Étude de capteurs d’ozone à base de WO 3 par Spectroscopie d’Impédance

Laboratoire Matériaux et Microélectronique de ProvenceUMR CNRS 6137 - Marseille/Toulon (France) - www.l2mp.fr

Ahmed LABIDIAhmed LABIDIAhmed LABIDIAhmed LABIDI

Journées Nationales du Réseau Doctoral de Microélectronique Paris, 10 - 12 Mai 2005

Étude de capteurs d’ozone Étude de capteurs d’ozone à base de WOà base de WO33

par Spectroscopie d’Impédancepar Spectroscopie d’Impédance

Étude de capteurs d’ozone Étude de capteurs d’ozone à base de WOà base de WO33

par Spectroscopie d’Impédancepar Spectroscopie d’Impédance

Financement : Programme CMCU

Encadrement : M. Khalifa AGUIR Professeur

Mme Caroline LAMBERT-MAURIAT Maître de Conférences


PLAN

I. Introduction générale

II. Réalisation des Capteurs

III. Spectroscopie d’Impédance sous ozonea) Principe de mesure

b) Résultats expérimentaux

IV. Modélisation électrique

V. Conclusions et Perspectives

PLAN

I. Introduction générale

II. Réalisation des Capteurs

III. Spectroscopie d’Impédance sous ozonea) Principe de mesure

b) Résultats expérimentaux

IV. Modélisation électrique

V. Conclusions et Perspectives


Mon travail de thèse :

Étude de capteurs à base de WO3 par Spectroscopie d’Impédance pour la détection de l’ozone et de vapeurs organiques

Le trioxyde de tungstène (WO3) est couramment utilisé comme élément sensible dans les capteurs de gaz.

La spectroscopie d'impédance est une méthode puissante pour

comprendre les mécanismes d’interactions gaz/solides.

Nous avons étudié l'évolution de l'impédance des capteurs WO3 en fonction du temps et de la température, sous air sec ou/et sous Ozone.

Mon travail de thèse :

Étude de capteurs à base de WO3 par Spectroscopie d’Impédance pour la détection de l’ozone et de vapeurs organiques

Le trioxyde de tungstène (WO3) est couramment utilisé comme élément sensible dans les capteurs de gaz.

La spectroscopie d'impédance est une méthode puissante pour

comprendre les mécanismes d’interactions gaz/solides.

Nous avons étudié l'évolution de l'impédance des capteurs WO3 en fonction du temps et de la température, sous air sec ou/et sous Ozone.

Introduction généraleIntroduction généraleIntroduction généraleIntroduction générale


Distance inter-électrodes:50µm

1 - Nettoyage du substrat

2 - Fabrication des électrodes (Pt)

3 - Dépôt de la couche sensible

(Pulvérisation réactive magnétron)

LES ETAPES DE FABRICATION

Photolithographie UV / Lift Off

Réalisation du capteurRéalisation du capteurRéalisation du capteurRéalisation du capteur


Substrat Si/SiO2

Couche sensible de WO3

Électrodes Pt

Le capteurLe capteurLe capteurLe capteur


Dry air

Frequency response analyser Solartron 1250

TWork

Regulator

Flow controller

Data Acquisition

UV Lamp (O3)

Test chamber

Computer

WO3 sensor

Spectroscopie d’Impédance sous ozoneSpectroscopie d’Impédance sous ozoneSpectroscopie d’Impédance sous ozoneSpectroscopie d’Impédance sous ozone

Dispositif expérimental de mesureDispositif expérimental de mesure


CH1

CH2

Ve=A sin (ωt+φ)

R

Zc

)(H.R)(ZC

)(CHCH)(H

1

2

Spectroscopie d’Impédance sous ozoneSpectroscopie d’Impédance sous ozoneSpectroscopie d’Impédance sous ozoneSpectroscopie d’Impédance sous ozone

Principe de mesurePrincipe de mesure


Résultats expérimentaux Résultats expérimentaux Stabilité du capteurStabilité du capteur

Résultats expérimentaux Résultats expérimentaux Stabilité du capteurStabilité du capteur

La stabilisation est obtenue après 2 heures

0,0 2,0x105 4,0x105 6,0x105 8,0x105 1,0x106 1,2x1060

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

0.87+ 0.03 (106Ohm)

TWork

=250°C sous air sec

Z''

(Oh

m)

Z' (Ohm)

t0=0 min

t1=60 min

t2=120 min

t3=180 min

t4=240 min

t5=300 min

t6=360 min

t7=420 min


Choix de la température de fonctionnementChoix de la température de fonctionnementChoix de la température de fonctionnementChoix de la température de fonctionnement

La température optimale de travail se trouve dans la gamme : 250°C - 300°C

0 1x107 2x107 3x107 4x107 5x107 6x1070,0

5,0x106

1,0x107

1,5x107

2,0x107

2,5x107

3,0x107

0.1 ppm d'O3

Z''

(Oh

m)

Z' (Ohm)

T=150°C T=200°C T=250°C T=300°C T=350°C T=375°C


Le capteur répond à de faibles concentrations d’ozone (0.03 ppm)

