EP1086370A1 - Detector for one or several polluting gases and use thereof - Google Patents
Detector for one or several polluting gases and use thereofInfo
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- EP1086370A1 EP1086370A1 EP99923729A EP99923729A EP1086370A1 EP 1086370 A1 EP1086370 A1 EP 1086370A1 EP 99923729 A EP99923729 A EP 99923729A EP 99923729 A EP99923729 A EP 99923729A EP 1086370 A1 EP1086370 A1 EP 1086370A1
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Definitions
- the present invention relates to a detector capable of detecting and measuring the quantity of at least one polluting gas, in particular the quantity of ozone or other polluting species, including N0 2 , present in a gas.
- the invention is intended both for industrial and environmental control uses as well as in the laboratory field.
- the object of the invention is to facilitate this detection and this measurement.
- the present invention relates more particularly to a detector of at least one polluting gas, comprising a field effect transistor comprising a source electrode and a drain electrode connected to each other by an electroactive part which consists of a layer of molecular material. , the source electrode and the drain electrode of this transistor being connected to a device for measuring the intensity of the current flowing between the drain electrode and the source electrode of the transistor when the layer of molecular material is subject to the influence of said at least one polluting gas.
- Document DD 287 788 discloses a detector comprising a field effect transistor which uses a layer of metallophthalocyanine electrically connecting its drain and source electrodes. This document does not disclose a measurement device connected to the transistor and which is capable of carrying out measurements in two well-defined times, namely:
- the object of the detector according to the present invention is, among other things, to include such a measuring device.
- the detector according to the invention comprises means for measuring the intensity of the current flowing between the drain electrode and the source electrode of the transistor at least at a given instant after initialization of the detector, the presence of said at least one polluting gas causing doping of the molecular material according to the concentration of polluting gas, the intensity and the slope of the growth of said current being linked to the concentration of polluting gas.
- the electrical measurements are carried out by application of an electrical voltage between the electrode drain and the source electrode of the transistor and an electric voltage between the gate electrode and the source electrode of the transistor, these voltages being chosen from the group comprising direct voltages, voltage ramps, voltages impulse and alternating voltages;
- the transistor includes:
- the drain and source electrodes are deposited on the layer of molecular material by techniques chosen from the group comprising masking and screen printing and associated techniques;
- the drain and source electrodes are manufactured by microlithography;
- the molecular units constituting the molecular material are substituted by atoms, paraffinic chains, polymer chains such as polyoxyethylene chains, anionic or cationic groups;
- the layer of molecular material is optionally deposited after dissolving in the solvent the molecular units constituting said layer, in particular by vacuum sublimation, by spinning method, by screen printing, by Langmuir Blodgett method, by photopolymerization after grafting or not the insulating layer, and associated techniques;
- the insulating layer consists of mineral insulators (Si0 2 , Si 3 N 4, etc.) or else by thin layers of polymers, Langmuir Blodgett layers or else molecules having electrical insulating properties grafted onto the 'gate electrode of the transistor;
- the insulating layer is deposited by photopolymerization after grafting or not of said conductive substrate;
- the molecular material is chosen in particular from the group comprising metallized or unmetallic phthalocyanine derivatives, metallized or unmetallized porphyrins, azaporphyrins, porphyrazines, rare earth bisphthalocyanines, their mixtures, and the superposition of several layers of them ; by "derivatives of metallized or non-metallized phthalocyanines” is meant the derivatives of formula PcM in which M represents in particular H 2 , Cu, Ni, Zn, Fe and Pc represents the phthalocyanine. This type of phthalocyanine derivative is commercially available at low cost.
- the diffusion of gaseous species within the layer of molecular material is improved when it is of the amorphous or quasi-amorphous type instead of being polycrystalline. As a result, the response time of the detector is reduced very favorably.
- the detector comprises a light source for subjecting the transistor to a photonic flux during detection and measurement, said light source being intended to increase the sensitivity of the detector;
- the detector includes a heat source to increase its temperature and promote the migration of the constituent species within the molecular material;
- the transistor is arranged in an enclosure comprising controlled means for admitting at least one polluting gas and an internal coating at least part of which comprises a material capable of reacting with said at least one polluting gas to be detected, said controlled means being actuated, on the one hand, in intake to allow the introduction of said at least one polluting gas inside the enclosure and, on the other hand, in intake shutdown to prevent the introduction of said at least one polluting gas inside the enclosure and thus promoting the adsorption or chemical destruction of said at least one corresponding polluting gas, this last step constituting the initialization phase;
- the internal coating material of the enclosure is chosen from the group comprising stainless steel, an alloy of aluminum, copper and magnesium among others, polymeric materials and comprises on at least part of its surface a compound capable of reacting with said at least one polluting gas to be detected, said compound being chosen as a function of said at least one gas to be detected from the group comprising in particular diphenylbenzidine, lead salts and indigo.
- indigo can be used, in the case where said at least one gas to be detected is ozone, diphenylbenzidine, in the case where said at least one gas to be detected is nitrogen dioxide, lead salts , in the case where said at least one gas to be detected is H 2 S.
- the controlled elements for admitting said at least one polluting gas are chosen from the group comprising a movable cover secured to the enclosure, and an electric pump connected to the enclosure;
- the enclosure further comprises elements generating convection current which are put into operation during the cut-off of the admission controlled elements of said at least one polluting gas to accelerate the flow of said at least one polluting gas towards the internal coating of said enclosure;
- the enclosure is connected to elements for the selective destruction of said at least one polluting gas;
- Said at least one polluting gas is an element constituting a mixture of gases, this element being chosen from the group comprising in particular ozone, HF, CO, C0 2 , S0 2 , aniline, AsR 3 R being a alkyl group, NO, N0 2 , Cl 2 , C1CN, DMF, Me 2 S, H 2 S, RSH R being an alkyl group, H 2 0 2 , C0C1 2 , CS 2 NO or their mixtures, toxic gases and dangerous gas.
- the invention also relates to a method for measuring the concentration of at least one polluting gas constituting a mixture of gases captured by the detector according to the invention, method which is characterized in that it comprises the steps consisting at : a) admitting into the detector this mixture of gases between a first instant and a second instant following said first instant, and measuring the intensity of the current which circulates between the drain electrode and the source electrode of the transistor, between the first and second instants, b) cut off this admission between the second instant and a third instant following said second instant, and measure the intensity of the current flowing between the drain electrode and the source electrode of the transistor, in l time interval between the second and third instants, this interval constituting the initialization of the detector during which said at least one polluting gas contained in said gas mixture is selectively destroyed, c) admitting said mixture again into the detector of gas between the third instant and a fourth instant following said third instant, and measure the intensity of the current flowing between the drain electrode and the electrode source of the transistor, between the third and fourth instants, to deduce the concentration
- step b) is followed by a step consisting in comparing the value of the intensity of the current which flowed in the transistor between the first and second instants with a value of reference function of said at least one polluting gas, in order to determine the concentration of said at least one polluting gas.
- a value of the derivative with respect to time is calculated of the intensity of the current which has circulated between the drain electrode and the source electrode of the transistor between the first and second instants,
- a value of the derivative with respect to time is calculated of the intensity of the current which has flowed between the drain electrode and the source electrode of the transistor between the second and third instants, and compares the derivatives calculated respectively in steps a) and b) with a reference value as a function of said at least one polluting gas in order to determine the concentration of said at least one polluting gas.
- the measurements carried out are repeated successively a plurality of times.
- the voltage between the drain electrode and the source electrode of the transistor is applied, while the derivative with respect to time is determined of the intensity of the current flowing between the drain electrode and the electrode source of the transistor, said voltage being continuous and being equal to or different from the voltage between the gate electrode and the source electrode of the transistor;
- a voltage slot is applied during a period varying from zero to a few minutes between the drain electrode and the source electrode of the transistor, while the intensity of the current flowing between the drain electrode and l the source electrode of the transistor is measured according to a previously chosen sampling; a first voltage is applied between the first and second instants, a second voltage, different from the first voltage, is applied between the second and third instants, these steps being repeated periodically over time and the Fourier transform of the signal delivered by the detector being carried out;
- - Figure 2 is a view similar to Figure 1, for a second embodiment of the detector manufactured by microlithography;
- - Figures 3a and 3b are top views respectively representing two embodiments envisaged for the source and drain regions of a transistor usable in the detector of Figures 1 and 2;
- - Figure 4 is a partial perspective view of a detector according to a third embodiment of the invention;
- FIG. 5 to 7 are schematic views similar to Figure 4, respectively for the fourth, fifth and sixth embodiments of the detector;
- - Figure 8 is a partial perspective view of differential measurement means: a first detector according to the invention is in contact with an atmosphere of at least one polluting gas, while a second detector according to the invention is in contact with the same atmosphere in which one or more initial polluting gases have been removed;
- FIG. 9 is a curve representing the evolution of the current flowing between the drain and the source of the transistor as a function of time, when the detector is subjected alternately to a confined atmosphere (static covering) and to ambient air (exposure static), and when the detector comprises, as a layer of molecular material, a quasi-amorphous layer of (F 2 ) x PcZn, for two consecutive experiments;
- - Figure 10 is a curve representative of the evolution of the current flowing between the drain and the source of the transistor as a function of time, when ozone is detected by the molecular transistor illustrated in Figure 2;
- FIGS. 11 and 12 show comparatively the evolution of the current flowing between the drain and the source of the transistor as a function of time and the evolution of the derivative with respect to time of this current as a function of time, when the detector, comprising the transistor illustrated in FIG. 2, is exposed to air enriched with ozone;
- FIG. 13 shows the detail of the response time of the derivative with respect to the time of the intensity of the current flowing between the drain and the source of the transistor, when the detector is exposed to a flow of natural air enriched in ozone;
- FIG. 14 is a curve representative of the evolution over time of the current flowing between the drain and the source of the transistor as shown in Figure 1, when the detector is exposed to a flow of air enriched in ozone during 2 minutes, then subjected to a confined atmosphere for 8 minutes (static covering);
- - Figures 15 and 16 show comparatively the evolution of the current flowing between the drain and the source of the transistor as a function of time, depending on whether the interior surface of the detector enclosure is coated or not with a material intended to neutralize the 'ozone during the initialization phase;
- - Figure 17 shows the evolution as a function of time of the derivative with respect to the time of the current flowing between the drain and source electrodes of the transistor illustrated in Figure 2 and used in the detector of Figure 4, the exposure of the polluted air detector and the static covering of the detector when the enclosure is closed, both being carried out without gas flow;
- - Figure 18 shows the evolution over time of the current flowing between the drain and source electrodes of a transistor as shown in Figure 2, when a detector comprising this transistor is alternately exposed to 100 ppb of N0 2 in synthetic air, then in pure synthetic air;
- - Figure 19 shows the evolution as a function of time of the current flowing between the drain and source electrodes of the transistor, when the detector is exposed to increasing concentrations of N0 2 in synthetic air, then subjected to a flux synthetic air;
- FIG. 22 shows the evolution as a function of time of the current flowing between the drain and source electrodes of the transistor, the measurement protocol involving a measurement of the response time of the detector;
- - Figure 23 shows the evolution as a function of time of the current flowing between the drain and source electrodes of the transistor, when the detector comprising the transistor of Figure 2 has a movable cover whose opening is mechanically controlled by a measurement "electric, the figure representing the way in which the properties of the detector are restored by the application of a voltage V ⁇ of opposite sign to the voltage V G s applied for the measurement.
- the transistor designated by the reference numeral 13, is a field effect transistor. It includes: a metallic conductive substrate 1 forming the gate electrode G of the transistor and which is, for example, a highly doped silicon crystal;
- a layer 4 of molecular material for example metallophthalocyanine, deposited on layer 2, 3;
- This transistor is connected to a device 7 for measuring the intensity of the current flowing between the drain electrode 5 and the source electrode 6, which will be designated subsequently by I DS .
- this measuring device is a device which measures the intensity I DS after application of a drain-source voltage V DS and of a gate-source voltage V GS , while a gas to be detected is in contact layer 4 of metallophthalocyanine.
- the voltages V DS and V GS generally applied are continuous, but it will be seen in the following description that voltages V DS and V G s of another type can be used.
- the transistor 13 shown is obtained by microlithography, which is not the case of the transistor of Figure 1 which is produced by masking.
- the transistor represented in figure 2 comprises:
- an insulating layer 2 for example of silicon oxide (Si0 2 ), deposited on the layer 1;
- a layer 4 of molecular material for example metallophthalocyanine, deposited on layer 3; - And two drain 5 and source 6 electrodes placed below the layer 4, and constituting the rest of the transistor.
- the drain 5 and source 6 electrodes are connected respectively by respective connections 8 ′ and 8 to the terminals of an electrical circuit constituted by an electrical supply 9 and a device 10 for measuring I DS .
- the power supply 9 can deliver, for example, a DC, AC, pulse voltage, or even a voltage ramp.
- the gate electrode 1 is, for its part, connected, via a connection 11, to a supply 12 which makes it possible to vary the gate-source voltage V GS . This gate electrode 1 can also be directly connected to earth.
- the transistor 13 thus formed is sensitive to the action of one or more polluting gases.
- the polluting gas or gases admitted into the detector are elements constituting a mixture of gases, these elements being chosen from the group comprising in particular ozone, HF, CO, C0 2 , S0 2 , l aniline, AsR 3 R being an alkyl group, NO, N0 2 , Cl 2 , C1CN, DMF, Me 2 S, H 2 S, RSH R being an alkyl group, H 2 0 2 , C0C1 2 , CS 2 , NO or their mixtures.
- Layer 2 can be obtained by oxidation of the upper layer of substrate 1. It can also be obtained by deposition. The thickness of layer 2 is for example 500 ⁇ .
- Layer 3 of silicon nitride can be obtained by an SiH 4 / NH 3 plasma or by chemical vapor deposition. Si 3 N 4 can also be deposited by spraying. The thickness of layer 3 is for example 600 ⁇ .
- the layer 4 of metallophthalocyanine has a thickness equal to for example 500 ⁇ .
- the drain 5 and source 6 electrodes are respectively constituted, for example, by layers of gold each having a thickness of, for example, 500 ⁇ , themselves deposited on layers of chromium each having a thickness of, by example, 100 ⁇ , to improve contacts.
- FIGS. 3a and 3b show preferred examples of embodiment of the drain and source electrodes 5 and 6.
- the electrodes 5 and 6 are interdigitated.
- Each electrode comprises for example sixteen fingers whose length 1 is approximately 600 micrometers. Consequently, the width of the conduction channel, designated by, is of the order of 20,000 micrometers.
- the interelectrode distance L is, in this example, 10 micrometers. Under these conditions, the W / L ratio of the transistor formed is of the order of 2000.
- the interelectrode distance L was obtained for values of 10, 20, 50 or 100 micrometers.
- W / L is, in this case, 300 maximum.
- FIGS. 3a and 3b relate to a fabrication of the microlithographic type transistor.
- the device shown in Figure 1 is more conventional and only requires the use of a cover
- the measuring device comprises a circuit for measuring the intensity of the current flowing between the drain 5 and the source 6 of the transistor when the layer 4 is subjected to the influence of one or more polluting gases.
- the circuit and the electrical means are produced by a microcontroller which will carry out an analog-digital conversion of the value of the measured current and which will include a clock, counters, as well as a prerecorded program for delivering a measurement signal at regular interval. or irregular.
- microcontroller will be perfected and capable of processing the evolution of the measurements over time.
- signal processing techniques are of known type.
- the detector comprises a box 14 which contains a transistor 13 conforming to that of FIG. 1 or 2, an electronic circuit for processing information (not shown), the batteries (not shown) of the power supply electric and a liquid crystal screen (not shown).
- the box 14 has for example overall dimensions equal to approximately 10 * 5 * 3 cm 3 .
- the layer of molecular material 4 forms the upper face of the transistor 13, capable of being in direct contact with the atmosphere.
- the box 14 is equipped with a removable cover 15 which is, in this example, pivotable relative to the box 14.
- the box 14 has an inner surface 14a coated with a material capable of reacting with one or more of the polluting gases to be detected, such as for example Duralumin (known alloy of aluminum, copper and magnesium), stainless steel, polymeric materials.
- Said material can also comprise on a part of its surface a compound capable of reacting with one or more of the polluting gases to be detected, this compound being chosen as a function of the gas or gases to be detected.
- One of the measurement principles is as follows ( Figure 17).
- the opening of the box 14 is released to allow the admission of a gaseous mixture containing one or more polluting gases, such as for example ozone.
- the opening of the box 14 remains clear until a second instant t2, the difference t2-tl being equal to approximately 2 min in this example.
- the transistor 13 is subjected, during this time interval, to the influence of the polluting gas or gases, the exposure to this or these gases being for example static, that is to say without creation of flux thereof.
- the measuring device 10 performs the measurement of Is and calculates dI D s / dt. This constitutes the first phase of detection.
- the cover 15 is folded so as to close the opening of the box 14 and the measurement of I DS continues until a third time t3.
- this time interval t3-t2 one or more of the polluting gases is destroyed or adsorbed by a constituent element of the chamber 14.
- a constituent element of the chamber 14 For ozone, it may be duralumin or polymer products.
- This duration t3-t2 constitutes the initialization of the detector. This initialization takes approximately 8 minutes in this example.
- the transistor is again exposed to the gas mixture in its entirety.
