Cours de physico-chimie

applique aux capteurs

L1PC

Marcel Carrre

2011-2012

Livre support de ce cours les capteurs en instrumentation industrielle G. Asch et sescollaborateurs, aux ditions Dunod.

Case 241, Equipe Plasma surface, laboratoire Physique des interactions ioniques et molculairesFacult des sciences de saint Jrme 13397 Marseille cedex 20

PLAN DU COURS DE PHYSICO-CHIMIE DES CAPTEURSIntroduction

1) quest ce quun capteur ?2) La chane de mesure3) Les capteurs actifs

a. Effet thermolectriqueb. Effet pyrolectriquec. Effet pizolectriqued. Effet Seebeck, Peltiere. Effet dinduction lectromagntiquef. Effet photovoltaqueg. Effet photo lectromagntique (Hall)

4) les capteurs passifs5) les erreurs de mesure6) Etalonnage dun capteur7) La sensibilit en rgime statique8) La sensibilit en rgime dynamique

a. 1 ordreb. Deuxime ordre

9) Temps de rponsea. 1 ordreb. Deuxime ordre

10) Conditionneurs de capteursa. Montages potentiomtriquesb. Les pontsc. Les oscillateursd. Le conditionnement en gnrale

11) Physique des semi-conducteursa. La liaison chimiqueb. Notions de bandes dnergiec. Semi-conducteur intrinsqued. Semi-conducteur extrinsque type N ou Pe. La jonction PNf. Caractristique de la jonction (capacit de transition)

12) La diode vide13) Triode et plus14) Les capteurs optiques

a. Les photons et les quations de maxwellb. Photomtriec. Source de lumired. Photo diode et photo transistore. Cellule photovoltaquef. Capteurs photomissifsg. Fibre optique

15) Les capteurs de position16) Les capteurs de dformation17) Les capteurs de force18) Les capteurs dacclration, vibration19) Les capteurs de vitesse et de dbit20) Les capteurs de pression

a. Loi des gaz parfaitb. Notions de mcanique des fluidesc. Tube de pitot et de Bourdond. Conversion de pression/dformation, force,thermiquee. Le vide et le pompagef. Le pompage secondaireg. Jauge piranih. Jauge Penningi. Jauge Bayard-Alpertj. Jauge Baratron

21) Les capteurs de rayonnement nuclairea. Radionuclidesb. Notions lmentaires de radioactivitc. Effet du rayonnement sur la matired. Dtecteur ionisation (Geiger Muller)e. Dtecteur scintillationf. Dtecteur semi-conducteur

Introduction

Ce cours sadressent des tudiants de master, ce qui signifie que vous tes motivs et quevos connaissances gnrales sont plus importantes que celles que vous aviez en Licence, BTS,IUT ou autres formations de premier cycle universitaire. Jaccepte que lon ne sache pas toutce qui concerne la physique, llectromagntisme, la transforme de Fourier, les circuits RLCet les nombres complexe, la thermodynamique et la physique des semi-conducteurs mais jenadmets pas que lon ne fasse pas leffort de savoir. Etre en master, cest commencer prendre de lautonomie intellectuelle, cest surtout prendre du temps afin de combler seslacunes surtout quand les enseignants les pointent avec patience. Alors bon travail car le courssuivants demande un champ de connaissance trs large en physique et chimie, je donnerai unmaximum de notions en reprenant toutes les bases voire les fondements, mais rien neremplacera le travail personnel afin de bien matriser tous les outils de ce cours passionnant.Ce support de cours nest pas exhaustif mais il retrace les chapitres essentiels que nous allonsaborder et dvelopper, bon travail tous.

1) quest ce quun capteur ?

Le monde qui nous entoure est rempli de matire et cette matire comme vous le savez estfaire datomes. Pour recueillir des informations vitales chacun de nous a dvelopp desantennes, des capteurs qui permettent de communiquer avec le milieu extrieur. Pour obtenirdes informations locales du milieu extrieur, le corps a donc un certain nombre de capteur et ilest bon den faire linventaire afin de comprendre la multiplicit et la complexit des capteurs.Je trouve que lon peut prendre comme dfinition fournir des informations capitales unsystme ou transformer des grandeurs physiques en signal utile .

Observons comment et combien de capteurs nous possdons sans faire un cours de mdecine.Les yeux (signaux lectromagntiques dans le domaine du visible)Les oreilles (signaux sonores)Le nez (molcules aromatiques)La peau (chaleur, touch)Langue (chaleur, acidit, amertume, sucr, sal)Dents (chaleur, texture et fonctions mcaniques)

2) La chane de mesureIl est vident que du capteur lordinateur, il y une chane de mesure. Cette chane demesure est constitue dune multitude de composants. Mais elle est toujours constituedlments de conversion (analogique ou numrique). Le capteur va transformer le mesurandeen grandeur lectrique. Le mesurande est la grandeur physique que nous dsirons suivre, celapeut tre la temprature, la pression, la viscosit, la vitesse de rotation, le PH, laradioactivit...Ce capteur est aliment donc il y a toujours une alimentation stabilise, pourune bonne sensibilit un pont de Wheatstone est souvent utile le conditionnement du capteurest tudi dans un autre cours et donc nous ne nous tendrons pas ici.En lectronique vous verrez comment le signal lectrique est trait avec des amplisOprationnels ou des transistors afin dtre amplifi. Mais abordons ce capteur afin dencomprendre la dynamique interne

3) Les capteurs actifsLe principe du capteur actif est quil fonctionne comme un petit gnrateur. Il est opposau capteur passif dont le principe de fonctionnement est de type rcepteur : rsistif,capacitif ou inductif. Le capteur va donc oprer une conversion de lnergie, c'est--direquil transforme lnergie du mesurande : thermique, mcanique ou lectromcanique ensignal lectrique. Nous allons dcrire quelques proprits des capteurs actifs.

