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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
Laboratoire Matériaux et Microélectronique de ProvenceUMR CNRS 6137 - Marseille/Toulon (France) - www.l2mp.fr
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
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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
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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
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Substrat Si/SiO2
Couche sensible de WO3
Électrodes Pt
Le capteurLe capteurLe capteurLe capteur
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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
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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
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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
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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
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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)
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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)
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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.
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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
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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.
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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
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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