- I DS , dI DS / dt we measure I DS , dI DS / dt or similar electrical parameters.
- the quantity of the polluting gas or gases is given either by I DS or dI D s / dt at a given instant, or by the maximum value of dI DS / dt, or by a parameter logically arising from these measurements.
- a preliminary calibration makes it possible to give a quantitative value to the content of pollutant gas (s).
- An example of use of the above detector consists in placing the box 14 in a glove box which is supplied with ambient air charged with ozone (about 40 ppb). Furthermore, a lamp 16 is disposed above the box 14 so as to illuminate the thin layer of metallophthalocyanine of the transistor 13. The use of such a lamp has the advantage of causing an increase in the sensitivity of the detector and also to broaden the range of products detected. As an indication, the lamp 16 provides approximately an illumination corresponding to 100 milliwatt per cm 2 .
- a heating resistor 17 can also be used so as to bring the detector to a given temperature, for example of the order of 100 ° C., this in order to favor the migration of the constituent species of the molecular material of layer 4.
- the heating resistor 17 consists of a resistor etched and electrically insulated on the rear face of the substrate 1 of the transistor 13.
- the heating resistor radiator
- the use of a platinum resistance allows to obtain, in addition to the measurement of I DS the temperature measurement of the detector. The results may be available on a conventional interface.
- an enclosure is used in the form of a tube with walls made, for example, of polymeric materials, the tube having, in this example , a capacity of 25 ml.
- a controlled element for the admission of one or more polluting gases for example an electro-pump P, is connected downstream (in solid lines in FIG. 5) or upstream (in dotted lines in FIG. 5) of the tube 14
- the transistor 13 is placed inside the tube 14.
- a flow of polluted air is admitted into the tube 14 by actuation of the electro-pump P, and the device 10 performs the measurement of I D s (and then, if necessary, the derivative dI DS / dt).
- this air flow is between 0.4 1 / min and 1 1 / min.
- the exposure of the detector to polluted air is dynamic here, taking into account the electro-pump P.
- This step is comparable to the static covering of the box of FIG. 4.
- the measuring device 10 performs the measurement of I D s (and then the derivative dI DS / dt). The process described above is then repeated for a plurality of cycles.
- the detector is identical to that represented in FIG. 5, with the difference that a means for generating convection current, such as an agitator or a turbine T, is placed in the tube. 14, so as to accelerate the flow of polluted air inside the tube, only during the moments when the pump P is stopped.
- a means for generating convection current such as an agitator or a turbine T
- the detector is identical to that shown in Figure 5, with the difference that at least one circuit, consisting of a solenoid valve connected in series with a means of selective destruction of one or more several polluting gases, such as for example a filter, is connected upstream of the tube 14.
- This type of detector is particularly well suited in the case where it is exposed to a mixture of polluting gases. More particularly in this example, two circuits are provided, one of which is constituted by a solenoid valve VI and a filter IF, and the other is constituted by a solenoid valve V2 and a filter F2. These two circuits are connected upstream of the tube 14 so as to selectively admit into the tube 14 one or more polluting gases constituting the gas mixture to which the transistor 13 is exposed.
- FIG. 8 Another embodiment of the detector of the invention is now proposed with reference to FIG. 8.
- two detectors Dl and D2 in accordance with the invention and both identical, receive via a respective inlet orifice 01 , 02, a gas whose ozone content is to be measured.
- One of the detectors, for example D1 further comprises a filtering device 18.
- This filtering device 18 comprises for example a filter made of duralumin chips, causing a rapid decomposition of the ozone present in the injected polluting atmosphere.
- the detector D2 which is not connected to a filtering device, directly admits, through its orifice 02, the polluting atmosphere as it is injected.
- the electrical measurement of detector Dl and that of detector D2 are connected in common to a comparator 19 which is intended to normalize the results delivered by the two detectors Dl and D2.
- the particularity of the detector of the invention resides in the fact that it has a reactivity to the presence of ozone or other polluting gases in the atmosphere. measured.
- the phenomenon which occurs is a phenomenon of partial oxidation of the layer of molecular material 4 by the polluting gas or gases, which has the effect of boosting the material of said layer 4 and thus constituting a more or less conductive layer, more or less doped depending on the concentration of ozone or other oxidizing species.
- N-type doping can be envisaged with reducing gases. The phenomenon evolves over time.
- the invention is characterized in that a thin layer of molecular material constituting the electroactive part of a field effect transistor is used to detect and titrate one or more polluting gases constituting a mixture of gases.
- the selectivity of detection is ensured by the comparison between a measurement carried out on the gas mixture in its entirety and another carried out on this same gas mixture to which one or more constituents have been removed by adsorption or chemical destruction.
- EXAMPLE 1 Process for the preparation of phthalocyanine derivatives making it possible to obtain amorphous (or almost amorphous) layers of molecular material.
- the procedure in an example was, to synthesize zinc phthalocyanine, to constitute a mixture of 0.96 g phthalonitrile (Mw: 128.13; 7.5 mmol) /1.23 g of 4,5-difluorophthalonitrile (Mw: 164.13; 7.5 mmol) /1.96 g Zn and 18 ml of chloronaphthalene.
- the theoretical proportions of each of the products can be calculated by assuming equal reactivity for the two types of phthalonitriles.
- Mass spectrometry (chemical ionization; NH 3 ) verified that the expected products were well synthesized. It has been verified that sublimation does not alter the relative proportions of the various constituents of (F 2 ) x PcZn. The ultraviolet, visible and infrared absorption spectra show significant differences between the two types of phthalocyanine (PcZn and partially substituted derivative).
- PcZn 344.5 nm; 604 nm; 668.5 nm (F 2 ) x PcZn: 339 nm; 599 nm; 662 nm
- IR spectra were made on the two previous materials. In particular, characteristic lines of the CF link were noted between 1050 and 1400 cm -1 .
- EXAMPLE 2 Evolution over time of the intensity I DS of the current flowing between the drain electrodes 5 and of source 6 of a transistor such as that shown in FIG. 2 when a thin, almost amorphous layer (F 2 ) x PcZn is exposed to ambient air.
- the thin layer of molecular material is annealed at 120 ° C for 1 hour and has a thickness whose value is for example equal to 500 ⁇ .
- EXAMPLE 3 Evolution over time of the intensity I DS of the current flowing between the drain 5 and source 6 electrodes of a transistor such as that shown in FIG. 2, when ozone is detected.
- FIG. 10 represents the evolution of the intensity of the current I Ds as a function of time, the measurement process having been carried out over 10 cycles.
- the detector is exposed to filtered air enriched with ozone (part A of the curve in solid line in FIG. 10).
- the ozone concentration is indicated by the dotted curve (about 275 ppb) which is designated by the reference numeral 20 in Figure 10.
- the source electrode is grounded.
- EXAMPLE 4 Comparison of the current I D s and of the derivative dlos / dt when the detector comprises the transistor illustrated in FIG. 2 and is based on the principle shown in FIG. 5, this detector being exposed to air enriched in ozone.
- Figures 11 and 12 show the evolution over time of I D s and dI DS / dt for different concentrations of ozone in air previously filtered on activated carbon.
- the ozone concentrations are indicated by the dotted curves 21, the right scale indicating the exact ozone contents as measured by a metrological device (environment SA 0 3 41M).
- a metrological device environment SA 0 3 41M.
- the air flow is 1.6 l / min. This period is followed by a static recovery phase (8 min) during which the pump is stopped and the flow interrupted.
- the value of (dlos / dt) ⁇ is taken as an indication of the ozone content - ie the maximum of this derivative during the exposure phase.
- This principle of measurement overcomes some of the limitations linked to the direct measurement of I D s such as the drift of I D s as a function of time, or a certain lack of reproducibility.
- EXAMPLE 5 Detail of the response time of the detector on the curve representing the evolution over time of dlos / dt, when the detector is exposed to one or more polluting gases.
- FIG. 13 shows the response of a detector comprising a transistor such as that illustrated in FIG. 2.
- Natural air is enriched with ozone by the use of a mercury lamp.
- a pump mounted downstream of the enclosure (25 ml) containing the detector allows exposure under flow for 2 min.
- an air sample is taken to titrate the ozone using a metrological device.
- the recovery is static (8 min) and is obtained by stopping the gas flow generating pump.
- the ON or OFF state of the pump is indicated on the curve by white circles (curve 22).
- the value of dlos / dt is indicated by black circles (curve 23).
- EXAMPLE 6 Evolution over time of I DS of a detector comprising a transistor such as that illustrated in FIG. 1, this detector being exposed to filtered air enriched with ozone.
- FIG. 14 shows the variation of I DS of a detector manufactured according to techniques which do not require microlithography.
- a thin layer of nickel phthalocyanine (PcNi) is deposited on the insulating layers 2, 3 (Si0 2 and
- the exposure is made under flow (for 2 min) of filtered air enriched with ozone.
- the overlap is static.
- the measurement detector is shown diagrammatically in FIG. 5.
- the voltage V GS is applied for one second and I DS is measured after 0.2 s.
- EXAMPLE 7 Evolution over time of I DS with the transistor illustrated in FIG. 2 and used in the detector of FIG. 5, when this detector is exposed to a flow of filtered air enriched with ozone (30 ppb).
- FIGS. 15 and 16 show the difference in response of the detector according to whether the enclosure is internally coated with indigo which is a reagent known to react selectively with ozone (FIG. 15), or according to whether the enclosure is left without any particular coating (figure 16). The comparison shows a very markedly improved response by the presence of the indigo layer.
- the detector 17 indicates the evolution over time of the derivative with respect to time of the intensity I DS , when the detector is exposed to natural air enriched in ozone by a mercury lamp (approximately 40 ppb).
- the detector is placed in a box 14 having overall dimensions of approximately 10 * 5 * 3 cm 3 and containing all the components (batteries, display, information processing circuits, etc.) necessary for autonomous operation of the detector. . It is therefore a portable detector.
- the exposure is said to be static because no gas flow is necessary for detection, the only opening of the movable cover 15 secured to the box 14 allowing said static exposure.
- the static covering phase is done by simply closing the cover 15, thus isolating the detector from the outside air and allowing the ozone, contained in the air inside the box 14, to adsorb or to decompose on the interior walls of the box 14.
- the ozone concentration as measured by a commercial metrological device is indicated by the dotted curve 24.
- EXAMPLE 9 Evolution over time of the intensity I DS for a detector comprising a transistor as shown in FIG. 2, the detector being exposed to a flow of air Synthetic containing N0 2, measuring the N0 2 concentration being carried out by comparison with a measurement carried out under a flow of pure synthetic air.
- FIG. 18 shows the evolution over time of I DS for a detector subjected successively to a flow of synthetic air containing 100 ppb of N0 2 , at the instant designated by t '1 in FIG. 18 up to a subsequent time indicated by t'2 (the interval t'2-t'l is approximately 80 min in this example).
- the previous flow is replaced by a flow of pure synthetic air in order to allow the original properties of the detector to be recovered.
- the layer of molecular material 4 used is a layer of nickel phthalocyanine with a thickness of approximately 300 ⁇ .
- the electrical measurement conditions are as follows:
- EXAMPLE 10 Evolution over time of the intensity I D s for a detector comprising a transistor such as that shown in FIG. 2 and subjected to increasing concentrations of N0 2 in synthetic air under air flow, these periods being followed by a dynamic recovery phase during which the detector is subjected to a single flow of synthetic air.
- Figure 19 shows 6 dynamic exposure / dynamic recovery measurement cycles.
- the N0 2 concentration varies.
- the concentrations 50 have been reported successively, 100, 150, 200, 250 and 300 ppb of N0 2 . It is remarkable to note the proportionality observed between the maximum intensity of I D s and the ozone content. It is also remarkable to note that the return to the original state of the detector (ie before its exposure to NO 2 ) is excellent, although in this example requiring a fairly long time (2 hours).
- the dynamic exposure / dynamic recovery cycles are 2 min / 8 min. No bias of the transistor is applied during recovery under lux of pure synthetic air.
- This measurement protocol is important because it makes it possible to distinguish between various polluting gases considering their response time which is itself different vis-à-vis that of the detector. Information processing by Fourier transform is then possible.
- EXAMPLE 12 Evolution over time of the intensity I DS of the current flowing between the drain 5 and source 6 electrodes of a transistor such as that shown in FIG. 2, for a variant of the previous measurement protocols.
- FIG. 21 shows in full line the evolution of the intensity I D s over time, when the exposure (2 min) of the detector is done under a flow of filtered air enriched with ozone, the covering being static and no air flow sweeping over the detector.
- the ozone concentration is measured with a commercial metrological device and the ozone content is indicated by the right scale and the dotted curve 25.
- I DS is measured 0.2s after the application of said voltages.
- EXAMPLE 13 Evolution over time of the intensity I DS of the current flowing between the drain 5 and source 6 electrodes of a transistor such as that shown in FIG. 1, for another variant of the previous measurement protocols, in the case of an ozone determination.
- the electrical measurement conditions are as follows: - a voltage pulse of 10V at V DG ⁇ V DS ⁇ -IOV and at
- V GS 0 is applied for 200 ms, said pulses being separated from one another by about one minute.
- the observed delays ⁇ tl and ⁇ t2 are different, as are the intensities I D s measured after these delays. This provides another means of discrimination against the various polluting gases without necessarily calling for the selective destruction of one of the constituents.
- EXAMPLE 14 Evolution over time of the intensity I D s of the current flowing between the drain 5 and source 6 electrodes of a transistor such as that shown in FIG. 1, the electrical measurement protocol being analogous to that of Example 13 (V DG ⁇ V DS ⁇ -IOV for 200 ms and measurement of I DS every minute).
- the controlled opening of the enclosure cover containing the transistor made it possible to make differential measurements without manual intervention.
- the measurement protocol is as follows:
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Abstract
The invention concerns a detector in the form of a field-effect transistor (13) arranged in a chamber (14). The transistor (13) electroattractive part is formed by a macromolecular material layer (4). The latter is exposed to a mixture containing at least one polluting gas, such as O3 and NO2, which causes it to be doped. A measuring device (10) comprises means for measuring the intensity of the current (IDS) which circulates between the transistor drain electrode (5) and source electrode (6) at least at one given time after the detector has been initialised, said at least polluting gas presence causing the layer (4) material to be doped depending on the concentration in polluting gas, the current (IDS)intensity and the intensity gradient being related to the concentration in polluting gas.
Description
DETECTEUR D'UN OU DE PLUSIEURS GAZ POLLUANTS ET SON UTILISATIONDETECTOR FOR ONE OR MORE POLLUTANT GASES AND USE THEREOF
La présente invention a pour objet un détecteur capable de détecter et de mesurer la quantité d' au moins un gaz polluant, notamment la quantité d'ozone ou d'autres espèces polluantes, dont N02, présentes dans un gaz. L'invention est destinée tant aux usages industriels et de contrôle de l'environnement que dans le domaine du laboratoire. L'invention a pour but de faciliter cette détection et cette mesure. La présente invention concerne plus particulièrement un détecteur d'au moins un gaz polluant, comprenant un transistor à effet de champ comportant une électrode de source et une électrode de drain reliées entre elles par une partie electroactive qui est constituée d'une couche de matériau moléculaire, l'électrode de source et l'électrode de drain de ce transistor étant reliées à un dispositif de mesure de l'intensité du courant qui circule entre l'électrode de drain et l'électrode de source du transistor lorsque la couche de matériau moléculaire est soumise à l'influence dudit au moins un gaz polluant.The present invention relates to a detector capable of detecting and measuring the quantity of at least one polluting gas, in particular the quantity of ozone or other polluting species, including N0 2 , present in a gas. The invention is intended both for industrial and environmental control uses as well as in the laboratory field. The object of the invention is to facilitate this detection and this measurement. The present invention relates more particularly to a detector of at least one polluting gas, comprising a field effect transistor comprising a source electrode and a drain electrode connected to each other by an electroactive part which consists of a layer of molecular material. , the source electrode and the drain electrode of this transistor being connected to a device for measuring the intensity of the current flowing between the drain electrode and the source electrode of the transistor when the layer of molecular material is subject to the influence of said at least one polluting gas.
On connaît d'après le document DD 287 788 un détecteur comprenant un transistor à effet de champ qui utilise une couche de métallophtalocyanine reliant électriquement ses électrodes de drain et source. Ce document ne divulgue pas de dispositif de mesure relié au transistor et qui est capable d'effectuer des mesures en deux temps bien déterminés, à savoir :Document DD 287 788 discloses a detector comprising a field effect transistor which uses a layer of metallophthalocyanine electrically connecting its drain and source electrodes. This document does not disclose a measurement device connected to the transistor and which is capable of carrying out measurements in two well-defined times, namely:
- un premier temps, pendant lequel le transistor est exposé à une atmosphère polluée, - et un deuxième temps d'initialisation du détecteur, pendant lequel l'un ou plusieurs des gaz polluants contenu dans cette atmosphère est détruit .
Le détecteur selon la présente invention a pour objet, entre autres, de comprendre un tel dispositif de mesure.- a first stage, during which the transistor is exposed to a polluted atmosphere, - and a second stage of initialization of the detector, during which one or more of the polluting gases contained in this atmosphere is destroyed. The object of the detector according to the present invention is, among other things, to include such a measuring device.
