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

1. Étude de capteurs d’ozone à base de WO3par Spectroscopie d’Impédance Financement : Programme CMCU Ahmed LABIDI Encadrement : M. Khalifa AGUIRProfesseur Mme Caroline LAMBERT-MAURIAT Maître de Conférences Journées Nationales du Réseau Doctoral de Microélectronique Paris, 10 - 12 Mai 2005

2. PLAN • Introduction générale • Réalisation des Capteurs • Spectroscopie d’Impédance sous ozone • Principe de mesure • Résultats expérimentaux • Modélisation électrique • Conclusions et Perspectives

3. Introduction générale 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.

4. Réalisation du capteur LES ETAPES DE FABRICATION 1 - Nettoyage du substrat 2 - Fabrication des électrodes (Pt) Photolithographie UV / Lift Off 3 - Dépôt de la couche sensible (Pulvérisation réactive magnétron) Distance inter-électrodes:50µm

5. Substrat Si/SiO2 Couche sensible de WO3 Le capteur Électrodes Pt

6. Test chamber WO3 sensor UV Lamp (O3) Data Acquisition Dry air Regulator TWork Flow controller Computer Frequency response analyser Solartron 1250 Spectroscopie d’Impédance sous ozone Dispositif expérimental de mesure

7. Spectroscopie d’Impédance sous ozone Principe de mesure CH1 R Ve=A sin (ωt+φ) Zc CH2

8. Résultats expérimentaux Stabilité du capteur • La stabilisation est obtenue après 2 heures

9. Choix de la température de fonctionnement • La température optimale de travail se trouve dans la gamme : 250°C - 300°C

10. Variation de l’impédance du capteur sous ozone • Le capteur répond à de faibles concentrations d’ozone (0.03 ppm)

11. Réponse 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.

12. RB RGB REl CB CGB CEl Modélisation électrique • Nous obtenons l’équation d’un cercle dans le plan complexe pour chaque circuit R-C.

13. 3.00E+07 X Experiments 2.50E+07 2.00E+07 1.50E+07 Z" () C1 - C1+C2+C3 1.00E+07 __ 5.00E+06 C2 C3 0.00E+00 0E+00 1E+07 2E+07 3E+07 4E+07 5E+07 6E+07 Z’ () Exemple du spectre d’impédance modélisé 0.1 ppm O3 • 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.

14. O3 O3 O3 O3 O3 O3 O3 O- O- O2- O- O- O- O3 O2- O2- O2- O2- O3 O2- O- O3 O3 O2- O2- O- O- O3 O3 O2- O- O- O3 O3 O2- O- O2- O- O- O2 O2- O3 O- O2- O2- O3 O3 O3 O3 O3 O3 O3 Résultat de la Modélisation Cercle C1 Cercle C2 Cercle C3 • L’oxygène provenant de la décomposition de l’ozone affecte la région de charge d’espace entre les joints de grain.

15. Conclusion • 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.

16. Perspectives • 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.