a. Effet thermolectriqueUn circuit form de deux conducteurs de nature physico-chimique diffrente, dontles tempratures de jonctions T1 et T2 sont diffrentes.

b. Effet pyro-lectriqueCertains cristaux, comme le sulfate de triglycine ont une polarisation lectriquespontane qui dpend de la temprature. Ils portent en surface des chargesopposes, ce qui leur donne laspect dun condensateur dont la polarisation est unefonction de la temprature

c. Effet pizolectriqueLapplication dune contrainte sur un cristal va modifier ses propritsmicroscopiques, sa maille cristalline et donc ses proprits dilectriques. Enfaisant apparatre une f.e.m. donc des charges de signes opposes sur les facescontraintes, un des exemples de ce type de cristal est le quartz.

d. Effet Seebeck, PeltierCest Seebeck (1820) qui dcouvert que le contact entre deux conducteurs donnune f.e.m. en fonction de la temprature de jonction. Cest cet effet qui va nousdonner les capteurs de temprature de type thermocouple. Une extension de ceteffet est faite quelques annes plus tard par un franais Peltier qui utilise uncourant afin de produire ou de capter de la chaleur. Cest ce dernier qui a permis lafabrication de rfrigrateur (frigidaire).

e. Effet dinduction lectromagntiqueTout conducteur plong dans un champ magntique va se voir affect dune femqui est proportionnelle la variation de flux au cours du temps. Cet effet est trsprsent en hyperfrquence.

f. Effet photovoltaqueLeffet photolectrique consiste collecter des lectrons jecter par une lectrodepar des photons, nous avons donc un courant lectrique proportionnel au flux delumire. Nous voyons quil sagit dun semi-conducteur en prsence dun champlectrique (photo courant) ou une jonction PN dans laquelle des paires lectron-trou sont cres puis collectes. La collection des paires va donner lieu uncourant proportionnel au flux lumineux. Remarque : Comme pour le premier effet que nous avons dcris ce mcanisme est effet de seuil.

g. Effet photo lectromagntique (Hall)Leffet Hall est la dviation de charges lectriques, soumis un champ magntiquestatique transverse (force de Lorentz). Cette dviation squilibre avec le champ

lectrique et donne donc naissance une diffrence de potentiel (ddp)proportionnel au courant et linduction magntique.

4) les capteurs passifsIl sagit principalement dimpdances (complexe). Une impdance se dcompose encontribution RL ou C et lune de ces contributions sera sensible au mesurande. Parexemple nous avons pour la rsistance le facteur gomtrique L/S et la rsistivitintrinsque du matriau. Nous allons devoir distinguer entre la dformation du capteur etla modification de sa rsistivit. On voit apparatre la notion de corps dpreuve ou decapteurs composites. Le capteur (la partie sensible) ne reprsente quune infime partie delensemble. Par exemple lallongement dune barre sera li au capteur coll sur cette barreet dont son impdance est directement une fonction de son allongement et vise versa. Lecapteur est li la barre qui est le corps dpreuve, lensemble prsente la technique demesure mme si parfois on peut considrer que le seul capteur est le dispositif, sur unarbre de bateau 5 mtres de long et 1 m de diamtre le capteur coll semblera tout petit. Lecas prcdent semble vident mais pour la mesure de la pression il faut coller un capteursur une membrane qui se dforme, lensemble du capteur est donc la membrane plus ledispositif coll permettant de mesurer la dformation. Ensuite il faut bien sur talonner larelation entre pression et dformation.

5) les erreurs de mesure6) Etalonnage dun capteur7) La sensibilit en rgime statique8) La sensibilit en rgime dynamique

a. 1 ordreb. Deuxime ordre

9) Temps de rponsea. 1 ordreb. Deuxime ordre

10) Conditionneurs de capteursa. Montages potentiomtriquesb. Les pontsc. Les oscillateursd. Le conditionnement en gnrale

11) Physique des semi-conducteursa. La liaison chimiqueb. Notions de bandes dnergiec. Semi-conducteur intrinsqued. Semi-conducteur extrinsque type N ou Pe. La jonction PNf. Caractristique de la jonction (capacit de transition)

12) La diode vide13) Triode et plus

14) Les capteurs optiquesa. Les photons et les quations de maxwellb. Photomtriec. Source de lumired. Photo diode et photo transistore. Cellule photovoltaquef. Capteurs photomissifsg. Fibre optique

15) Les capteurs de position16) Les capteurs de dformation17) Les capteurs de force18) Les capteurs dacclration, vibration19) Les capteurs de vitesse et de dbit20) Les capteurs de pression

a. Loi des gaz parfaitb. Notions de mcanique des fluidesc. Tube de Pitot et de Bourdond. Conversion de pression/dformation, force,thermiquee. Le vide et le pompagef. Le pompage secondaireg. Jauge piranih. Jauge Penningi. Jauge Bayard-Alpertj. Jauge Baratron

21) Les capteurs acoustiquesa. Vitesse du son dans les solidesb. Vitesse du son dans les liquidesc. Vitesse du son dans les gaz parfaitsd. Les microphones

22) Les capteurs de rayonnement nuclairea. Radionuclidesb. Notions lmentaires de radioactivitc. Effet du rayonnement sur la matired. Dtecteur ionisation (Geiger Muller)e. Dtecteur scintillationf. Dtecteur semi-conducteur

23) Les capteurs lectrochimiques24) Les capteurs dhumidit25) Les capteurs de composition gazeuse