A cet effet, le détecteur selon l'invention comporte des moyens de mesure de l'intensité du courant qui circule entre l'électrode de drain et l'électrode de source du transistor à au moins un instant donné après l'initialisation du détecteur, la présence dudit au moins un gaz polluant provoquant le dopage du matériau moléculaire selon la concentration en gaz polluant, l'intensité et la pente de la croissance dudit courant étant liées à la concentration en gaz polluant.To this end, the detector according to the invention comprises means for measuring the intensity of the current flowing between the drain electrode and the source electrode of the transistor at least at a given instant after initialization of the detector, the presence of said at least one polluting gas causing doping of the molecular material according to the concentration of polluting gas, the intensity and the slope of the growth of said current being linked to the concentration of polluting gas.
Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes: - les mesures électriques sont effectuées par application d'une tension électrique entre l'électrode de drain et l'électrode de source du transistor et d'une tension électrique entre l'électrode de grille et l'électrode de source du transistor, ces tensions étant choisies dans le groupe comprenant les tensions continues, les rampes de tension, les tensions impulsionnelles et les tensions alternatives ;In preferred embodiments of the invention, it is optionally possible to have recourse in addition to one and / or the other of the following provisions: the electrical measurements are carried out by application of an electrical voltage between the electrode drain and the source electrode of the transistor and an electric voltage between the gate electrode and the source electrode of the transistor, these voltages being chosen from the group comprising direct voltages, voltage ramps, voltages impulse and alternating voltages;
- le transistor comporte :- the transistor includes:
- un substrat conducteur formant la grille du transistor,- a conductive substrate forming the gate of the transistor,
- une couche isolante déposée sur le substrat, etan insulating layer deposited on the substrate, and
- ladite couche de matériau moléculaire déposée sur ladite couche isolante pour assurer la conduction entre l'électrode de source et l'électrode de drain du transistor ; - les électrodes de drain et de source sont déposées sur la couche de matériau moléculaire par les techniques
choisies dans le groupe comprenant le masquage et la sérigraphie et des techniques associées ;- said layer of molecular material deposited on said insulating layer to ensure conduction between the source electrode and the drain electrode of the transistor; - the drain and source electrodes are deposited on the layer of molecular material by techniques chosen from the group comprising masking and screen printing and associated techniques;
- les électrodes de drain et de source sont fabriquées par microlithographie; - les unités moléculaires constitutives du matériau moléculaire sont substituées par des atomes, des chaînes paraffiniques, des chaînes polymères telles que des chaînes polyoxyéthyléniques, des groupements anioniques ou cationiques ; - la couche de matériau moléculaire est déposée éventuellement après dissolution dans un solvant des unités moléculaires constitutives de ladite couche, notamment par sublimation sous vide, par méthode à la tournette, par sérigraphie, par la méthode de Langmuir Blodgett, par photopolymérisation après greffage ou non de la couche isolante, et les techniques associées ;- the drain and source electrodes are manufactured by microlithography; - The molecular units constituting the molecular material are substituted by atoms, paraffinic chains, polymer chains such as polyoxyethylene chains, anionic or cationic groups; the layer of molecular material is optionally deposited after dissolving in the solvent the molecular units constituting said layer, in particular by vacuum sublimation, by spinning method, by screen printing, by Langmuir Blodgett method, by photopolymerization after grafting or not the insulating layer, and associated techniques;
- la couche isolante est constituée d' isolants minéraux ( Si02, Si3N4...) ou bien par des couches minces de polymères, de couches de Langmuir Blodgett ou bien de molécules ayant des propriétés d'isolant électrique greffées sur l'électrode de grille du transistor ;- the insulating layer consists of mineral insulators (Si0 2 , Si 3 N 4, etc.) or else by thin layers of polymers, Langmuir Blodgett layers or else molecules having electrical insulating properties grafted onto the 'gate electrode of the transistor;
- la couche isolante est déposée par photopolymérisation après greffage ou non dudit substrat conducteur ; - le matériau moléculaire est choisi notamment dans le groupe comprenant les dérivés de phtalocyanines métallées ou non, les porphyrines métallées ou non, les azaporphyrines, les porphyrazines, les bisphtalocyanines de terres rares, leurs mélanges, et la superposition de plusieurs couches d'entre elles; par "dérivés de phtalocyanines métallées ou non", on entend les dérivés de formule PcM dans laquelle M représente notamment H2, Cu, Ni, Zn, Fe et Pc représente la
phtalocyanine. Ce type de dérivés de phtalocyanine est disponible dans le commerce à faibles coûts.- The insulating layer is deposited by photopolymerization after grafting or not of said conductive substrate; - The molecular material is chosen in particular from the group comprising metallized or unmetallic phthalocyanine derivatives, metallized or unmetallized porphyrins, azaporphyrins, porphyrazines, rare earth bisphthalocyanines, their mixtures, and the superposition of several layers of them ; by "derivatives of metallized or non-metallized phthalocyanines" is meant the derivatives of formula PcM in which M represents in particular H 2 , Cu, Ni, Zn, Fe and Pc represents the phthalocyanine. This type of phthalocyanine derivative is commercially available at low cost.
On a découvert que les propriétés de capteur des dérivés de phtalocyanine dépendent de multiples paramètres. Trois d'entre eux sont :It has been discovered that the sensor properties of phthalocyanine derivatives depend on multiple parameters. Three of them are:
- l'aptitude des unités moléculaires à se réduire ou à s'oxyder plus ou moins réversiblement,- the ability of molecular units to reduce or oxidize more or less reversibly,
- la propension du métal central à former des adduits avec diverses petites molécules (02,C0, EtOH,H20... ) , - la morphologie du film mince utilisé : polycristallinité, taille des grains, type de défauts, caractère amorphe ou quasi amorphe.- the propensity of the central metal to form adducts with various small molecules (0 2 , C0, EtOH, H 2 0 ...), - the morphology of the thin film used: polycrystallinity, grain size, type of defects, amorphous nature or almost amorphous.
La diffusion des espèces gazeuses au sein de la couche de matériau moléculaire est améliorée lorsqu'elle est du type amorphe ou quasi amorphe au lieu d'être polycristalline. Il en résulte que le temps de réponse du détecteur s'en trouve diminué très favorablement.The diffusion of gaseous species within the layer of molecular material is improved when it is of the amorphous or quasi-amorphous type instead of being polycrystalline. As a result, the response time of the detector is reduced very favorably.
En effet, il s'avère que les matériaux polycristallins conduisent à des cinétiques généralement beaucoup plus lentes pour l'adsorption et la désorption de gaz. De ce fait, les temps de réponse des capteurs sont plus longs. Il est possible de réduire cet inconvénient en utilisant des mélanges de phtalonitrile et de phtalonitrile substitué par des hétéroatomes, par exemple de fluor, afin de favoriser la formation de couches minces amorphes (ou quasi amorphes) de matériaux moléculaires :Indeed, it turns out that polycrystalline materials lead to kinetics which are generally much slower for the adsorption and desorption of gases. As a result, the response times of the sensors are longer. It is possible to reduce this drawback by using mixtures of phthalonitrile and of phthalonitrile substituted by heteroatoms, for example fluorine, in order to promote the formation of thin amorphous (or almost amorphous) layers of molecular materials:
- le détecteur comporte une source lumineuse pour soumettre le transistor à un flux photonique pendant la détection et la mesure, ladite source lumineuse étant destinée à augmenter la sensibilité du détecteur ;
- le détecteur comporte une source de chaleur pour augmenter sa température et favoriser la migration des espèces constitutives au sein du matériau moléculaire ;the detector comprises a light source for subjecting the transistor to a photonic flux during detection and measurement, said light source being intended to increase the sensitivity of the detector; - The detector includes a heat source to increase its temperature and promote the migration of the constituent species within the molecular material;
- le transistor est disposé dans une enceinte comprenant des moyens commandés d' admission d' au moins un gaz polluant et un revêtement interne dont au moins une partie comprend un matériau apte à réagir avec ledit au moins un gaz polluant à détecter, lesdits moyens commandés étant actionnés, d'une part, en admission pour permettre l'introduction dudit au moins un gaz polluant à l'intérieur de l'enceinte et, d'autre part, en coupure d'admission pour empêcher l'introduction dudit au moins un gaz polluant à l'intérieur de l'enceinte et favoriser ainsi l'adsorption ou bien la destruction chimique dudit au moins un gaz polluant correspondant, cette dernière étape constituant la phase d'initialisation ;the transistor is arranged in an enclosure comprising controlled means for admitting at least one polluting gas and an internal coating at least part of which comprises a material capable of reacting with said at least one polluting gas to be detected, said controlled means being actuated, on the one hand, in intake to allow the introduction of said at least one polluting gas inside the enclosure and, on the other hand, in intake shutdown to prevent the introduction of said at least one polluting gas inside the enclosure and thus promoting the adsorption or chemical destruction of said at least one corresponding polluting gas, this last step constituting the initialization phase;
- le matériau de revêtement interne de l'enceinte est choisi dans le groupe comprenant l'acier inoxydable, un alliage d'aluminium, de cuivre et de magnésium entre autres, les matières polymères et comprend sur au moins une partie de sa surface un composé susceptible de réagir avec ledit au moins un gaz polluant à détecter, ledit composé étant choisi en fonction dudit au moins un gaz à détecter dans le groupe comprenant notamment la diphénylbenzidine, des sels de plomb et l'indigo. Ainsi, on pourra utiliser l'indigo, dans le cas où ledit au moins un gaz à détecter est l'ozone, la diphénylbenzidine, dans le cas où ledit au moins un gaz à détecter est le dioxyde d'azote, des sels de plomb, dans le cas où ledit au moins un gaz à détecter est H2S. On pourra bien entendu utiliser d'autres composés en fonction de la nature du ou des gaz polluants à détecter, tels que par exemple, des complexes Zr (OH) 4/quinalizarine pour détecter HF, des dérivés de
Cr VI pour détecter l'aniline, NO ou MeOH, des desséchants tels que des tamis moléculaires, CaCl2 pour détecter H20, des acides solides tels que R3SiOH pour détecter des aminés, N2H4 ou ΦNHNH2 pour détecter C02, 1 ' o-toluidine pour détecter Cl2, la pyridine pour détecter C1CN, KMn04 pour détecter Me2S, les sels de Cu II pour détecter RSH (R étant alkyle) , les sels de Ti III pour détecter 02 ou ΦNH2 pour détecter C0C12 ;the internal coating material of the enclosure is chosen from the group comprising stainless steel, an alloy of aluminum, copper and magnesium among others, polymeric materials and comprises on at least part of its surface a compound capable of reacting with said at least one polluting gas to be detected, said compound being chosen as a function of said at least one gas to be detected from the group comprising in particular diphenylbenzidine, lead salts and indigo. Thus, indigo can be used, in the case where said at least one gas to be detected is ozone, diphenylbenzidine, in the case where said at least one gas to be detected is nitrogen dioxide, lead salts , in the case where said at least one gas to be detected is H 2 S. It will of course be possible to use other compounds depending on the nature of the polluting gas or gases to be detected, such as, for example, Zr (OH) complexes 4 / quinalizarin to detect HF, derivatives of Cr VI to detect aniline, NO or MeOH, desiccants such as molecular sieves, CaCl 2 to detect H 2 0, solid acids such as R 3 SiOH to detect amines, N 2 H 4 or ΦNHNH 2 to detect C0 2 , 1 'o-toluidine to detect Cl 2 , pyridine to detect C1CN, KMn0 4 to detect Me 2 S, Cu II salts to detect RSH (R being alkyl), Ti III salts to detect 0 2 or ΦNH 2 to detect C0C1 2 ;
- les éléments commandés d'admission dudit au moins un gaz polluant sont choisis dans le groupe comprenant un couvercle mobile et solidaire de l'enceinte, et une électropompe reliée à l'enceinte ;- the controlled elements for admitting said at least one polluting gas are chosen from the group comprising a movable cover secured to the enclosure, and an electric pump connected to the enclosure;
- l'enceinte comprend en outre des éléments générateurs de courant de convection qui sont mis en fonctionnement lors de la coupure d'admission des éléments commandés d'admission dudit au moins un gaz polluant pour accélérer le flux dudit au moins un gaz polluant en direction du revêtement interne de ladite enceinte ;- The enclosure further comprises elements generating convection current which are put into operation during the cut-off of the admission controlled elements of said at least one polluting gas to accelerate the flow of said at least one polluting gas towards the internal coating of said enclosure;
- l'enceinte est reliée à des éléments de destruction sélective dudit au moins un gaz polluant ; - ledit au moins un gaz polluant est un élément constitutif d'un mélange de gaz, cet élément étant choisi dans le groupe comprenant notamment l'ozone, HF, CO, C02, S02, l'aniline, AsR3 R étant un groupe alkyle, NO, N02, Cl2, C1CN, DMF, Me2S, H2S, RSH R étant un groupe alkyle, H202, C0C12, CS2 NO ou leurs mélanges, les gaz toxiques et les gaz dangereux.- The enclosure is connected to elements for the selective destruction of said at least one polluting gas; - Said at least one polluting gas is an element constituting a mixture of gases, this element being chosen from the group comprising in particular ozone, HF, CO, C0 2 , S0 2 , aniline, AsR 3 R being a alkyl group, NO, N0 2 , Cl 2 , C1CN, DMF, Me 2 S, H 2 S, RSH R being an alkyl group, H 2 0 2 , C0C1 2 , CS 2 NO or their mixtures, toxic gases and dangerous gas.
L'invention a également pour objet un procédé de mesure de la concentration d'au moins un gaz polluant constitutif d'un mélange de gaz captés par le détecteur selon l'invention, procédé qui est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à :
a) admettre dans le détecteur ce mélange de gaz entre un premier instant et un second instant qui suit ledit premier instant, et mesurer l'intensité du courant qui circule entre l'électrode de drain et l'électrode de source du transistor, entre les premier et second instants, b) couper cette admission entre le second instant et un troisième instant qui suit ledit second instant, et mesurer l'intensité du courant qui circule entre l'électrode de drain et l'électrode de source du transistor, dans l' intervalle de temps compris entre les second et troisième instants, cet intervalle constituant l'initialisation du détecteur au cours de laquelle est détruit sélectivement ledit au moins un gaz polluant contenu dans ledit mélange de gaz, c) admettre à nouveau dans le détecteur ledit mélange de gaz entre le troisième instant et un quatrième instant qui suit ledit troisième instant, et mesurer l'intensité du courant qui circule entre l'électrode de drain et l'électrode de source du transistor, entre les troisième et quatrième instants, pour en déduire la concentration dudit au moins un gaz polluant sélectivement détruit à l'étape b) .The invention also relates to a method for measuring the concentration of at least one polluting gas constituting a mixture of gases captured by the detector according to the invention, method which is characterized in that it comprises the steps consisting at : a) admitting into the detector this mixture of gases between a first instant and a second instant following said first instant, and measuring the intensity of the current which circulates between the drain electrode and the source electrode of the transistor, between the first and second instants, b) cut off this admission between the second instant and a third instant following said second instant, and measure the intensity of the current flowing between the drain electrode and the source electrode of the transistor, in l time interval between the second and third instants, this interval constituting the initialization of the detector during which said at least one polluting gas contained in said gas mixture is selectively destroyed, c) admitting said mixture again into the detector of gas between the third instant and a fourth instant following said third instant, and measure the intensity of the current flowing between the drain electrode and the electrode source of the transistor, between the third and fourth instants, to deduce the concentration of said at least one polluting gas selectively destroyed in step b).
Dans une variante de réalisation du procédé selon l'invention, l'étape b) est suivie d'une étape consistant à comparer la valeur de l'intensité du courant qui a circulé dans le transistor entre les premier et second instants à une valeur de référence fonction dudit au moins un gaz polluant, afin de déterminer la concentration dudit au moins un gaz polluant.In an alternative embodiment of the method according to the invention, step b) is followed by a step consisting in comparing the value of the intensity of the current which flowed in the transistor between the first and second instants with a value of reference function of said at least one polluting gas, in order to determine the concentration of said at least one polluting gas.
Dans une autre variante de réalisation du procédé selon l'invention,In another variant embodiment of the method according to the invention,
- à l'étape a) on calcule une valeur de la dérivée par rapport au temps de l'intensité du courant qui a circulé
entre l'électrode de drain et l'électrode de source du transistor entre les premier et second instants,- in step a) a value of the derivative with respect to time is calculated of the intensity of the current which has circulated between the drain electrode and the source electrode of the transistor between the first and second instants,
- à l'étape b) on calcule une valeur de la dérivée par rapport au temps de l'intensité du courant qui a circulé entre l'électrode de drain et l'électrode de source du transistor entre les second et troisième instants, et on compare les dérivées calculées respectivement aux étapes a) et b) à une valeur de référence fonction dudit au moins un gaz polluant afin de déterminer la concentration dudit au moins un gaz polluant.in step b) a value of the derivative with respect to time is calculated of the intensity of the current which has flowed between the drain electrode and the source electrode of the transistor between the second and third instants, and compares the derivatives calculated respectively in steps a) and b) with a reference value as a function of said at least one polluting gas in order to determine the concentration of said at least one polluting gas.
De préférence, les mesures effectuées sont répétées successivement une pluralité de fois.Preferably, the measurements carried out are repeated successively a plurality of times.
Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes:In preferred embodiments of the invention, it is possible optionally to have recourse to one and / or the other of the following arrangements:
- la tension entre l'électrode de drain et l'électrode de source du transistor est appliquée, tandis qu'est déterminée la dérivée par rapport au temps de l'intensité du courant qui circule entre l'électrode de drain et l'électrode de source du transistor, ladite tension étant continue et étant égale à la tension entre l'électrode de grille et l'électrode de source du transistor ou différente de cette tension ;- the voltage between the drain electrode and the source electrode of the transistor is applied, while the derivative with respect to time is determined of the intensity of the current flowing between the drain electrode and the electrode source of the transistor, said voltage being continuous and being equal to or different from the voltage between the gate electrode and the source electrode of the transistor;
- un créneau de tension est appliqué au cours d'une durée variant de zéro à quelques minutes entre l'électrode de drain et l'électrode de source du transistor, tandis que l'intensité du courant circulant entre l'électrode de drain et l'électrode de source du transistor est mesurée selon un échantillonnage préalablement choisi ; - une première tension est appliquée entre les premier et second instants, une seconde tension, différente de la première tension, est appliquée entre les second et
troisième instants, ces étapes étant répétées périodiquement dans le temps et la transformée de Fourier du signal délivré par le détecteur étant effectuée ;- a voltage slot is applied during a period varying from zero to a few minutes between the drain electrode and the source electrode of the transistor, while the intensity of the current flowing between the drain electrode and l the source electrode of the transistor is measured according to a previously chosen sampling; a first voltage is applied between the first and second instants, a second voltage, different from the first voltage, is applied between the second and third instants, these steps being repeated periodically over time and the Fourier transform of the signal delivered by the detector being carried out;
- lorsque la tension entre l'électrode de drain et l'électrode de source du transistor est égale à la tension entre l'électrode de grille et l'électrode de source du transistor, et que ces deux tensions sont appliquées pendant une courte période de temps, le courant qui circule entre l'électrode de drain et l'électrode de source du transistor apparaît après un temps caractéristique de la concentration en gaz polluant ;- when the voltage between the drain electrode and the source electrode of the transistor is equal to the voltage between the gate electrode and the source electrode of the transistor, and these two voltages are applied for a short period of time, the current flowing between the drain electrode and the source electrode of the transistor appears after a time characteristic of the concentration of polluting gas;
- après application d'une première tension entre l'électrode de grille et l'électrode de source du transistor et mesure de l'intensité du courant qui circule entre l'électrode de drain et l'électrode de source du transistor, une seconde tension est appliquée entre l'électrode de grille et l'électrode de source du transistor de telle sorte que ladite intensité du courant revienne à zéro, cette seconde tension ayant un signe opposé à ladite première tension. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante de plusieurs de ses formes de réalisation, données à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints. Sur les dessins : - la figure 1 est une vue schématique d'un transistor moléculaire relié à un dispositif de mesure, cet ensemble étant utilisable dans un détecteur selon une première forme de réalisation de l'invention ;- after application of a first voltage between the gate electrode and the source electrode of the transistor and measurement of the intensity of the current which circulates between the drain electrode and the source electrode of the transistor, a second voltage is applied between the gate electrode and the source electrode of the transistor so that said current intensity returns to zero, this second voltage having a sign opposite to said first voltage. Other characteristics and advantages of the present invention will appear during the following description of several of its embodiments, given by way of nonlimiting example, with reference to the accompanying drawings. In the drawings: - Figure 1 is a schematic view of a molecular transistor connected to a measuring device, this assembly being usable in a detector according to a first embodiment of the invention;
- la figure 2 est une vue analogue à la figure 1, pour une seconde forme de réalisation du détecteur fabriquée par microlithographie ;
- les figures 3a et 3b sont des vues de dessus représentant respectivement deux réalisations envisagées pour les régions source et drain d'un transistor utilisable dans le détecteur des figures 1 et 2 ; - la figure 4 est une vue en perspective partielle d'un détecteur selon une troisième forme de réalisation de l'invention ;- Figure 2 is a view similar to Figure 1, for a second embodiment of the detector manufactured by microlithography; - Figures 3a and 3b are top views respectively representing two embodiments envisaged for the source and drain regions of a transistor usable in the detector of Figures 1 and 2; - Figure 4 is a partial perspective view of a detector according to a third embodiment of the invention;
- les figures 5 à 7 sont des vues schématiques analogues à la figure 4, pour respectivement des quatrième, cinquième et sixième formes de réalisation du détecteur ;- Figures 5 to 7 are schematic views similar to Figure 4, respectively for the fourth, fifth and sixth embodiments of the detector;
- la figure 8 est une vue en perspective partielle de moyens de mesure différentielle : un premier détecteur selon l'invention est en contact avec une atmosphère d'au moins un gaz polluant, tandis qu'un second détecteur selon l'invention est en contact avec la même atmosphère dans laquelle un ou plusieurs gaz polluants initiaux ont été retirés ;- Figure 8 is a partial perspective view of differential measurement means: a first detector according to the invention is in contact with an atmosphere of at least one polluting gas, while a second detector according to the invention is in contact with the same atmosphere in which one or more initial polluting gases have been removed;
- la figure 9 est une courbe représentative de l'évolution du courant circulant entre le drain et la source du transistor en fonction du temps, lorsque le détecteur est soumis alternativement à une atmosphère confinée (recouvrement statique) et à l'air ambiant (exposition statique), et lorsque le détecteur comprend, comme couche de matériau moléculaire, une couche quasi amorphe de (F2)xPcZn, pour deux expériences consécutives ; - la figure 10 est une courbe représentative de l'évolution du courant circulant entre le drain et la source du transistor en fonction du temps, lorsque de l'ozone est détecté par le transistor moléculaire illustré sur la figure 2 ;FIG. 9 is a curve representing the evolution of the current flowing between the drain and the source of the transistor as a function of time, when the detector is subjected alternately to a confined atmosphere (static covering) and to ambient air (exposure static), and when the detector comprises, as a layer of molecular material, a quasi-amorphous layer of (F 2 ) x PcZn, for two consecutive experiments; - Figure 10 is a curve representative of the evolution of the current flowing between the drain and the source of the transistor as a function of time, when ozone is detected by the molecular transistor illustrated in Figure 2;
- les figures 11 et 12 montrent comparativement l'évolution du courant circulant entre le drain et la source du transistor en fonction du temps et l'évolution de la dérivée par rapport au temps de ce courant en fonction du temps,
lorsque le détecteur, comprenant le transistor illustré sur la figure 2, est exposé à de l'air enrichi en ozone ;FIGS. 11 and 12 show comparatively the evolution of the current flowing between the drain and the source of the transistor as a function of time and the evolution of the derivative with respect to time of this current as a function of time, when the detector, comprising the transistor illustrated in FIG. 2, is exposed to air enriched with ozone;
- la figure 13 représente le détail du temps de réponse de la dérivée par rapport au temps de l'intensité du courant circulant entre le drain et la source du transistor, lorsque le détecteur est exposé à un flux d'air naturel enrichi en ozone ;- Figure 13 shows the detail of the response time of the derivative with respect to the time of the intensity of the current flowing between the drain and the source of the transistor, when the detector is exposed to a flow of natural air enriched in ozone;
- la figure 14 est une courbe représentative de l'évolution au cours du temps du courant circulant entre le drain et la source du transistor tel que représenté sur la figure 1, lorsque le détecteur est exposé à un flux d'air enrichi en ozone pendant 2 minutes, puis soumis à une atmosphère confinée pendant 8 minutes (recouvrement statique) ;- Figure 14 is a curve representative of the evolution over time of the current flowing between the drain and the source of the transistor as shown in Figure 1, when the detector is exposed to a flow of air enriched in ozone during 2 minutes, then subjected to a confined atmosphere for 8 minutes (static covering);
- les figures 15 et 16 montrent comparativement l'évolution du courant circulant entre le drain et la source du transistor en fonction du temps, selon que la surface intérieure de l'enceinte du détecteur est revêtue ou pas d'un matériau destiné à neutraliser l'ozone lors de la phase d' initialisation ; - la figure 17 montre l'évolution en fonction du temps de la dérivée par rapport au temps du courant circulant entre les électrodes de drain et de source du transistor illustré sur la figure 2 et utilisé dans le détecteur de la figure 4, l'exposition du détecteur à l'air pollué et le recouvrement statique du détecteur lorsque l'enceinte est close étant effectués tous les deux sans flux de gaz ;- Figures 15 and 16 show comparatively the evolution of the current flowing between the drain and the source of the transistor as a function of time, depending on whether the interior surface of the detector enclosure is coated or not with a material intended to neutralize the 'ozone during the initialization phase; - Figure 17 shows the evolution as a function of time of the derivative with respect to the time of the current flowing between the drain and source electrodes of the transistor illustrated in Figure 2 and used in the detector of Figure 4, the exposure of the polluted air detector and the static covering of the detector when the enclosure is closed, both being carried out without gas flow;
- la figure 18 montre l'évolution en fonction du temps du courant circulant entre les électrodes de drain et de source d'un transistor tel que représenté sur la figure 2, lorsqu'un détecteur comprenant ce transistor est alternativement exposé à 100 ppb de N02 dans de l'air synthétique, puis à de l'air synthétique pur ;
- la figure 19 montre l'évolution en fonction du temps du courant circulant entre les électrodes de drain et de source du transistor, lorsque le détecteur est exposé à des concentrations croissantes de N02 dans de l'air synthétique, puis soumis à un flux d' air synthétique ;- Figure 18 shows the evolution over time of the current flowing between the drain and source electrodes of a transistor as shown in Figure 2, when a detector comprising this transistor is alternately exposed to 100 ppb of N0 2 in synthetic air, then in pure synthetic air; - Figure 19 shows the evolution as a function of time of the current flowing between the drain and source electrodes of the transistor, when the detector is exposed to increasing concentrations of N0 2 in synthetic air, then subjected to a flux synthetic air;
- la figure 20 montre l'évolution en fonction du temps du courant circulant entre les électrodes de drain et de source du transistor, lorsque le détecteur a été exposé à de l'air synthétique contenant N02, tandis que simultanément les tensions VGS=VDS=-3V ont été appliquées ;- Figure 20 shows the evolution as a function of time of the current flowing between the drain and source electrodes of the transistor, when the detector has been exposed to synthetic air containing N0 2 , while simultaneously the voltages V GS = V DS = -3V have been applied;
- la figure 21 montre l'évolution en fonction du temps du courant circulant entre les électrodes de drain et de source du transistor, avec un mode d'application différent de celui utilisé le plus communément, les tensions VGS=VDS=-3V étant appliquées sous forme de créneaux d'une seconde ;- Figure 21 shows the evolution as a function of time of the current flowing between the drain and source electrodes of the transistor, with a mode of application different from that used most commonly, the voltages V GS = V DS = -3V being applied in the form of one-second slots;
- la figure 22 montre l'évolution en fonction du temps du courant circulant entre les électrodes de drain et de source du transistor, le protocole de mesure impliquant une mesure du temps de délai de réponse du détecteur ; - la figure 23 montre l'évolution en fonction du temps du courant circulant entre les électrodes de drain et de source du transistor, lorsque le détecteur comprenant le transistor de la figure 2 comporte un couvercle mobile dont l'ouverture est asservie mécaniquement à une mesure "électrique, la figure représentant la façon dont sont restaurées les propriétés du détecteur par l'application d'une tension V^ de signe inverse à la tension VGs appliquée en vue de la mesure.FIG. 22 shows the evolution as a function of time of the current flowing between the drain and source electrodes of the transistor, the measurement protocol involving a measurement of the response time of the detector; - Figure 23 shows the evolution as a function of time of the current flowing between the drain and source electrodes of the transistor, when the detector comprising the transistor of Figure 2 has a movable cover whose opening is mechanically controlled by a measurement "electric, the figure representing the way in which the properties of the detector are restored by the application of a voltage V ^ of opposite sign to the voltage V G s applied for the measurement.
En référence à la figure 1, le transistor, désigné par la référence numérique 13, est un transistor à effet de champ. II comporte :
- un substrat conducteur métallique 1 formant l'électrode de grille G du transistor et qui est, par exemple, un cristal de silicium fortement dopé ;Referring to Figure 1, the transistor, designated by the reference numeral 13, is a field effect transistor. It includes: a metallic conductive substrate 1 forming the gate electrode G of the transistor and which is, for example, a highly doped silicon crystal;
- une ou plusieurs couches isolantes 2, 3, par exemple d'oxyde de silicium (Si02) et de nitrure de silicium (Si3N4) , déposée sur le substrat 1 ;one or more insulating layers 2, 3, for example of silicon oxide (Si0 2 ) and of silicon nitride (Si 3 N 4 ), deposited on the substrate 1;
- une couche 4 de matériau moléculaire, par exemple de métallophtalocyanine, déposée sur la couche 2, 3 ;a layer 4 of molecular material, for example metallophthalocyanine, deposited on layer 2, 3;
- et deux électrodes de drain 5 et de source 6 déposées sur la couche 4, et constituant le reste du transistor.- And two drain 5 and source 6 electrodes deposited on layer 4, and constituting the rest of the transistor.
Ce transistor est relié à un dispositif de mesure 7 de l'intensité du courant qui circule entre l'électrode de drain 5 et l'électrode de source 6, laquelle sera désignée par la suite par IDS. Dans cet exemple, ce dispositif de mesure est un dispositif qui mesure l'intensité IDS après application d'une tension drain-source VDS et d'une tension grille-source VGS, alors qu'un gaz à détecter est au contact de la couche 4 de métallophtalocyanine. Les tensions VDS et VGS généralement appliquées sont continues, mais on verra dans la suite de la description que des tensions VDS et VGs d'un autre type peuvent être utilisées.This transistor is connected to a device 7 for measuring the intensity of the current flowing between the drain electrode 5 and the source electrode 6, which will be designated subsequently by I DS . In this example, this measuring device is a device which measures the intensity I DS after application of a drain-source voltage V DS and of a gate-source voltage V GS , while a gas to be detected is in contact layer 4 of metallophthalocyanine. The voltages V DS and V GS generally applied are continuous, but it will be seen in the following description that voltages V DS and V G s of another type can be used.
En référence à la figure 2, le transistor 13 représenté est obtenu par microlithographie, ce qui n'est pas le cas du transistor de la figure 1 qui est réalisé par masquage. D'une façon analogue au transistor de la figure 1, le transistor représenté sur la figure 2 comporte :Referring to Figure 2, the transistor 13 shown is obtained by microlithography, which is not the case of the transistor of Figure 1 which is produced by masking. In a similar way to the transistor of figure 1, the transistor represented in figure 2 comprises:
- un substrat conducteur métallique 1 formant l'électrode de grille du transistor et qui est, par exemple, un cristal de silicium fortement dopé. - une couche isolante 2, par exemple d'oxyde de silicium (Si02) , déposée sur la couche 1 ;
- une couche isolante 3, par exemple de nitrure de silicium (Si3N4) , déposée sur la couche 2 ;- A metallic conductive substrate 1 forming the gate electrode of the transistor and which is, for example, a highly doped silicon crystal. - an insulating layer 2, for example of silicon oxide (Si0 2 ), deposited on the layer 1; an insulating layer 3, for example of silicon nitride (Si 3 N 4 ), deposited on the layer 2;
- une couche 4 de matériau moléculaire, par exemple de métallophtalocyanine, déposée sur la couche 3 ; - et deux électrodes de drain 5 et de source 6 placées au dessous de la couche 4, et constituant le reste du transistor.a layer 4 of molecular material, for example metallophthalocyanine, deposited on layer 3; - And two drain 5 and source 6 electrodes placed below the layer 4, and constituting the rest of the transistor.
Dans cet exemple, les électrodes de drain 5 et source 6 sont reliées respectivement par des connexions respectives 8' et 8 aux bornes d'un circuit électrique constitué par une alimentation électrique 9 et un dispositif 10 de mesure de IDS. L'alimentation 9 peut délivrer par exemple une tension continue, alternative, impulsionnelle, ou encore une rampe de tension. L'électrode de grille 1 est, quant à elle, reliée, par l'intermédiaire d'une connexion 11, à une alimentation 12 qui permet de faire varier la tension grille-source VGS. Cette électrode de grille 1 peut être aussi reliée directement à la terre. Le transistor 13 ainsi formé est sensible à l'action d'un ou de plusieurs gaz polluants. D'une manière générale, le ou les gaz polluants admis dans le détecteur sont des éléments constitutifs d'un mélange de gaz, ces éléments étant choisis dans le groupe comprenant notamment l'ozone, HF, CO, C02, S02, l'aniline, AsR3 R étant un groupe alkyle, NO, N02, Cl2, C1CN, DMF, Me2S, H2S, RSH R étant un groupe alkyle, H202, C0C12, CS2, NO ou leurs mélanges.In this example, the drain 5 and source 6 electrodes are connected respectively by respective connections 8 ′ and 8 to the terminals of an electrical circuit constituted by an electrical supply 9 and a device 10 for measuring I DS . The power supply 9 can deliver, for example, a DC, AC, pulse voltage, or even a voltage ramp. The gate electrode 1 is, for its part, connected, via a connection 11, to a supply 12 which makes it possible to vary the gate-source voltage V GS . This gate electrode 1 can also be directly connected to earth. The transistor 13 thus formed is sensitive to the action of one or more polluting gases. In general, the polluting gas or gases admitted into the detector are elements constituting a mixture of gases, these elements being chosen from the group comprising in particular ozone, HF, CO, C0 2 , S0 2 , l aniline, AsR 3 R being an alkyl group, NO, N0 2 , Cl 2 , C1CN, DMF, Me 2 S, H 2 S, RSH R being an alkyl group, H 2 0 2 , C0C1 2 , CS 2 , NO or their mixtures.
