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RÉSUMÉ
Certaines substances contenues dans l'air ambiant, notamment des composés organiques volatils, sont maintenant et unanimement rendues responsables de nombreux problèmes de santé. Le besoin de quantifier ces composés a permis la mise au point de capteurs chimiques, dont les microcapteurs à base de micropoutres en silicium. Le principe de fonctionnement de ces capteurs est basé sur la variation de la fréquence de résonance d'une micropoutre, recouverte d'une couche sensible, en fonction de la concentration en espèces cibles présentes dans l'environnement. Cet article effectue une approche théorique de ce type de capteurs, avant d’en présenter la mise en œuvre. Les microcapteurs en micropoutres silicium ont l’avantage de détecter une grande variété d’analytes.
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INTRODUCTION
La qualité de l'air est devenue une préoccupation importante de la société car la présence de certaines substances dans l'air ambiant, notamment des composés organiques volatils, est à l'origine de nombreux problèmes de santé.
Pour répondre à la nécessité de quantifier la présence de ces composés, différents capteurs chimiques sont, depuis quelques années, étudiés et mis au point. Les microcapteurs chimiques à base de micropoutres en silicium, de la famille des microsystèmes électromécaniques (MEMS), en font partie et présentent l'avantage de pouvoir être intégrés dans un système autonome portable et utilisés pour la détection d'une grande variété d'analytes.
Dans ce dossier sont expliqués le principe de fonctionnement et la mise en œuvre de ce type de capteur. Les exemples de mesures présentés mettent en évidence les notions de réversibilité, sensibilité, sélectivité, et limite de détection, autant de critères importants dans le choix de capteurs chimiques pour des applications spécifiques.
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Mesure de la fréquence de résonance2. Fonctionnement du capteur
2.1 Principe général
Des micropoutres en silicium, fabriquées par des techniques dérivées de celles de la microélectronique, peuvent servir de microcapteurs chimiques. Pour cela, une couche sensible, dont le rôle est de capter de façon sélective l'espèce chimique que l'on souhaite détecter, est déposée sur la micropoutre. La sorption de composés par cette couche modifie ses caractéristiques physico- chimiques et, par conséquent, les propriétés mécaniques de la microstructure. Deux modes de fonctionnement peuvent être utilisés :
-
variation de la fréquence de résonance, due essentiellement à la modification de la masse du système (régime dynamique) ;
-
variation de la courbure, due à la modification des contraintes surfaciques à l'interface micropoutre/couche sensible (régime statique).
Ici, seul le régime dynamique est présenté.
HAUT DE PAGE2.2 Mise en équation de base
2.2.1 Géométrie du microcapteur
La structure de base du microcapteur est constituée (figure 1) :
-
d'un parallélépipède en silicium (module d'Young E 1 et masse volumique ρ 1) de longueur L 1 , de largeur b 1 et d'épaisseur h 1 , encastré à une l'extrémité et libre à l'autre extrémité (micropoutre) ;
-
et d'une couche de polymère (module d'Young E 2 et masse volumique ρ 2) d'épaisseur h 2 , recouvrant la surface supérieure de la micropoutre (couche sensible).
La fréquence de résonance d'une telle structure peut...
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