Capteurs chimiques

Ces dernières années, la demande en méthodes de détection d'espèces chimiques et de mesure de leur concentration a considérablement augmenté. Cet intérêt est essentiellement dû aux considérations environnementales, de sécurité, de contrôle de procédé ou de diagnostic médical rapide.

Dans le domaine de la détection des espèces chimiques, il convient de distinguer les analyseurs (instruments d'analyse) et les capteurs chimiques.

Les analyseurs sont généralement des systèmes relativement complexes associant différents éléments mécaniques, chimiques et électriques. L'ensemble est souvent coûteux, encombrant et énergivore, ce qui les rend peu aptes à des mesures sur sites. De plus, ces instruments sont souvent affligés d'un temps de réponse long soit par la technique de détection elle-même, soit par la nécessité de manipulation des échantillons. On retrouve dans cette catégorie d'instruments, les chromatographes et les divers spectromètres. Les avantages principaux de ces instruments sont la possibilité d'une analyse complète et précise de l'échantillon de gaz.

Les capteurs chimiques ou biochimiques, quant à eux, sont généralement des systèmes simples, constitués d'une couche sensible permettant la reconnaissance de l'espèce avec laquelle elle interagit et d'un système transducteur transformant l'interaction chimique en un signal électrique. Souvent, les deux fonctions sont intimement liées. Ce dossier ne traitera pas des capteurs utilisant une méthode physique pour la détermination des espèces chimiques, comme les capteurs basés sur l'absorption infrarouge ou les capteurs photoacoustiques.

Les avantages principaux des capteurs chimiques sont : leur faible encombrement, leur faible consommation énergétique, leur faible coût, des temps de réponse relativement courts. Tous ces avantages en font des instruments idéaux pour les mesures sur site et le contrôle de procédé en ligne. Par contre, l'analyse de mélanges complexes nécessite l'emploi d'un grand nombre de capteurs sensibles à l'une ou l'autre espèce.

Il existe plusieurs familles de capteurs chimiques qui se distinguent par le type de couche sensible et le principe de transduction. Ce texte présentera une description des principaux types de capteurs.

Les performances des capteurs sont caractérisées par différents paramètres. Les principaux sont les suivants :

• la sensibilité : lien entre les variations de signal du capteur et la concentration en espèce cible ;

• la limite de sensibilité : concentration minimale détectable en espèce cible ;

• la sélectivité : aptitude à détecter l'espèce cible à l'exclusion de toute autre ;

• les interférents : espèces autres conduisant à une réponse indésirable du capteur ;

• le temps de réponse : temps requis pour atteindre 90 % de la réponse en régime après mise en contact avec le gaz à détecter ;

• le temps de récupération : temps requis pour revenir à la valeur de base du signal après évacuation de l'espèce ;

• la durée de vie : période pendant laquelle les caractéristiques du capteur permettent son utilisation avec un degré de précision suffisant (dépend de l'exigence de l'application) ;

• la dérive : évolution de la ligne de base du capteur en l'absence de l'espèce cible ;

• la consommation : puissance absorbée par le capteur en fonctionnement.

Ces dernières années, le domaine des capteurs a connu un renouveau tout à fait remarquable. Celui-ci est le résultat de trois facteurs principaux qui ont à la fois vivement animé la recherche dans ce secteur et fortement incité le développement de capteurs de type nouveau. Le premier de ces facteurs est le besoin très vif en capteurs fiables qu'entraîne la croissante sévérité des normes dans tous les domaines touchant à la chimie et la biochimie (environnement, alimentation, pharmacie, sécurité domestique et industrielle, monitoring médical…). Le second est lié à la généralisation de l'automatisation dans le génie des procédés qui requiert, à l'origine de la chaîne, des sondes de qualité. Le troisième est l'intrusion en force des méthodes de microfabrication de l'électronique dans la technologie de réalisation des capteurs. Ce dernier point est sans doute le plus notable, car il donne accès au domaine des fabrications collectives avec les avantages qui lui sont liés de bas coût (les capteurs jetables deviennent envisageables), de gain en fiabilité et d'adaptation aux microcircuits, pour l'instant hybrides mais certainement bientôt monolithiques.

Le coût généralement faible des capteurs permet leur utilisation en réseaux. La constitution d'un réseau de capteur poursuit trois objectifs : le premier concerne leur utilisation en réseaux afin de pallier leur manque fréquent de sélectivité. En effet, les espèces moléculaires et ioniques chimiques ne diffèrent pas suffisamment les unes des autres pour que l'on puisse espérer généraliser facilement la réalisation de capteurs sélectifs. Ce n'est pas le cas pour les espèces biochimiques pour lesquelles les interactions sont parfaitement sélectives. Afin de combler cette déficience, il a été proposé d'utiliser des réseaux constitués de capteurs qui diffèrent dans leur réponse individuelle aux composants des mélanges à examiner. L'analyse matricielle des signaux émis par ces capteurs permet alors de remonter à l'information exacte ou à une représentation matricielle d'un mélange complexe. Cette dernière description est en particulier adaptée à l'analyse des odeurs (nez électronique) et constitue le deuxième objectif, qui est la quantification de mélanges complexes . Le troisième objectif concerne l'utilisation de réseaux de capteurs géographiquement dispersés pour la reconstitution d'une carte de répartition d'une espèce (cartographie de pollution par exemple).

Notons qu'une nouvelle voie consistant en la miniaturisation des instruments d'analyse pour les amener dans le domaine centimétrique ou décimétrique a été fortement développée ces dernières années, en particulier dans le domaine biomédical. Cette nouvelle voie a été initiée, vers la fin des années 70, par la réalisation, à Stanford, d'un microchromatographe comportant une colonne capillaire de 1,50 m gravée dans une tranche de silicium de 5 cm de diamètre. Ce genre de réalisation permet de concilier avantageusement les impératifs de petite taille, faible consommation de réactifs, gain de temps et sélectivité. C'est une direction riche de promesses et technologiquement viable qui fait l'objet de recherches actives vers la réalisation de systèmes d'analyse complets qu'on appelle communément « lab on a chip » ou MicroTotal Analysis System, µTAS pour les Anglo-Saxons (cf.  à ).