La couche 2 peut être obtenue par oxydation de la couche supérieure du substrat 1. Elle peut également être obtenue par dépôt. L'épaisseur de la couche 2 est par exemple de 500 Â.
La couche 3 de nitrure de silicium peut être obtenue par un plasma de SiH4/NH3 ou par dépôt chimique en phase vapeur. Le Si3N4 peut aussi être déposé par pulvérisation. L'épaisseur de la couche 3 est par exemple de 600 Â. La couche 4 de métallophtalocyanine a une épaisseur égale à par exemple 500 Â.Layer 2 can be obtained by oxidation of the upper layer of substrate 1. It can also be obtained by deposition. The thickness of layer 2 is for example 500 Å. Layer 3 of silicon nitride can be obtained by an SiH 4 / NH 3 plasma or by chemical vapor deposition. Si 3 N 4 can also be deposited by spraying. The thickness of layer 3 is for example 600 Å. The layer 4 of metallophthalocyanine has a thickness equal to for example 500 Å.
Les électrodes de drain 5 et de source 6 sont constituées respectivement, par exemple, par des couches d'or ayant chacune une épaisseur de, par exemple, 500 Â, elles-mêmes déposées sur des couches de chrome ayant chacune une épaisseur de, par exemple, 100 Â, pour améliorer les contacts.The drain 5 and source 6 electrodes are respectively constituted, for example, by layers of gold each having a thickness of, for example, 500 Å, themselves deposited on layers of chromium each having a thickness of, by example, 100 Â, to improve contacts.
Les figures 3a et 3b montrent des exemples préférés de réalisation des électrodes de drain et source 5 et 6.FIGS. 3a and 3b show preferred examples of embodiment of the drain and source electrodes 5 and 6.
Dans l'exemple de la figure 3a, les électrodes 5 et 6 sont interdigitées. Chaque électrode comprend par exemple seize doigts dont la longueur 1 est d'environ 600 micromètres. En conséquence, la largeur du canal de conduction, désignée par , est de l'ordre de 20000 micromètres. La distance interélectrodes L vaut, dans cet exemple, 10 micromètres. Dans ces conditions, le rapport W/L du transistor constitué est de l'ordre de 2000.In the example of FIG. 3a, the electrodes 5 and 6 are interdigitated. Each electrode comprises for example sixteen fingers whose length 1 is approximately 600 micrometers. Consequently, the width of the conduction channel, designated by, is of the order of 20,000 micrometers. The interelectrode distance L is, in this example, 10 micrometers. Under these conditions, the W / L ratio of the transistor formed is of the order of 2000.
La figure 3b montre une autre réalisation dans laquelle la longueur 1=W des deux électrodes longilignes 5 et 6 est deFIG. 3b shows another embodiment in which the length 1 = W of the two elongate electrodes 5 and 6 is
3000 micromètres. La distance interélectrodes L a été réalisée pour des valeurs de 10, 20, 50 ou 100 micromètres. Le rapport3000 micrometers. The interelectrode distance L was obtained for values of 10, 20, 50 or 100 micrometers. The report
W/L est, dans ce cas, de 300 maximum.W / L is, in this case, 300 maximum.
Les modes de réalisation des figures 3a et 3b concernent une fabrication du transistor de type microlithographique. Le dispositif schématisé figure 1 est plus conventionnel et ne nécessite que l'utilisation d'un cacheThe embodiments of FIGS. 3a and 3b relate to a fabrication of the microlithographic type transistor. The device shown in Figure 1 is more conventional and only requires the use of a cover
(fil, ruban ou masque) .
En référence aux figures 1 et 2, le dispositif de mesure selon l'invention comporte un circuit pour mesurer l'intensité du courant qui circule entre le drain 5 et la source 6 du transistor lorsque la couche 4 est soumise à l'influence d'un ou de plusieurs gaz polluants. En pratique, le circuit et les moyens électriques sont réalisés par un microcontrôleur qui effectuera une conversion analogique numérique de la valeur du courant mesuré et qui comportera une horloge, des compteurs, ainsi qu'un programme préenregistré pour délivrer un signal de mesure à intervalle régulier ou irrégulier.(wire, ribbon or mask). Referring to Figures 1 and 2, the measuring device according to the invention comprises a circuit for measuring the intensity of the current flowing between the drain 5 and the source 6 of the transistor when the layer 4 is subjected to the influence of one or more polluting gases. In practice, the circuit and the electrical means are produced by a microcontroller which will carry out an analog-digital conversion of the value of the measured current and which will include a clock, counters, as well as a prerecorded program for delivering a measurement signal at regular interval. or irregular.
Au besoin, le microcontrôleur sera perfectionné et capable d'effectuer un traitement de l'évolution des mesures dans le temps. Ces techniques de traitement de signal sont de type connu.If necessary, the microcontroller will be perfected and capable of processing the evolution of the measurements over time. These signal processing techniques are of known type.
En référence maintenant à la figure 4, on va décrire un mode de réalisation avantageux d'un détecteur de l'invention et le procédé de mesure associé à ce détecteur.Referring now to Figure 4, we will describe an advantageous embodiment of a detector of the invention and the measurement method associated with this detector.
Sur la figure 4, le détecteur comprend un caisson 14 qui contient un transistor 13 conforme à celui de la figure 1 ou 2, un circuit électronique de traitement de l'information (non représenté), les piles (non représentées) de l'alimentation électrique et un écran à cristal liquide (non représenté) . A titre indicatif, le caisson 14 a par exemple des dimensions hors tout égales à environ 10*5*3 cm3.In FIG. 4, the detector comprises a box 14 which contains a transistor 13 conforming to that of FIG. 1 or 2, an electronic circuit for processing information (not shown), the batteries (not shown) of the power supply electric and a liquid crystal screen (not shown). As an indication, the box 14 has for example overall dimensions equal to approximately 10 * 5 * 3 cm 3 .
La couche de matériau moléculaire 4 forme la face supérieure du transistor 13, susceptible d'être en contact direct avec l'atmosphère. Le caisson 14 est équipé d'un couvercle amovible 15 qui est, dans cet exemple, pivotant par rapport au caisson 14. Le caisson 14 comporte une surface intérieure 14a revêtue d'un
matériau apte à réagir avec l'un ou plusieurs des gaz polluants à détecter, tel que par exemple le Duralumin (alliage connu d'aluminium, de cuivre et de magnésium), l'acier inoxydable, des matières polymères. Ledit matériau peut également comprendre sur une partie de sa surface un composé susceptible de réagir avec un ou plusieurs des gaz polluants à détecter, ce composé étant choisi en fonction du ou des gaz à détecter.The layer of molecular material 4 forms the upper face of the transistor 13, capable of being in direct contact with the atmosphere. The box 14 is equipped with a removable cover 15 which is, in this example, pivotable relative to the box 14. The box 14 has an inner surface 14a coated with a material capable of reacting with one or more of the polluting gases to be detected, such as for example Duralumin (known alloy of aluminum, copper and magnesium), stainless steel, polymeric materials. Said material can also comprise on a part of its surface a compound capable of reacting with one or more of the polluting gases to be detected, this compound being chosen as a function of the gas or gases to be detected.
Un des principes de mesure est le suivant (figure 17) . A un premier instant tl, l'ouverture du caisson 14 est dégagée pour permettre l'admission d'un mélange gazeux contenant un ou plusieurs gaz polluants, tel que par exemple l'ozone. L'ouverture du caisson 14 reste dégagée jusqu'à un second instant t2, la différence t2-tl étant égale à environ 2 mn dans cet exemple. Le transistor 13 est soumis, pendant cet intervalle de temps, à l'influence du ou des gaz polluants, l'exposition à ce ou ces gaz étant par exemple statique, c'est à dire sans création de flux de celui-ci. Au cours de cette durée t2-tl, le dispositif de mesure 10 effectue la mesure de Is et calcule dIDs/dt. Ceci constitue la première phase de la détection. A l'instant t2, le couvercle 15 est rabattu de manière à obturer l'ouverture du caisson 14 et la mesure de IDS se poursuit jusqu'à un troisième instant t3. Dans cet intervalle de temps t3-t2, un ou plusieurs des gaz polluants est détruit ou adsorbé par un élément constitutif du caisson 14. Pour l'ozone, il pourra s'agir de duralumin ou de produits polymères. Cette durée t3-t2 constitue l'initialisation du détecteur. Cette initialisation dure environ 8 minutes dans cet exemple. Dans une troisième phase débutant au troisième instant t3 par une ouverture du couvercle 15 et se terminant à un quatrième instant t4 par la fermeture du couvercle 15, le transistor est de nouveau exposé au mélange gazeux dans son intégralité. Dans l'intervalle de temps t4-t3, on mesure IDS,
dIDS/dt ou des paramètres électriques proches. La quantité du ou des gaz polluants est donnée soit par IDS ou dIDs/dt à un instant donné, soit par la valeur maximale de dIDS/dt, soit par un paramètre découlant logiquement de ces mesures. Un étalonnage préalable permet de donner une valeur quantitative à la teneur en gaz polluant (s).One of the measurement principles is as follows (Figure 17). At a first instant tl, the opening of the box 14 is released to allow the admission of a gaseous mixture containing one or more polluting gases, such as for example ozone. The opening of the box 14 remains clear until a second instant t2, the difference t2-tl being equal to approximately 2 min in this example. The transistor 13 is subjected, during this time interval, to the influence of the polluting gas or gases, the exposure to this or these gases being for example static, that is to say without creation of flux thereof. During this time t2-tl, the measuring device 10 performs the measurement of Is and calculates dI D s / dt. This constitutes the first phase of detection. At time t2, the cover 15 is folded so as to close the opening of the box 14 and the measurement of I DS continues until a third time t3. In this time interval t3-t2, one or more of the polluting gases is destroyed or adsorbed by a constituent element of the chamber 14. For ozone, it may be duralumin or polymer products. This duration t3-t2 constitutes the initialization of the detector. This initialization takes approximately 8 minutes in this example. In a third phase starting at the third instant t3 with an opening of the cover 15 and ending at a fourth instant t4 with the closing of the cover 15, the transistor is again exposed to the gas mixture in its entirety. In the time interval t4-t3, we measure I DS , dI DS / dt or similar electrical parameters. The quantity of the polluting gas or gases is given either by I DS or dI D s / dt at a given instant, or by the maximum value of dI DS / dt, or by a parameter logically arising from these measurements. A preliminary calibration makes it possible to give a quantitative value to the content of pollutant gas (s).
Les étapes décrites ci-dessus peuvent ensuite être répétées pendant une pluralité de cycles, une meilleure précision pouvant être obtenue en effectuant des moyennes pour diverses mesures.The steps described above can then be repeated for a plurality of cycles, better accuracy can be obtained by averaging for various measurements.
Un exemple d'utilisation du détecteur ci-dessus consiste à disposer le caisson 14 dans une boîte à gants qui est alimentée par de l'air ambiant chargé en ozone (environ 40 ppb) . Par ailleurs, une lampe 16 est disposée au dessus du caisson 14 de façon à éclairer la couche mince de métallophtalocyanine du transistor 13. L'utilisation d'une telle lampe présente l'avantage d'entraîner une augmentation de la sensibilité du détecteur et aussi de permettre d'élargir la gamme des produits détectés. A titre indicatif, la lampe 16 fournit approximativement un éclairement correspondant à 100 milliwatt par cm2.An example of use of the above detector consists in placing the box 14 in a glove box which is supplied with ambient air charged with ozone (about 40 ppb). Furthermore, a lamp 16 is disposed above the box 14 so as to illuminate the thin layer of metallophthalocyanine of the transistor 13. The use of such a lamp has the advantage of causing an increase in the sensitivity of the detector and also to broaden the range of products detected. As an indication, the lamp 16 provides approximately an illumination corresponding to 100 milliwatt per cm 2 .
Comme on peut le voir sur la figure 4, une résistance chauffante 17 peut en outre être utilisée de manière à porter le détecteur à une température donnée, par exemple de l'ordre de 100°C, ceci afin de favoriser la migration des espèces constitutives du matériau moléculaire de la couche 4. De préférence, la résistance chauffante 17 est constituée par une résistance gravée et isolée électriquement sur la face arrière du substrat 1 du transistor 13. Cependant, d'autres géométries déjà connues peuvent être utilisées pour la résistance chauffante (radiateur) . L'utilisation d'une résistance de platine permet d'obtenir, en plus de la mesure
de IDS la mesure de la température du détecteur. Les résultats peuvent être disponibles sur une interface de type conventionnel .As can be seen in FIG. 4, a heating resistor 17 can also be used so as to bring the detector to a given temperature, for example of the order of 100 ° C., this in order to favor the migration of the constituent species of the molecular material of layer 4. Preferably, the heating resistor 17 consists of a resistor etched and electrically insulated on the rear face of the substrate 1 of the transistor 13. However, other geometries already known can be used for the heating resistor (radiator) . The use of a platinum resistance allows to obtain, in addition to the measurement of I DS the temperature measurement of the detector. The results may be available on a conventional interface.
Dans une variante de réalisation représentée schématiquement sur la figure 5, on utilise, à la place du caisson 14, une enceinte qui se présente sous la forme d'un tube à parois réalisées par exemple en matériaux polymères, le tube ayant, dans cet exemple, une capacité de 25 ml. Un élément commandé d'admission d'un ou de plusieurs gaz polluants, par exemple une électro-pompe P, est relié en aval (en trait plein sur la figure 5) ou en amont (en pointillé sur la figure 5) du tube 14. Le transistor 13 est disposé à l'intérieur du tube 14.In an alternative embodiment shown diagrammatically in FIG. 5, an enclosure is used in the form of a tube with walls made, for example, of polymeric materials, the tube having, in this example , a capacity of 25 ml. A controlled element for the admission of one or more polluting gases, for example an electro-pump P, is connected downstream (in solid lines in FIG. 5) or upstream (in dotted lines in FIG. 5) of the tube 14 The transistor 13 is placed inside the tube 14.
Pendant une durée qui vaut, dans cet exemple, environ 2 mn, un flux d'air pollué, dont on veut par exemple titrer l'ozone, est admis dans le tube 14 par actionnement de l' électro-pompe P, et le dispositif de mesure 10 effectue la mesure de IDs (et ensuite, éventuellement la dérivée dIDS/dt) . A titre indicatif, ce flux d'air est compris entre 0.4 1/mn et 1 1/mn. A la différence de l'exemple précédent représenté sur la figure 4, l'exposition du détecteur à l'air pollué est ici dynamique compte tenu de l' électro-pompe P. Une fois les 2 mn écoulées, la pompe P est arrêtée pendant environ 8 mn dans cet exemple, durée pendant laquelle l'ozone se détruit sur les parois du tube 14. Cette étape est assimilable au recouvrement statique du caisson de la figure 4. Au cours de cette durée, le dispositif de mesure 10 effectue la mesure de IDs (et ensuite la dérivée dIDS/dt) . Le processus décrit ci-dessus est ensuite réitéré pendant une pluralité de cycles.During a period which is worth, in this example, approximately 2 min, a flow of polluted air, of which it is desired for example to titrate the ozone, is admitted into the tube 14 by actuation of the electro-pump P, and the device 10 performs the measurement of I D s (and then, if necessary, the derivative dI DS / dt). As an indication, this air flow is between 0.4 1 / min and 1 1 / min. Unlike the previous example shown in FIG. 4, the exposure of the detector to polluted air is dynamic here, taking into account the electro-pump P. Once the 2 min have elapsed, the pump P is stopped for approximately 8 min in this example, duration during which the ozone is destroyed on the walls of the tube 14. This step is comparable to the static covering of the box of FIG. 4. During this duration, the measuring device 10 performs the measurement of I D s (and then the derivative dI DS / dt). The process described above is then repeated for a plurality of cycles.
Dans l'exemple représenté sur la figure 6, le détecteur est identique à celui représenté sur la figure 5, à la différence qu'un moyen générateur de courant de convection, tel qu'un agitateur ou une turbine T, est disposé dans le tube 14,
de façon à accélérer le flux d'air pollué à l'intérieur du tube, uniquement pendant les instants où la pompe P est arrêtée.In the example shown in FIG. 6, the detector is identical to that represented in FIG. 5, with the difference that a means for generating convection current, such as an agitator or a turbine T, is placed in the tube. 14, so as to accelerate the flow of polluted air inside the tube, only during the moments when the pump P is stopped.