Variation de l’impédance du capteur sous ozoneVariation de l’impédance du capteur sous ozoneVariation de l’impédance du capteur sous ozoneVariation de l’impédance du capteur sous ozone

0,0 2,0x107 4,0x107 6,0x107 8,0x107 1,0x108 1,2x108 1,4x1080

1x107

2x107

3x107

4x107

5x107

6x107

7x107

TWork

= 250°C

Z''

(Oh

m)

Z' (Ohm)

0.0 ppm 0.03 ppm 0.1 ppm 0.2 ppm 0.3 ppm 0.4 ppm 0.5 ppm 0.6 ppm 0.7 ppm 0.8 ppm2,0x105 4,0x105 6,0x105 8,0x105

0

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

Z''

(Oh

m)

Z' (Ohm)


Réponse du capteur à l’ozoneRéponse du capteur à l’ozone Réponse du capteur à l’ozoneRéponse du capteur à l’ozone

La réponse du capteur suit une loi de puissance en fonction de la concentration d’O3. La valeur 0.35 de l’exposant est en bon accord avec celles trouvées dans la littérature.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,840

60

80

100

120

140

160

180

200

S = 176.2 [O3] 0.35

Expérience- Modélisation

S (

arb

.un

its)

[O3] (ppm)


2

i

2

i

i

2

i 22RR)('Z)("Z

Modélisation électriqueModélisation électriqueModélisation électriqueModélisation électrique

)CR(CRj

)CR(R)(Z

iii

iii

iii

i

i

222

2

222

11

CEl

REl

CB

RB

CGB

RGB

i

i

Total

)(Z)(Z

iii )("Zj)('Z)(Z

Nous obtenons l’équation d’un cercle dans le plan complexe pour chaque circuit R-C.


0.00E+00

5.00E+06

1.00E+07

1.50E+07

2.00E+07

2.50E+07

3.00E+07

0E+00 1E+07 2E+07 3E+07 4E+07 5E+07 6E+07

Z" () C1

Z’ ()

C2

C3

__ - C1+C2+C3

X Experiments

Exemple du spectre d’impédance modéliséExemple du spectre d’impédance modélisé Exemple du spectre d’impédance modéliséExemple du spectre d’impédance modélisé

La modélisation de l’impédance du capteur sous 0.1 ppm d’O3 donne 3 cercles C1, C2

et C3 attribués respectivement au volume, joints de grains et diffusion au niveau des électrodes.

0.1 ppm O3


Résultat de la ModélisationRésultat de la ModélisationRésultat de la ModélisationRésultat de la Modélisation

T = 300°C Air 0.1 ppm O3

Rb 6.14 10+5 4.66 10+7

Cb 1.74 10-10 F 1.62 10-10 F

Rgb 4.12 10+4 4.51 10+6

Cgb 3.43 10-6 F 9.65 10-9 F

Re 4.27 10+4 6.74 10+6

Qe 1.47 10-9 F 1.22 10-7 F

n 1 0,77O2

- O-

O-

O-

O- O

-

O2

-

O2

-

O2

-

O2

-

O-

O-

O-

O2

- O2

-

O2

-

O2

-

O2

-

O2

- O2

-

O2

-O2

-

O-

O-

O-

O-

O-

O-

O2

O3

O3

O3O3

O3 O3O3

O3

O3

O3

O3

O3

O3O3O3 O3O3

O3

O3

O3 O3O3

O3

D

rgb L

C 0

21

2

0 /

b

b

rD n

nq

KTL

Cercle C2

Cercle C1

Cercle C3

L’oxygène provenant de la décomposition de l’ozone affecte la région de charge d’espace entre les joints de grain.


Température de fonctionnement : 250 - 300° C.Capteur sensible pour de très faibles concentration

d’ozone: 0,03 ppm.Réponse en loi de puissance selon la concentration.

La modélisation électrique (par des circuits RC) a montré que l’adsorption de l'oxygène provenant de la décomposition de l’ozone affecte la région de charge d’espace entre les joints de grain.

Température de fonctionnement : 250 - 300° C.Capteur sensible pour de très faibles concentration

d’ozone: 0,03 ppm.Réponse en loi de puissance selon la concentration.

La modélisation électrique (par des circuits RC) a montré que l’adsorption de l'oxygène provenant de la décomposition de l’ozone affecte la région de charge d’espace entre les joints de grain.

ConclusionConclusionConclusionConclusion


Utiliser cette méthode pour la détection de gaz réducteurs (vapeurs organiques).

Etudier la sélectivité des capteurs aux vapeurs organiques, en observant l’influence de métaux catalytiques ajoutés à la surface sensible.

Utiliser cette méthode pour la détection de gaz réducteurs (vapeurs organiques).

Etudier la sélectivité des capteurs aux vapeurs organiques, en observant l’influence de métaux catalytiques ajoutés à la surface sensible.

PerspectivesPerspectivesPerspectivesPerspectives

Documents

Étude de capteurs d’ozone à base de WO 3 par Spectroscopie d’Impédance