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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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Certain substances contained in the ambient air, and notably volatile organic compounds have been unanimously made responsible for a large number of health issues. The need for quantifying these compounds has allowed for the development of chemical sensors including micro-sensors with silicon-micro-beams. the operation principle of these sensors is based on the variation of the resonance frequency of a micro-beam, covered with a sensitive layer, according to the concentration in target species present in the environment. This article provides a theoretical approach for this type of sensors before presenting their implementation. Micro-sensors with silicon micro-beams present the advantage to detect a large variety of analytes.
Auteur(s)
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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Exemples de réalisations et de détections3. Mesure de la fréquence de résonance
Nous avons vu que la fréquence de résonance d'une micropoutre recouverte d'une couche sensible variait en fonction de la concentration en espèces cibles présentes dans l'environnement de la microstructure. Nous allons voir dans ce paragraphe comment il est possible de mesurer cette fréquence de résonance et d'en suivre, en temps réel l'évolution (§ 3.3).
Pour cela il faut être capable de mettre en vibration la structure (§ 3.1) et d'en mesurer le mouvement (§ 3.2). Dans le cas de la mesure de la fréquence de résonance par utilisation d'un oscillateur, méthode la plus appropriée pour faire de la détection chimique en temps réel, l'estimation du bruit de mesure Δf bruit est présentée (§ 3.4).
3.1 Mise en vibration
De nombreuses méthodes existent pour mettre en vibration une micropoutre. Pour ne parler que des plus courantes, on peut citer :
-
l'excitation électromagnétique, où une force de Laplace s'exerce sur une micropoutre plongée dans un champ magnétique à la surface de laquelle est déposée une piste parcourue par un courant électrique ;
-
l'excitation thermoélectrique, où des contraintes mécaniques, induites par un échauffement localisé et contrôlées électriquement, provoquent une déformation à l'image de l'effet bilame ;
-
l'excitation par couche piézoélectrique, où un effet bilame est généré...
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