Dans l'exemple représenté sur la figure 7, le détecteur est identique à celui représenté sur la figure 5, à la différence qu'au moins un circuit, constitué par une électrovanne montée en série avec un moyen de destruction sélective d'un ou de plusieurs gaz polluants, tel que par exemple un filtre, est relié en amont du tube 14. Ce type de détecteur est particulièrement bien adapté dans le cas où il est exposé à un mélange de gaz polluants. Plus particulièrement dans cet exemple, il est prévu deux circuits, dont l'un est constitué par une électrovanne VI et un filtre FI, et l'autre est constitué par une électrovanne V2 et un filtre F2. Ces deux circuits sont reliés en amont du tube 14 de façon à admettre sélectivement dans le tube 14 un ou plusieurs gaz polluants constitutifs du mélange de gaz auquel est exposé le transistor 13.In the example shown in Figure 7, the detector is identical to that shown in Figure 5, with the difference that at least one circuit, consisting of a solenoid valve connected in series with a means of selective destruction of one or more several polluting gases, such as for example a filter, is connected upstream of the tube 14. This type of detector is particularly well suited in the case where it is exposed to a mixture of polluting gases. More particularly in this example, two circuits are provided, one of which is constituted by a solenoid valve VI and a filter IF, and the other is constituted by a solenoid valve V2 and a filter F2. These two circuits are connected upstream of the tube 14 so as to selectively admit into the tube 14 one or more polluting gases constituting the gas mixture to which the transistor 13 is exposed.
Un autre mode de réalisation du détecteur de l'invention est maintenant proposé en référence à la figure 8. Selon cette figure, deux détecteurs Dl et D2, conformes à l'invention et tous deux identiques, reçoivent par un orifice d'entrée respectif 01, 02, un gaz dont la teneur en ozone doit être mesurée. L'un des détecteurs, par exemple Dl, comporte en outre un dispositif 18 de filtrage. Ce dispositif de filtrage 18 comporte par exemple un filtre constitué de copeaux de duralumin, provoquant une décomposition rapide de l'ozone présente dans l'atmosphère polluante injectée. A la différence du détecteur Dl, le détecteur D2, qui n'est pas relié à un dispositif de filtrage, admet directement, par son orifice 02, l'atmosphère polluante telle qu'elle est injectée. La mesure électrique du détecteur Dl et celle du détecteur D2 sont
reliées en commun à un comparateur 19 qui est destiné à normaliser les résultats délivrés par les deux détecteurs Dl et D2.Another embodiment of the detector of the invention is now proposed with reference to FIG. 8. According to this figure, two detectors Dl and D2, in accordance with the invention and both identical, receive via a respective inlet orifice 01 , 02, a gas whose ozone content is to be measured. One of the detectors, for example D1, further comprises a filtering device 18. This filtering device 18 comprises for example a filter made of duralumin chips, causing a rapid decomposition of the ozone present in the injected polluting atmosphere. Unlike the detector D1, the detector D2, which is not connected to a filtering device, directly admits, through its orifice 02, the polluting atmosphere as it is injected. The electrical measurement of detector Dl and that of detector D2 are connected in common to a comparator 19 which is intended to normalize the results delivered by the two detectors Dl and D2.
La particularité du détecteur de l'invention, dont différents modes de réalisation viennent d'être décrits ci- dessus, réside dans le fait qu'il présente une réactivité à la présence de l'ozone ou d'autres gaz polluants dans l'atmosphère mesurée. Le phénomène qui se produit est un phénomène d'oxydation partielle de la couche de matériau moléculaire 4 par le ou les gaz polluants, ce qui a pour effet de doper le matériau de ladite couche 4 et de constituer ainsi une couche plus ou moins conductrice, plus ou moins dopée selon la concentration en ozone ou en autres espèces oxydantes. Un dopage de type N peut être envisagé avec des gaz réducteurs. Le phénomène évolue avec le temps. L'invention est caractérisée par le fait qu'une couche mince de matériau moléculaire constituant la partie electroactive d'un transistor à effet de champ est utilisée pour détecter et titrer un ou plusieurs gaz polluants constitutifs d'un mélange de gaz. La sélectivité de détection est assurée par la comparaison entre une mesure effectuée sur le mélange gazeux dans son intégralité et une autre effectuée sur ce même mélange gazeux auquel on a ôté un ou plusieurs constituants par adsorption ou destruction chimique .The particularity of the detector of the invention, of which various embodiments have just been described above, resides in the fact that it has a reactivity to the presence of ozone or other polluting gases in the atmosphere. measured. The phenomenon which occurs is a phenomenon of partial oxidation of the layer of molecular material 4 by the polluting gas or gases, which has the effect of boosting the material of said layer 4 and thus constituting a more or less conductive layer, more or less doped depending on the concentration of ozone or other oxidizing species. N-type doping can be envisaged with reducing gases. The phenomenon evolves over time. The invention is characterized in that a thin layer of molecular material constituting the electroactive part of a field effect transistor is used to detect and titrate one or more polluting gases constituting a mixture of gases. The selectivity of detection is ensured by the comparison between a measurement carried out on the gas mixture in its entirety and another carried out on this same gas mixture to which one or more constituents have been removed by adsorption or chemical destruction.
EXEMPLESEXAMPLES
EXEMPLE1: Procédé de préparation de dérivés de phtalocyanines permettant l'obtention de couches amorphes (ou quasi amorphes) de matériau moléculaire.EXAMPLE 1: Process for the preparation of phthalocyanine derivatives making it possible to obtain amorphous (or almost amorphous) layers of molecular material.
Le mode opératoire dans un exemple a été, pour synthétiser de la phtalocyanine de zinc, de constituer un mélange de 0,96 g phtalonitrile (Mw : 128.13 ; 7.5
mmoles)/1.23 g de 4,5- difluorophtalonitrile (Mw : 164.13 ; 7.5 mmoles)/1.96 g Zn et 18 ml de chloronaphtalène. Les proportions théoriques de chacun des produits peuvent être calculées en postulant une réactivité égale pour les deux types de phtalonitriles .The procedure in an example was, to synthesize zinc phthalocyanine, to constitute a mixture of 0.96 g phthalonitrile (Mw: 128.13; 7.5 mmol) /1.23 g of 4,5-difluorophthalonitrile (Mw: 164.13; 7.5 mmol) /1.96 g Zn and 18 ml of chloronaphthalene. The theoretical proportions of each of the products can be calculated by assuming equal reactivity for the two types of phthalonitriles.
La spectrométrie de masse (ionisation chimique ; NH3) a permis de vérifier que les produits attendus étaient bien synthétisés. Il a été vérifié que la sublimation n'altérait pas les proportions relatives des divers constituants de (F2)xPcZn. Les spectres d'absorption ultraviolet, visible et infrarouge montrent des différences sensibles entre les deux types de phtalocyanine (PcZn et dérivé partiellement substitué) .Mass spectrometry (chemical ionization; NH 3 ) verified that the expected products were well synthesized. It has been verified that sublimation does not alter the relative proportions of the various constituents of (F 2 ) x PcZn. The ultraviolet, visible and infrared absorption spectra show significant differences between the two types of phthalocyanine (PcZn and partially substituted derivative).
PcZn : 344.5 nm ; 604 nm ; 668.5 nm (F2)xPcZn : 339 nm ; 599 nm ; 662 nmPcZn: 344.5 nm; 604 nm; 668.5 nm (F 2 ) x PcZn: 339 nm; 599 nm; 662 nm
Des spectres IR ont été faits sur les deux matériaux précédents. En particulier, des raies caractéristiques de la liaison C-F ont été relevées entre 1050 et 1400 cm-1.IR spectra were made on the two previous materials. In particular, characteristic lines of the CF link were noted between 1050 and 1400 cm -1 .
Des clichés de diffraction des rayons X ont été effectués sur des films minces déposés sous vide de PcZn et (F2)xPcZn. La taille des cristallites a pu être déduite de la largeur à mi-hauteur des raies de diffraction (compte tenu de la largeur naturelle des raies) . On a trouvé ainsi que PcZn conduit à une taille de cristallite d'environ 100 nm, ce qui est en accord avec des mesures de microscopie électronique. Dans le cas de (F2)xPcZn, le fait d'avoir plusieurs isomères et plusieurs produits conduit à un matériau quasi amorphe. On a pu constater par la suite 1 ' importance de cette observation sur la réactivité du transistor.X-ray diffraction images were taken on thin films deposited under vacuum of PcZn and (F 2 ) x PcZn. The size of the crystallites could be deduced from the width at mid-height of the diffraction lines (taking into account the natural width of the lines). It has thus been found that PcZn leads to a crystallite size of approximately 100 nm, which is in agreement with electron microscopy measurements. In the case of (F 2 ) x PcZn, the fact of having several isomers and several products leads to an almost amorphous material. We could later see the importance of this observation on the reactivity of the transistor.
EXEMPLE 2 : Evolution au cours du temps de l'intensité IDS du courant circulant entre les électrodes de drain 5 et de
source 6 d'un transistor tel que celui représenté sur la figure 2 lorsqu'on expose une couche mince quasi amorphe (F2)xPcZn à de l'air ambiant.EXAMPLE 2 Evolution over time of the intensity I DS of the current flowing between the drain electrodes 5 and of source 6 of a transistor such as that shown in FIG. 2 when a thin, almost amorphous layer (F 2 ) x PcZn is exposed to ambient air.
La couche mince de matériau moléculaire est recuite à 120°C pendant 1 heure et possède une épaisseur dont la valeur est par exemple égale à 500 Â. Les mesures électriques sont faites de telle façon que VGS=0, VDS=-3V. En référence à la figure 9, on peut constater que la cinétique d'obtention de l'équilibre est environ 10 fois plus rapide que pour une couche mince de PcNi non substituée polycristalline.The thin layer of molecular material is annealed at 120 ° C for 1 hour and has a thickness whose value is for example equal to 500 Å. The electrical measurements are made in such a way that V GS = 0, V DS = -3V. With reference to FIG. 9, it can be seen that the kinetics of obtaining equilibrium is approximately 10 times faster than for a thin layer of unsubstituted polycrystalline PcNi.
EXEMPLE 3: Evolution au cours du temps de l'intensité IDS du courant circulant entre les électrodes de drain 5 et de source 6 d'un transistor tel que celui représenté sur la figure 2, lorsque de l'ozone est détecté.EXAMPLE 3 Evolution over time of the intensity I DS of the current flowing between the drain 5 and source 6 electrodes of a transistor such as that shown in FIG. 2, when ozone is detected.
La figure 10 représente l'évolution de l'intensité du courant IDs en fonction du temps, le processus de mesure ayant été effectué sur 10 cycles.FIG. 10 represents the evolution of the intensity of the current I Ds as a function of time, the measurement process having been carried out over 10 cycles.
En trait plein, on peut observer la réponse (courant drain source IDs. du détecteur de l'invention conforme au principe de la figure 5, lorsqu'il est soumis au traitement suivant :In solid lines, we can observe the response (source drain current I D s . Of the detector of the invention in accordance with the principle of FIG. 5, when it is subjected to the following processing:
- pendant 2 mn, le détecteur est exposé à de l'air filtré enrichi en ozone (partie A de la courbe en trait plein de la figure 10). La concentration d'ozone est indiquée par la courbe en pointillé (environ 275 ppb) qui est désignée par la référence numérique 20 sur la figure 10.- for 2 min, the detector is exposed to filtered air enriched with ozone (part A of the curve in solid line in FIG. 10). The ozone concentration is indicated by the dotted curve (about 275 ppb) which is designated by the reference numeral 20 in Figure 10.
- pendant 8 mn (période dite de repos statique) , la circulation d'air précédente est interrompue et l'enceinte n'est en contact avec le milieu extérieur qu'à travers un orifice de sortie de faible diamètre. L'ozone se détruit
graduellement sur les parois du caisson 14 (partie B de la courbe en trait plein de la figure 10) .- for 8 min (so-called static rest period), the previous air circulation is interrupted and the enclosure is only in contact with the outside environment through a small diameter outlet orifice. Ozone is destroyed gradually on the walls of the box 14 (part B of the curve in solid lines in FIG. 10).
Les mesures sont faites en courant continu avec VGS=VDS=-3V. L'électrode de source est reliée à la terre.The measurements are made in direct current with V GS = V DS = -3V. The source electrode is grounded.
EXEMPLE 4 : Comparaison du courant IDs et de la dérivée dlos/dt lorsque le détecteur comprend le transistor illustré sur la figure 2 et est basé sur le principe montré figure 5, ce détecteur étant exposé à de l'air enrichi en ozone.EXAMPLE 4: Comparison of the current I D s and of the derivative dlos / dt when the detector comprises the transistor illustrated in FIG. 2 and is based on the principle shown in FIG. 5, this detector being exposed to air enriched in ozone.
Les figures 11 et 12 montrent l'évolution au cours du temps de IDs et dIDS/dt pour différentes concentrations en ozone dans de l'air filtré préalablement sur charbon actif. Les concentrations d'ozone sont indiquées par les courbes en pointillé 21, l'échelle de droite indiquant les teneurs en ozone exactes telles que mesurées par un appareil métrologique (environnement SA 0341M) . Lors de l'exposition dite dynamique du détecteur, le flux d'air est de 1,6 1/mn. Cette période est suivie d'une phase de recouvrement statique (8 mn) durant laquelle la pompe est arrêtée et le flux interrompu. Les conditions de mesure sont telles que VDS=VGS=-3V et Vs=0. Dans le cas présent, on retient comme indication de la teneur en ozone la valeur de (dlos/dt)^»- c'est à dire le maximum de cette dérivée lors de la phase d'exposition. Ce principe de mesure permet de s'affranchir de certaines des limitations liées à la mesure directe de IDs telles que la dérive de IDs en fonction du temps, ou un certain manque de reproductibilité.Figures 11 and 12 show the evolution over time of I D s and dI DS / dt for different concentrations of ozone in air previously filtered on activated carbon. The ozone concentrations are indicated by the dotted curves 21, the right scale indicating the exact ozone contents as measured by a metrological device (environment SA 0 3 41M). During the so-called dynamic exposure of the detector, the air flow is 1.6 l / min. This period is followed by a static recovery phase (8 min) during which the pump is stopped and the flow interrupted. The measurement conditions are such that V DS = V GS = -3V and V s = 0. In the present case, the value of (dlos / dt) ^ "is taken as an indication of the ozone content - ie the maximum of this derivative during the exposure phase. This principle of measurement overcomes some of the limitations linked to the direct measurement of I D s such as the drift of I D s as a function of time, or a certain lack of reproducibility.
EXEMPLE 5 : Détail du temps de réponse du détecteur sur la courbe représentant l'évolution au cours du temps de dlos/dt, lors de l'exposition du détecteur à un ou plusieurs gaz polluants .
La figure 13 montre la réponse d'un détecteur comportant un transistor telle que celui illustré sur la figure 2.EXAMPLE 5: Detail of the response time of the detector on the curve representing the evolution over time of dlos / dt, when the detector is exposed to one or more polluting gases. FIG. 13 shows the response of a detector comprising a transistor such as that illustrated in FIG. 2.
L'air naturel est enrichi en ozone par l'utilisation d'une lampe à mercure. Une pompe montée en aval de l'enceinte (25 ml) contenant le détecteur permet une exposition sous flux durant 2 mn. Simultanément, un prélèvement d'air est effectué pour titrer l'ozone grâce à un appareil métrologique. Le recouvrement est statique (8 mn) et est obtenu par arrêt de la pompe génératrice de flux de gaz. L'état de marche ou d'arrêt de la pompe (ON/OFF) est indiqué sur la courbe par des cercles blancs (courbe 22) . La valeur de dlos/dt est indiquée par des cercles noirs (courbe 23) .Natural air is enriched with ozone by the use of a mercury lamp. A pump mounted downstream of the enclosure (25 ml) containing the detector allows exposure under flow for 2 min. At the same time, an air sample is taken to titrate the ozone using a metrological device. The recovery is static (8 min) and is obtained by stopping the gas flow generating pump. The ON or OFF state of the pump is indicated on the curve by white circles (curve 22). The value of dlos / dt is indicated by black circles (curve 23).
Il est aisé de remarquer que le temps de réponse du détecteur est bien plus court que le temps total d'exposition. Sur la figure 13, on note un temps de réponse d'environ 10s. Toutefois, ce temps pourrait être encore réduit si les divers volumes morts (tube, enceinte) étaient également réduits. Les mesures de IDs sont telles que VGS=VDs=-3V. La concentration d'ozone engendrée est de l'ordre deIt is easy to notice that the response time of the detector is much shorter than the total exposure time. In Figure 13, we note a response time of about 10s. However, this time could be further reduced if the various dead volumes (tube, enclosure) were also reduced. The measurements of I D s are such that V GS = V D s = -3V. The concentration of ozone generated is of the order of
40 ppb.40 ppb.
EXEMPLE 6 : Evolution au cours du temps de IDS d'un détecteur comprenant un transistor tel que celui illustré sur la figure 1, ce détecteur étant exposé à de l'air filtré enrichi en ozone.EXAMPLE 6 Evolution over time of I DS of a detector comprising a transistor such as that illustrated in FIG. 1, this detector being exposed to filtered air enriched with ozone.
La figure 14 montre le variation de IDS d'un détecteur fabriqué selon des techniques ne nécessitant pas la microlithographie. Une couche mince de phtalocyanine de nickel (PcNi) est déposée sur les couches isolantes 2, 3 (Si02 etFIG. 14 shows the variation of I DS of a detector manufactured according to techniques which do not require microlithography. A thin layer of nickel phthalocyanine (PcNi) is deposited on the insulating layers 2, 3 (Si0 2 and
Si3N4) .
Des électrodes d'or sont ensuite déposées, la distance interélectrodes (50μm) étant garantie grâce à un masque constitué d'un fil.If 3 N 4 ). Gold electrodes are then deposited, the interelectrode distance (50 μm) being guaranteed thanks to a mask made up of a wire.
