µm de large. a b c d e f g h i j k l m o 4,19 0,77 0,39 0,84 0,33 1,71 0,2 1,53 0,42 3,37 1,8 0,77 0,45 0,1 Tableau 3: dimensions du transducteur communicant (en mm) – Configuration n°2 Le facteur Q ayant été amélioré, il fait apparaitre une forte différence de potentiel au niveau des champs électrique et magnétique. Cette différence entre valeurs extrêmes élevées se traduit par un facteur de résonance (facteur Q) de très bonne qualité. Le facteur Q de ce transducteur communicant engendre une meilleure sensibilité comparativement au transducteur communicant 1 d’environ 500 %. Le transducteur communicant nu dans cette configuration n°2 résonne à deux fréquences dans la bande 24-34 GHz. Une première résonance à 30,52 GHz avec |S 11 | = -21,1 dB et une seconde résonance présente à 33,26 GHz avec |S 11 | = -8,3 dB. Le transducteur communicant recouvert d’une couche diélectrique de permittivité ε r = 2,7 fait déplacer la première résonance à 29,78 GHz et modifie l’adaptation avec |S 11 | = -29,8 dB. La seconde résonance quant à elle passe à 31,74GHz pour une adaptation de -6,8 dB. Avec par exemple une valeur de permittivité ε r = 4,5 (représentant la couche active saturée) la première fréquence apparait à 28,07 GHz avec |S 11 | = –13,3 dB et la seconde résonance à 30,41 GHz avec |S 11 | = -3,8 dB. Ces valeurs de variation permettent d’établir l’intervalle de sensibilité du capteur communicant dans cette configuration n°2 et il présente par exemple une sensibilité associée à la variation de permittivité l’ordre de de /Hz. Dans ce mode de réalisation, l’alimentation du capteur est par exemple réalisée à l’aide d’un générateur RF ou d’un autre dispositif permettant d’obtenir des résultats similaires. L’alimentation peut être constante ou bien effectuée au besoin (par exemple phase de détection périodique). 5.2.2. Oscillateur à boucle fermée reconfigurable passivement La Figure 5 présente une description schématique d’un oscillateur à boucle reconfigurable passivement. Cet oscillateur est constitué d’un amplificateur utilisant un transistor à effet de champ ou bipolaire alimenté en courant continu (DC). Nu, il ne rayonne pas et fonctionne à une fréquence proche de 30,45 GHz. Cet oscillateur, après dépôt de la couche active sur les capacités interdigitées, fonctionne à une fréquence proche de 22 GHz. Cet oscillateur permet la génération d’un signal hyperfréquence lorsqu’il est associé à une antenne. Soumis à un ou plusieurs composés volatils ou gaz prédéterminés, sa fréquence de travail augmente. Les couches sensibles sont déposées en [A] et [B]. Les dimensions sont les suivantes: a b c d e f g h i j k l 2,750 1,250 1,400 0,767 0,140 1,000 5,200 0,580 2,000 0,150 2,140 1,800 m n o p q r s t u v w z 1,800 1,700 1,250 1,000 2,150 0,650 0,250 0,375 2,900 1,380 2,000 5,140 Tableau 4: dimensions de l’oscillateur à boucle fermée reconfigurable passivement (en mm) Dans ce mode de réalisation, l’alimentation du capteur est par exemple réalisée en courant continu (batterie, pile) ou d’autre dispositifs permettant d’obtenir une alimentation en courant continu. L’alimentation peut être constante ou bien effectuée au besoin (par exemple phase de détection périodique). 5.2.3. «Senscillateur» communicant La Figure 6 présente une antenne deux (2) ports reconfigurables passivement et intégrée à un oscillateur à boucle, appelé «Senscillateur» communicant. Cet oscillateur est constitué d’un amplificateur utilisant un transistor à effet de champ ou bipolaire alimenté en courant continu (DC). L'élément rayonnant [A] est revêtu de la couche active. Lors de la modification de la permittivité relative due à la sorption d’un gaz par la couche active, un déphasage entre l’entrée et la sortie du dispositif provoque les scénarii de fonctionnements suivants: La boucle est conçue pour qu’après intégration du capteur communicant, celui-ci oscille à 29GHz. Le travail consiste à compenser l’effet de phase ajoutée par le transducteur communicant intégré. Les paramètres S après l'ajout du transducteur communicant à 2 ports évoluent. On observe que le |S 11 | à 29,48 GHz est de -5,2 dB, le |S 22 | est à –10,1 dB et le |S 12 | à -25,4 dB. La phase du circuit affiche 378° représentant un