L'exposition est faite sous flux (pendant 2 mn) d'air filtré enrichi en ozone. Le recouvrement est statique. Le détecteur de mesure est représenté schématiquement figure 5.The exposure is made under flow (for 2 min) of filtered air enriched with ozone. The overlap is static. The measurement detector is shown diagrammatically in FIG. 5.
Les mesures électriques se font dans des conditions différentes de celles utilisées le plus souvent.Electrical measurements are made under conditions different from those used most often.
Dans cet exemple, VG=Vs=0, VDS=+20V. La tension VGS est appliquée pendant une seconde et IDS est mesurée après 0,2 s.In this example, V G = V s = 0, V DS = + 20V. The voltage V GS is applied for one second and I DS is measured after 0.2 s.
Il est remarquable de constater que la sensibilité des transistors fabriqués selon les schémas des figures 1 et 2, bien que très différents dans leur mode de fabrication, est approximativement la même.It is remarkable to note that the sensitivity of the transistors manufactured according to the diagrams of FIGS. 1 and 2, although very different in their mode of manufacture, is approximately the same.
EXEMPLE 7 : Evolution au cours du temps de IDS avec le transistor illustré sur la figure 2 et utilisé dans le détecteur de la figure 5, lorsqu'on expose ce détecteur à un flux d'air filtré enrichi en ozone (30 ppb) .EXAMPLE 7 Evolution over time of I DS with the transistor illustrated in FIG. 2 and used in the detector of FIG. 5, when this detector is exposed to a flow of filtered air enriched with ozone (30 ppb).
La pompe est montée en amont de l'enceinte (25 ml) contenant le détecteur. Comme dans la plupart des exemples précédents, la phase d'exposition sous flux dure 2 mn, tandis que le recouvrement statique dure 8 mn. L'examen des figures 15 et 16 montre la différence de réponse du détecteur selon que l'enceinte est intérieurement revêtue d'indigo qui est un réactif connu pour réagir sélectivement avec l'ozone (figure 15), ou selon que l'enceinte est laissée sans revêtement particulier (figure 16) . La comparaison montre une réponse très nettement améliorée par la présence de la couche d'indigo.
EXEMPLE 8 : Evolution au cours du temps de la dérivée par rapport au temps de l'intensité IDs lorsqu'on utilise le détecteur comprenant l'enceinte illustrée sur la figure 4 et le transistor illustré sur la figure 2. La figure 17 indique l'évolution au cours du temps de la dérivée par rapport au temps de l'intensité IDS, lorsque le détecteur est exposé à de l'air naturel enrichi en ozone par une lampe au mercure (40 ppb environ) . Le détecteur est placé dans un caisson 14 présentant des dimensions hors tout de 10*5*3 cm3 environ et contenant tous les composants (piles, afficheur, circuits de traitement de l'information...) nécessaires à un fonctionnement autonome du détecteur. Il s'agit donc d'un détecteur portatif. L'exposition est dite statique car aucun flux de gaz n'est nécessaire pour la détection, la seule ouverture du couvercle mobile 15 solidaire du caisson 14 permettant ladite exposition statique.The pump is mounted upstream of the enclosure (25 ml) containing the detector. As in most previous examples, the exposure phase under flux lasts 2 min, while the static recovery lasts 8 min. Examination of FIGS. 15 and 16 shows the difference in response of the detector according to whether the enclosure is internally coated with indigo which is a reagent known to react selectively with ozone (FIG. 15), or according to whether the enclosure is left without any particular coating (figure 16). The comparison shows a very markedly improved response by the presence of the indigo layer. EXAMPLE 8 Evolution over time of the derivative with respect to time of the intensity I D s when using the detector comprising the enclosure illustrated in FIG. 4 and the transistor illustrated in FIG. 2. FIG. 17 indicates the evolution over time of the derivative with respect to time of the intensity I DS , when the detector is exposed to natural air enriched in ozone by a mercury lamp (approximately 40 ppb). The detector is placed in a box 14 having overall dimensions of approximately 10 * 5 * 3 cm 3 and containing all the components (batteries, display, information processing circuits, etc.) necessary for autonomous operation of the detector. . It is therefore a portable detector. The exposure is said to be static because no gas flow is necessary for detection, the only opening of the movable cover 15 secured to the box 14 allowing said static exposure.
La phase de recouvrement statique se fait par simple fermeture du couvercle 15, isolant ainsi le détecteur de l'air extérieur et permettant à l'ozone, contenu dans l'air se trouvant à l'intérieur du caisson 14, de s'adsorber ou de se décomposer sur les parois intérieures du caisson 14.The static covering phase is done by simply closing the cover 15, thus isolating the detector from the outside air and allowing the ozone, contained in the air inside the box 14, to adsorb or to decompose on the interior walls of the box 14.
Sur la figure 17, seule la dérivée par rapport au temps dIDs/dt est représentée lors de la phase d'exposition (2 mn) suivie de la phase de recouvrement statique (8 mn) .In FIG. 17, only the derivative with respect to the time dI D s / dt is represented during the exposure phase (2 min) followed by the static recovery phase (8 min).
La concentration en ozone telle que mesurée par un appareil métrologique commercial est indiquée par la courbe pointillée 24.The ozone concentration as measured by a commercial metrological device is indicated by the dotted curve 24.
EXEMPLE 9 : Evolution au cours du temps de l'intensité IDS pour un détecteur comprenant un transistor tel que représenté sur la figure 2 , le détecteur étant exposé à un flux d' air
synthétique contenant N02, la mesure de la concentration en N02 se faisant par comparaison avec une mesure faite sous flux d' air synthétique pur .EXAMPLE 9 Evolution over time of the intensity I DS for a detector comprising a transistor as shown in FIG. 2, the detector being exposed to a flow of air Synthetic containing N0 2, measuring the N0 2 concentration being carried out by comparison with a measurement carried out under a flow of pure synthetic air.
La figure 18 montre l'évolution au cours du temps de IDS pour un détecteur soumis successivement à un flux d'air synthétique contenant 100 ppb de N02, à l'instant désigné par t' 1 sur la figure 18 jusqu'à un instant ultérieur indiqué par t'2 (l'intervalle t'2-t'l est d'environ 80 mn dans cet exemple). A l'instant t'2, le flux précédent est remplacé par un flux d'air synthétique pur afin de permettre de retrouver les propriétés originelles du détecteur.FIG. 18 shows the evolution over time of I DS for a detector subjected successively to a flow of synthetic air containing 100 ppb of N0 2 , at the instant designated by t '1 in FIG. 18 up to a subsequent time indicated by t'2 (the interval t'2-t'l is approximately 80 min in this example). At instant t'2, the previous flow is replaced by a flow of pure synthetic air in order to allow the original properties of the detector to be recovered.
La couche de matériau moléculaire 4 utilisée est une couche de phtalocyanine de nickel d'une épaisseur d'environ 300 Â. Les conditions de mesures électriques sont les suivantes :The layer of molecular material 4 used is a layer of nickel phthalocyanine with a thickness of approximately 300 Å. The electrical measurement conditions are as follows:
- polarisation continue du transistor à VGS=VDS=-5V,- continuous bias of the transistor at V GS = V DS = -5V,
- durée entre chaque détermination de IDs = 5s,- duration between each determination of I Ds = 5s,
- aucune tension n'est appliquée lorsque le détecteur est soumis au flux d'air synthétique pur.- no voltage is applied when the detector is subjected to the flow of pure synthetic air.
EXEMPLE 10 : Evolution au cours du temps de l'intensité IDs pour un détecteur comprenant un transistor tel que celui représenté sur la figure 2 et soumis à des concentrations croissantes de N02 dans de l'air synthétique sous flux d'air, ces périodes étant suivies d'une phase de recouvrement dynamique pendant laquelle le détecteur est soumis à un seul flux d' air synthétique .EXAMPLE 10 Evolution over time of the intensity I D s for a detector comprising a transistor such as that shown in FIG. 2 and subjected to increasing concentrations of N0 2 in synthetic air under air flow, these periods being followed by a dynamic recovery phase during which the detector is subjected to a single flow of synthetic air.
La figure 19 montre 6 cycles de mesure exposition dynamique/ recouvrement dynamique. Pendant les diverses phases d'exposition, la concentration en N02 varie. Sur la figure 19, on a reporté successivement les concentrations 50,
100, 150, 200, 250 et 300 ppb de N02. Il est remarquable de noter la proportionnalité observée entre l'intensité maximale de IDs et la teneur en ozone. Il est également remarquable de noter que le retour à l'état originel du détecteur (soit avant son exposition à N02) est excellent, bien que nécessitant dans cet exemple un temps assez long (2 heures) .Figure 19 shows 6 dynamic exposure / dynamic recovery measurement cycles. During the various exposure phases, the N0 2 concentration varies. In FIG. 19, the concentrations 50 have been reported successively, 100, 150, 200, 250 and 300 ppb of N0 2 . It is remarkable to note the proportionality observed between the maximum intensity of I D s and the ozone content. It is also remarkable to note that the return to the original state of the detector (ie before its exposure to NO 2 ) is excellent, although in this example requiring a fairly long time (2 hours).
L'utilisation de couches minces polycristallines de PcNi (300 Â) a été faite dans cet exemple.The use of polycrystalline thin layers of PcNi (300 Å) was made in this example.
L'utilisation de matériaux moléculaires amorphes ou quasi amorphes améliorerait grandement la cinétique de recouvrement .The use of amorphous or quasi-amorphous molecular materials would greatly improve the kinetics of recovery.
EXEMPLE 11: Evolution au cours du temps de l'intensité Ios du courant circulant entre les électrodes de drain 5 et de source 6 d'un transistor tel que celui représenté sur la figure 2 , lorsque le détecteur est exposé à un flux d' air synthétique contenant 100 ppb de N02 alors qu'on applique simultanément les tensions VGS=VDS=-3V. Les cycles d' exposition dynamique/ recouvrement dynamique sont de 2 mn/ 8 mn. Aucune polarisation du transistor n'est appliquée lors du recouvrement sous lux d' air synthétique pur .EXAMPLE 11 Evolution over time of the intensity I os of the current flowing between the drain 5 and source 6 electrodes of a transistor such as that shown in FIG. 2, when the detector is exposed to a flux of synthetic air containing 100 ppb of N0 2 while simultaneously applying the voltages V GS = V DS = -3V. The dynamic exposure / dynamic recovery cycles are 2 min / 8 min. No bias of the transistor is applied during recovery under lux of pure synthetic air.
En référence à la figure 20, il est possible d'observer que IDS atteint d'abord un maximum aux temps courts après l'application de la tension VGS=VDs, puis qu'elle décroît pour croître à nouveau vers la fin de la phase d'exposition dynamique. Toutefois, la forme des courbes varie et l'on n'obtient plus qu'une décroissance monotone après 4 à 5 cycles.With reference to FIG. 20, it is possible to observe that I D S first reaches a maximum at short times after the application of the voltage V GS = V D s, then that it decreases to increase again towards the end of the dynamic exposure phase. However, the shape of the curves varies and there is only a monotonous decrease after 4 to 5 cycles.
Ce protocole de mesure est important car il permet de faire une distinction entre divers gaz polluants considérant leur temps de réponse qui est lui même différent vis-à-vis de
celui du détecteur. Un traitement de l'information par transformée de Fourier est alors possible.This measurement protocol is important because it makes it possible to distinguish between various polluting gases considering their response time which is itself different vis-à-vis that of the detector. Information processing by Fourier transform is then possible.
EXEMPLE 12 : Evolution au cours du temps de l' intensité IDS du courant circulant entre les électrodes de drain 5 et de source 6 d'un transistor tel que celui représenté sur la figure 2 , pour une variante des protocoles de mesure précédents .EXAMPLE 12 Evolution over time of the intensity I DS of the current flowing between the drain 5 and source 6 electrodes of a transistor such as that shown in FIG. 2, for a variant of the previous measurement protocols.
La figure 21 montre en trait plein l'évolution de l'intensité IDs au cours du temps, lorsque l'exposition (2 mn) du détecteur se fait sous un flux d'air filtré enrichi en ozone, le recouvrement étant statique et aucun flux d'air ne balayant plus le détecteur.FIG. 21 shows in full line the evolution of the intensity I D s over time, when the exposure (2 min) of the detector is done under a flow of filtered air enriched with ozone, the covering being static and no air flow sweeping over the detector.
La concentration d'ozone est mesurée avec un appareil métrologique commercial et la teneur en ozone est indiquée par l'échelle de droite et la courbe en pointillé 25.The ozone concentration is measured with a commercial metrological device and the ozone content is indicated by the right scale and the dotted curve 25.
Cet exemple illustre l'utilisation d'un protocole de mesure selon lequel les tensions VGS=VDS=-3V sont appliquées pendant ls seulement sous la forme de créneaux de tension, ces créneaux de tension étant espacés les uns des autres de 10s.This example illustrates the use of a measurement protocol according to which the voltages V GS = V DS = -3V are applied for ls only in the form of voltage slots, these voltage slots being spaced from each other by 10s.
IDS est mesurée 0,2s après l'application desdites tensions.I DS is measured 0.2s after the application of said voltages.
EXEMPLE 13 : Evolution au cours du temps de l'intensité IDS du courant circulant entre les électrodes de drain 5 et de source 6 d'un transistor tel que celui représenté sur la figure 1, pour une autre variante des protocoles de mesure précédents, dans le cas d'une détermination du taux d'ozone.EXAMPLE 13 Evolution over time of the intensity I DS of the current flowing between the drain 5 and source 6 electrodes of a transistor such as that shown in FIG. 1, for another variant of the previous measurement protocols, in the case of an ozone determination.
Le détecteur utilisé comprend une couche mince 4 de phtalocyanine de nickel (distance interélectrodes=50 μm) et est disposé à l'intérieur d'une enceinte en duralumin que l'on peut
clore pour soumettre le transistor à une atmosphère confinée, ou ouvrir pour exposer le détecteur à l'air ambiant.The detector used comprises a thin layer 4 of nickel phthalocyanine (distance between electrodes = 50 μm) and is placed inside a duralumin enclosure which can be close to subject the transistor to a confined atmosphere, or open to expose the detector to ambient air.
Les conditions de mesure électrique sont les suivantes : - une impulsion de tension de 10V à VDG≈VDS≈-IOV et àThe electrical measurement conditions are as follows: - a voltage pulse of 10V at V DG ≈V DS ≈-IOV and at
VGS=0 est appliquée pendant 200 ms, lesdites impulsions étant séparées les unes des autres d'environ une minute.V GS = 0 is applied for 200 ms, said pulses being separated from one another by about one minute.
- IDs n'apparaît pas immédiatement après l'application de l'impulsion de tension, et on mesure en conséquence un délai Δt nécessaire à l'apparition du courant d'intensité IDS.- I D s does not appear immediately after application of the voltage pulse, and a delay Δt necessary for the appearance of the intensity current I DS is measured accordingly.
Selon que le détecteur est exposé à l'air ambiantDepending on whether the detector is exposed to ambient air
(courbe 26) ou confiné dans l'enceinte en duralumin (courbe(curve 26) or confined in the duralumin enclosure (curve
27), les délais observés Δtl et Δt2 sont différents, tout comme les intensités IDs mesurées après ces délais. Ceci fournit un autre moyen de discrimination envers les divers gaz polluants sans faire appel nécessairement à la destruction sélective d'un des constituants.27), the observed delays Δtl and Δt2 are different, as are the intensities I D s measured after these delays. This provides another means of discrimination against the various polluting gases without necessarily calling for the selective destruction of one of the constituents.
EXEMPLE 14 : : Evolution au cours du temps de l'intensité IDs du courant circulant entre les électrodes de drain 5 et de source 6 d'un transistor tel que celui représenté sur la figure 1, le protocole de mesure électrique étant analogue à celui de l'exemple 13 (VDG≈VDS≈-IOV pendant 200 ms et mesure de IDS toutes les minutes) . L'ouverture, commandée du couvercle de l'enceinte renfermant le transistor a permis de faire des mesures différentielles sans intervention manuelle.EXAMPLE 14: Evolution over time of the intensity I D s of the current flowing between the drain 5 and source 6 electrodes of a transistor such as that shown in FIG. 1, the electrical measurement protocol being analogous to that of Example 13 (V DG ≈V DS ≈-IOV for 200 ms and measurement of I DS every minute). The controlled opening of the enclosure cover containing the transistor made it possible to make differential measurements without manual intervention.
Le protocole de mesure est le suivant :The measurement protocol is as follows:
- on applique une contre tension de 20V pour neutraliser les porteurs de charge se trouvant à l'interface,
- on mesure par la technique impulsionnelle décrite ci- dessus la valeur de IDS. Les mesures sont faites dans une enceinte en duralumin close contenant le transistor,- a 20V counter voltage is applied to neutralize the charge carriers at the interface, - We measure by the impulse technique described above the value of I DS . The measurements are made in a closed duralumin enclosure containing the transistor,
- lorsque IDS > 10"9 A et ΔlDS < 5 10"10 A (sur 1 mn) , on ouvre le couvercle de l'enceinte par un moyen mécanique,- when I DS > 10 "9 A and Δl DS <5 10 " 10 A (over 1 min), the enclosure cover is opened by mechanical means,
- on effectue une mesure à l'air ambiant et on applique immédiatement après une contre-tension de 20V.- a measurement is made with ambient air and applied immediately after a 20V back-voltage.