léger décalage en fréquence. Le gain est passé de 4 dB précédemment à 0,2 dB. État initial Présence de gaz détectable Fonctionnement à F1 Fonctionnement à F2 Off Fonctionnement à F1 Fonctionnement à F1 Off Tableau 5: états de fonctionnement du «senscillateur» communicant Cela permet d’activer ou de désactiver le dispositif en cas de modification physico-chimique de la couche sensible. Un diagramme de rayonnement fournit une information supplémentaire vis-à-vis de l’état de la couche sensible. Ce diagramme peut être utilisé en phase de calibration par exemple, mais il n’est pas nécessaire d’en disposer pour une version simplifiée de mise en œuvre au sein d’un système. Dans ce mode de réalisation, l’alimentation du capteur est par exemple réalisée en courant continu (batterie, pile) ou d’autre dispositifs permettant d’obtenir une alimentation en courant continu. L’alimentation peut être constante ou bien effectuée au besoin (par exemple phase de détection périodique). 5.2.4. Diviseur de puissance reconfigurable passivement Le circuit de la Figure 7 est un circuit hyperfréquence diviseur de puissance. Les diviseurs de puissance dits «classiques» possèdent un rapport de division R=P2/P3. L’adaptation d’entrée doit être assurée en fonction du rapport R. La modification du rapport de division engendre une modification de l’adaptation d’entrée du dispositif. La Figure 7 présente un circuit à une entrée et deux sorties, avec trois cavités, chacune ayant une surface globale égale à : - La cavité centrale est composée de ligne microruban 100 Ohm permettant d’accroître les effets de couplage entre les résonateurs à la fréquence d’environ 30 GHz. - Deux cavités extérieures permettent le couplage avec la sortie. En déposant une couche active avec une permittivité spécifique sur l’une des cavités de sortie (par exemple sur la cavité de sortie à gauche), le circuit devient asymétrique, et permet de contrôler le rapport de puissance R. Il est à noter que le diviseur de puissance proposé reste adapté quelle que soit la permittivité utilisée dans l’intervalle compris entre 1 et 4,5 tout en modifiant le rapport de division R du diviseur de puissance. a1 b1 c1 d1 e1 f1 g1 h1 i1 0,311 0,861 1,172 0,33 0,77 1,27 0,96 2,28 2,83 j1 k1 l1 m1 n1 o1 p1 q1 r1 3,45 4,39 4,58 4,84 5,16 1,19 0,97 0,86 0,54 s1 t1 u1 v1 w1 z1 a2 b2 c2 0,22 0,435 0,87 0,42 0,42 1,48 1,19 1,03 1,07 d2 e2 f2 g2 h2 i2 j2 k2 l2 0,296 2,14 5,1 3,79 3,64 1,54 1,28 0,95 3,44 m2 n2 o2 p2 q2 r2 s2 g3 0,77 1,46 1,36 0,85 0,21 0,148 2,64 2,42 Tableau 6: dimensions (en mm) de la Figure 7. En conclusion, ce diviseur de puissance reconfigurable passivement permet le contrôle de la division de la puissance tout en restant adapté. La division de la puissance est modifiable par la présence de l'agent à détecter.Le diviseur dissymétrique reconfigurable peut être associé à un réseau d'antennes imprimées afin de rendre agile son diagramme de rayonnement(changement d'ouverture à-3dBpar exemple). Dans ce mode de réalisation, l’alimentation du capteur est par exemple réalisée à l’aide d’un générateur RF ou d’un autre dispositif permettant d’obtenir des résultats similaires. L’alimentation peut être constante ou bien effectuée au besoin (par exemple phase de détection périodique). 5.3. Système de mise en œuvre Un ou plusieurs capteurs tels que ceux précédemment présentés peuvent être mis en œuvre au sein d’un système comprenant d’une part un ensemble comprenant au moins un capteur et un ensemble comprenant au moins un analyseur de réseaux ou de spectre. L’analyseur est en charge de la mesure de paramètres prédéterminés (équivalents aux paramètres S précédemment décrits pour l’analyseur de réseaux ou bien de la fréquence de rayonnement pour l’analyseur de spectre). Néanmoins, une solution moins onéreuse privilégiera l’utilisation d’un oscillateur RF associé à un détecteur de paramètres S (en substitution à l’analyseur de réseaux), ou bien une antenne réceptrice associée à une diode (en substitution à l’analyseur de spectre). Plus particulièrement, dans au moins un mode de réalisation, un système objet de l’invention comprend un «senscillateur» communicant (par exemple celui de la Figure 6, ou tout autre «senscillateur» communicant de même type). Un tel «senscillateur» communicant est alimenté en courant continu. Lorsqu’une telle alimentation est produite en entrée et qu’aucun gaz n’est détecté, le «senscillateur» se trouve dans l’état OFF (état initial) car l’état de bouclage n’est pas réalisé. Lorsqu’il y a présence d’un ou de plusieurs composés volatils ou gaz prédéterminés, la couche sensible est altérée et le scintillateur fonctionne (car l’état de bouclage est réalisé du fait de l’altération de la couche sensible) et il rayonne à une fréquence F1 (F1 dépendant par exemple du ou des composés volatils détectés). Une antenne réceptrice (par exemple électriquement non alimentée dans ce mode de réalisation) qui convertit le signal hyperfréquence F1 en un signal DC qui alimente une ou plusieurs LED de couleur prédéterminée: la couleur peut avantageusement être représentative du ou des composés volatils détectés, le voltage (DC) produit ou la quantité de courant produit pouvant par exemple dépendre de la fréquence F1 et donc du ou des composés volatils identifiés. Une alarme visuelle est ainsi simplement enclenchée. Le système de l’invention est donc très peu onéreux et très efficace et ne nécessite pas de ressources de calcul particulières. D’autres antennes réceptrice et/ou dispositif de réception des signaux émis par les capteurs communicants présentés peuvent également être mis en œuvre en fonction des besoins, par exemple par analyse des champs électromagnétiques émis par les capteurs à couches sensibles de l’invention. Capteur pour la détection de composé volatile ou de gaz, comprenant un transducteur comprenant: - un résonateur plan comprenant une pluralité de pistes métalliques, sur circuit imprimé, de type coplanaire; - une couche sensible déposée sur une portion prédéterminée dudit résonateur ladite couche sensible étant configurée de sorte qu’une présence d’un composé volatile ou d’un gaz à détecter implique une modification de la permittivité de la couche sensible entrainant une modification de caractéristiques dudit capteur lors de son alimentation électrique. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’alimentation électrique appartient au groupe comprenant: - une alimentation en courant continu (DC); - une alimentation en radiofréquence (RF); Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il prend la forme d’un «senscillateur» communicant, comprenant une antenne deux (2) ports reconfigurables passivement, intégrée à un oscillateur à boucle. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l’oscillateur à boucle comprend un amplificateur utilisant un transistor à effet de champ ou bipolaire, alimenté en courant continu. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche sensible comprend des précurseurs moléculaires de matériaux prédéterminés. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les précurseurs moléculaires à clusters métalliques de matériaux comprennent des motifs à faces coiffées de type: [M 6 X i 8 L a 6 ] n -/0/m+ dans lesquels: - M comprend W (tungstène) ou Mo (molybdène); - X comprend Cl (Chlore) ou Br (Brome) ou I (Iode); - L comprend F (Fluor), X, acétates fonctionnels, phosphines fonctionnelles, sulfates fonctionnels, NCS, H 2 O, OH, ou tout autre ligand donneur. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les précurseurs moléculaires à clusters métalliques de matériaux comprennent des motifs à arêtes pontées de type: [M 6 X i 12 L a 6 ] n -/0/m+ dans lesquels: - M comprend Nb (Niobium) ou Ta (Tantale); - X comprend Cl (Chlore) ou Br (Brome) ou I (Iode); - L comprend F, X, acétates fonctionnels, phosphines fonctionnelles, sulfates fonctionnels, NCS, H 2 O, OH, ou tout autre ligand donneur. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les précurseurs moléculaires de matériaux comprennent des motifs de type: [Mo 6 X i 8 X a 6 ] 2- dans lesquels: - X comprend Cl (Chlore) ou Br (Brome) ou I (Iode). Système caractérisé en ce qu’il comprend au moins un capteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 8. Système selon la revendication 9 caractérisé en ce qu’il comprend en outre au moins un dispositif de mesure d’un signal électromagnétique émis par ledit au moins un capteur.