Cette façon de faire permet de s'affranchir des problèmes liés à la dérive de IDs avec le temps lorsqu'on expose le détecteur à un ou plusieurs gaz polluants.
This way of doing things overcomes the problems associated with the drift of I D s over time when the detector is exposed to one or more polluting gases.
Claims
1. Détecteur d'au moins un gaz polluant, comprenant un transistor (13) à effet de champ comportant une électrode de drain (5) et une électrode de source (6) reliées entre elles par une partie electroactive (4) qui est constituée d'une couche de matériau moléculaire, l'électrode de source et l'électrode de drain de ce transistor étant reliées à un dispositif de mesure de l'intensité (IDS) du courant qui circule entre l'électrode de drain et l'électrode de source du transistor lorsque la couche de matériau moléculaire est soumise à l'influence dudit au moins un gaz polluant, caractérisé en ce que le dispositif de mesure comporte des moyens de mesure de l'intensité du courant (IDS) qui circule entre l'électrode de drain et l'électrode de source du transistor à au moins un instant donné après l'initialisation du détecteur, la présence dudit au moins un gaz polluant provoquant le dopage de ce matériau selon la concentration en gaz polluant, l'intensité et la pente de la croissance du courant (IDS) étant liées à la concentration en gaz polluant.1. Detector of at least one polluting gas, comprising a field effect transistor (13) comprising a drain electrode (5) and a source electrode (6) connected together by an electroactive part (4) which is constituted of a layer of molecular material, the source electrode and the drain electrode of this transistor being connected to a device for measuring the intensity (I DS ) of the current flowing between the drain electrode and the source electrode of the transistor when the layer of molecular material is subjected to the influence of said at least one polluting gas, characterized in that the measuring device comprises means for measuring the intensity of the current (I DS ) flowing between the drain electrode and the source electrode of the transistor at least at a given instant after initialization of the detector, the presence of said at least one polluting gas causing doping of this material according to the concentration of polluting gas, the intensity and the slope of the current growth (I D S) being related to the concentration of polluting gas.
2. Détecteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les mesures électriques sont effectuées par application d'une tension électrique (VDS) entre l'électrode de drain (5) et l'électrode de source (6) du transistor (13) et d'une tension électrique (VGS) entre l'électrode de grille et l'électrode de source du transistor, ces tensions étant choisies dans le groupe comprenant les tensions continues, les rampes de tension, les tensions impulsionnelles et les tensions alternatives.2. Detector according to claim 1, characterized in that the electrical measurements are carried out by application of an electrical voltage (V DS ) between the drain electrode (5) and the source electrode (6) of the transistor (13 ) and an electrical voltage (V GS ) between the gate electrode and the source electrode of the transistor, these voltages being chosen from the group comprising direct voltages, voltage ramps, pulse voltages and alternating voltages .
3. Détecteur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le transistor (13) comporte :
- un substrat conducteur (1) formant la grille du transistor,3. Detector according to claim 1 or claim 2, characterized in that the transistor (13) comprises: - a conductive substrate (1) forming the gate of the transistor,
- une couche isolante (2,3) déposée sur le substrat (1), et - ladite couche de matériau moléculaire déposée sur ladite couche isolante pour assurer la conduction entre l'électrode de drain (5) et l'électrode de source (6) du transistor.- an insulating layer (2,3) deposited on the substrate (1), and - said layer of molecular material deposited on said insulating layer to ensure conduction between the drain electrode (5) and the source electrode (6 ) of the transistor.
4. Détecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les électrodes de drain (5) et de source (6) sont déposées sur la couche de matériau moléculaire (4) par les techniques choisies dans le groupe comprenant le masquage et la sérigraphie.4. Detector according to claim 3, characterized in that the drain (5) and source (6) electrodes are deposited on the layer of molecular material (4) by the techniques chosen from the group comprising masking and serigraphy.
5. Détecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les électrodes de drain (5) et de source (6) sont fabriquées par microlithographie.5. Detector according to claim 3, characterized in that the drain (5) and source (6) electrodes are manufactured by microlithography.
6. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la couche isolante (2,3) est constituée d'isolants ( Si02, Si3N4...) ou bien par des couches minces de polymères, de couches de Langmuir Blodgett ou bien de molécules ayant des propriétés d'isolant électrique greffées sur l'électrode de grille du transistor.6. Detector according to any one of claims 3 to 5, characterized in that the insulating layer (2,3) consists of insulators (Si0 2 , Si 3 N 4 ...) or else by thin layers of polymers, Langmuir Blodgett layers or molecules with electrical insulating properties grafted onto the gate electrode of the transistor.
7. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la couche isolante (2,3) est déposée par photopolymérisation après greffage ou non dudit substrat conducteur (1) .7. Detector according to any one of claims 3 to 6, characterized in that the insulating layer (2,3) is deposited by photopolymerization after grafting or not of said conductive substrate (1).
8. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le matériau moléculaire est choisi notamment dans le groupe comprenant les dérivés de phtalocyanines métallées ou non, les porphyrines métallées ou non, les azaporphyrines, les porphyrazines, les
bisphtalocyanines de terres rares, leurs mélanges, et la superposition de plusieurs couches d'entre elles.8. Detector according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the molecular material is chosen in particular from the group comprising phthalocyanine derivatives, metallized or not, porphyrins metallized or not, azaporphyrins, porphyrazines, rare earth bisphthalocyanines, their mixtures, and the layering of several layers of them.
9. Détecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que des unités moléculaires constitutives du matériau moléculaire sont substituées par des atomes, des chaînes paraffiniques, des chaînes polymères telles que des chaînes polyoxyéthyléniques, des groupements anioniques ou cationiques .9. Detector according to claim 8, characterized in that the molecular units constituting the molecular material are substituted by atoms, paraffinic chains, polymer chains such as polyoxyethylene chains, anionic or cationic groups.
10. Détecteur selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la couche de matériau moléculaire (4) est déposée éventuellement après dissolution dans un solvant des unités moléculaires constitutives de ladite couche, par sublimation sous vide, par la méthode à la tournette, par sérigraphie, par la méthode de Langmuir Blodgett, et par photopolymérisation.10. Detector according to claim 8 or 9, characterized in that the layer of molecular material (4) is optionally deposited after dissolution in a solvent of the molecular units constituting said layer, by vacuum sublimation, by the spinning method, by screen printing, by the Langmuir Blodgett method, and by photopolymerization.
11. Détecteur selon l'une quelconque des revendications l à 10, caractérisé en ce que la couche de matériau moléculaire (4) est amorphe ou quasi amorphe, ce par quoi la diffusion des espèces gazeuses au sein de la couche de matériau moléculaire est améliorée.11. Detector according to any one of claims l to 10, characterized in that the layer of molecular material (4) is amorphous or almost amorphous, whereby the diffusion of gaseous species within the layer of molecular material is improved .
12. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte une source lumineuse (16) pour soumettre le transistor à un flux photonique pendant la détection et la mesure, ladite source lumineuse étant destinée à augmenter la sensibilité du détecteur.12. Detector according to any one of claims 1 to 11, characterized in that it comprises a light source (16) for subjecting the transistor to a photonic flux during detection and measurement, said light source being intended to increase the detector sensitivity.
13. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte une source de chaleur (17) pour augmenter sa température et favoriser la migration des espèces constitutives au sein du matériau moléculaire.
13. Detector according to any one of claims 1 to 12, characterized in that it comprises a heat source (17) to increase its temperature and promote the migration of the constituent species within the molecular material.
14. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le transistor (13) est disposé dans une enceinte (14) comprenant des moyens commandés d'admission d'au moins un gaz polluant dans un mélange de gaz et un revêtement interne (14a) dont au moins une partie comprend un matériau apte à réagir avec ledit au moins un gaz polluant à détecter, lesdits moyens commandés étant actionnés, d'une part, en admission pour permettre l'introduction dudit au moins un gaz polluant dans un mélange de gaz à l'intérieur de l'enceinte et, d'autre part, en coupure d'admission pour empêcher l'introduction dudit au moins un gaz polluant dans un mélange de gaz à l'intérieur de l'enceinte et favoriser ainsi l'adsorption ou bien la destruction chimique dudit au moins un gaz polluant correspondant, cette dernière étape constituant la phase d' initialisation.14. Detector according to any one of claims 1 to 13, characterized in that the transistor (13) is arranged in an enclosure (14) comprising controlled means for admitting at least one polluting gas into a gas mixture and an internal coating (14a) at least part of which comprises a material capable of reacting with said at least one polluting gas to be detected, said controlled means being actuated, on the one hand, in intake to allow the introduction of said at least one polluting gas in a gas mixture inside the enclosure and, on the other hand, in intake shutdown to prevent the introduction of said at least one polluting gas in a gas mixture inside the enclosure and thus promote the adsorption or chemical destruction of said at least one corresponding polluting gas, this last step constituting the initialization phase.
15. Détecteur selon la revendication 14, caractérisé en ce que le matériau de revêtement interne (14a) de l'enceinte (14) est choisi dans le groupe comprenant l'acier inoxydable, un alliage d'aluminium, de cuivre et de magnésium, les matières polymères et comprend sur au moins une partie de sa surface un composé susceptible de réagir avec ledit au moins un gaz polluant à détecter, ledit composé étant choisi en fonction du gaz à détecter dans le groupe comprenant notamment la diphénylbenzidine, des sels de plomb et l'indigo.15. Detector according to claim 14, characterized in that the internal coating material (14a) of the enclosure (14) is chosen from the group comprising stainless steel, an alloy of aluminum, copper and magnesium, polymeric materials and comprises on at least part of its surface a compound capable of reacting with said at least one polluting gas to be detected, said compound being chosen as a function of the gas to be detected from the group comprising in particular diphenylbenzidine, lead salts and indigo.
16. Détecteur selon la revendication 14 ou la revendication 15, caractérisé en ce que lesdits moyens commandés d'admission de gaz polluant sont choisis dans le groupe comprenant un couvercle (15) mobile et solidaire de l'enceinte (14), et une électro-pompe (P) reliée à l' enceinte.
16. Detector according to claim 14 or claim 15, characterized in that said controlled means for admitting polluting gas are chosen from the group comprising a cover (15) movable and integral with the enclosure (14), and an electro -pump (P) connected to the enclosure.
17. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que l'enceinte (14) comprend en outre des moyens générateurs de courant de convection (T) qui sont mis en fonctionnement lors de la coupure d'admission des moyens commandés d'admission dudit au moins un gaz polluant dans un mélange de gaz pour accélérer le flux dudit au moins un gaz polluant dans un mélange de gaz en direction du revêtement interne (14a) de ladite enceinte.17. Detector according to any one of claims 14 to 16, characterized in that the enclosure (14) further comprises means for generating convection current (T) which are put into operation when the intake of the controlled means for admitting said at least one polluting gas into a mixture of gases to accelerate the flow of said at least one polluting gas in a mixture of gases towards the internal coating (14a) of said enclosure.
18. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 14 à 17, caractérisé en ce que l' enceinte (14) est reliée à des moyens de destruction sélective (FI, F2, 18) dudit au moins un gaz polluant.18. Detector according to any one of claims 14 to 17, characterized in that the enclosure (14) is connected to means for selective destruction (FI, F2, 18) of said at least one polluting gas.
19. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que ledit au moins un gaz polluant est un élément constitutif d'un mélange de gaz, cet élément étant choisi dans le groupe comprenant notamment l'ozone, HF, CO, C02, S02, l'aniline, AsR3 R étant un groupe alkyle, NO, N02, Cl2, CICN, DMF, Me2S, H2S, RSH R étant un groupe alkyle, H202, COCl2, CS2, NO ou leurs mélanges, les gaz toxiques et les gaz dangereux.19. Detector according to any one of claims 1 to 18, characterized in that said at least one polluting gas is an element constituting a gas mixture, this element being chosen from the group comprising in particular ozone, HF, CO, C0 2 , S0 2 , aniline, AsR 3 R being an alkyl group, NO, N0 2 , Cl 2 , CICN, DMF, Me 2 S, H 2 S, RSH R being an alkyl group, H 2 0 2 , COCl 2 , CS 2 , NO or their mixtures, toxic gases and dangerous gases.
20. Procédé de mesure de la concentration d'au moins un gaz polluant constitutif d'un mélange de gaz captés par un détecteur selon l'une des revendications 1 à 19, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : a) admettre dans le détecteur ce mélange de gaz entre un premier instant (tl) et un second instant (t2) qui suit ledit premier instant, et mesurer l'intensité du courant20. Method for measuring the concentration of at least one polluting gas constituting a mixture of gases captured by a detector according to one of claims 1 to 19, characterized in that it comprises the steps consisting in: a) admit into the detector this mixture of gases between a first instant (tl) and a second instant (t2) which follows said first instant, and measure the intensity of the current
(IDs) ui circule entre l'électrode de drain (5) et l'électrode de source (6) du transistor (13), entre les premier et second instants, b) couper cette admission entre le second instant (t2) et un troisième instant (t3) qui suit ledit second
instant (t2) , et mesurer l'intensité du courant (IDS) qui circule entre l'électrode de drain (5) et l'électrode de source (6) du transistor (13), dans l'intervalle de temps compris entre les second et troisième instants, cet intervalle constituant l'initialisation du détecteur au cours de laquelle est détruit sélectivement ledit au moins un gaz polluant contenu dans ledit mélange de gaz, c) admettre à nouveau dans le détecteur ledit mélange de gaz entre le troisième instant (t3) et un quatrième instant (t4) qui suit ledit troisième instant (t3) , et mesurer l'intensité du courant (IDs) qui circule entre l'électrode de drain (5) et l'électrode de source (6) du transistor (13), entre les troisième et quatrième instants, pour en déduire la concentration dudit au moins un gaz polluant sélectivement détruit à l'étape b) .(I D s) which flows between the drain electrode (5) and the source electrode (6) of the transistor (13), between the first and second instants, b) cut off this admission between the second instant (t2) and a third instant (t3) which follows said second instant (t2), and measure the intensity of the current (I DS ) flowing between the drain electrode (5) and the source electrode (6) of the transistor (13), in the time interval between the second and third instants, this interval constituting the initialization of the detector during which said at least one polluting gas contained in said gas mixture is selectively destroyed, c) admitting said gas mixture again into the detector between the third instant (t3) and a fourth instant (t4) which follows said third instant (t3), and measure the intensity of the current (I D s) which flows between the drain electrode (5) and the source electrode (6 ) of the transistor (13), between the third and fourth instants, to deduce the concentration of said at least one polluting gas selectively destroyed in step b).
21. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que l'étape b) est suivie d'une étape consistant à comparer la valeur de l'intensité dos) du courant qui a circulé dans le transistor (13) entre les premier (tl) et second (t2) instants à une valeur de référence fonction dudit au moins un gaz polluant, afin de déterminer la concentration dudit au moins un gaz polluant.21. Method according to claim 20, characterized in that step b) is followed by a step consisting in comparing the value of the intensity back) of the current which circulated in the transistor (13) between the first (tl ) and second (t2) instants at a reference value as a function of said at least one polluting gas, in order to determine the concentration of said at least one polluting gas.
22. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que : - à l'étape a) on calcule une valeur de la dérivée par rapport au temps de l'intensité du courant qui a circulé entre l'électrode de drain et l'électrode de source du transistor (13) entre les premier et second instants,22. Method according to claim 20, characterized in that: - in step a) a value of the derivative with respect to time is calculated of the intensity of the current which has flowed between the drain electrode and the electrode source of the transistor (13) between the first and second instants,
- à l'étape b) on calcule une valeur de la dérivée par rapport au temps de l'intensité du courant qui a circulé entre l'électrode de drain et l'électrode de source du transistor (13) entre les second et troisième instants, et on
compare les dérivées calculées respectivement aux étapes a) et b) à une valeur de référence fonction dudit au moins un gaz polluant afin de déterminer la concentration dudit au moins un gaz polluant. - in step b) a value of the derivative with respect to time is calculated of the intensity of the current which has flowed between the drain electrode and the source electrode of the transistor (13) between the second and third instants , and we compares the derivatives calculated respectively in steps a) and b) with a reference value as a function of said at least one polluting gas in order to determine the concentration of said at least one polluting gas.
23. Procédé selon l'une quelconque des revendications23. Method according to any one of claims
20 à 22, caractérisé en ce que les étapes a) , b) et c) sont répétées successivement une pluralité de fois.20 to 22, characterized in that steps a), b) and c) are repeated successively a plurality of times.
24. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 23, caractérisé en ce que la tension (VDs) entre l'électrode de drain (5) et l'électrode de source (6) du transistor est appliquée, tandis qu'est déterminée la dérivée par rapport au temps (dIDs/dt) de l'intensité du courant qui circule entre l'électrode de drain (5) et l'électrode de source (6) du transistor, ladite tension étant continue et étant égale à la tension (VGS) entre l'électrode de grille et l'électrode de source du transistor ou différente de cette tension (VGS) .24. Method according to any one of claims 1 to 23, characterized in that the voltage (V Ds ) between the drain electrode (5) and the source electrode (6) of the transistor is applied, while the derivative with respect to time (dI D s / dt) of the intensity of the current flowing between the drain electrode (5) and the source electrode (6) of the transistor is determined, said voltage being continuous and being equal to or different from the voltage (V GS ) between the gate electrode and the source electrode of the transistor (V GS ).
25. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 23, caractérisé en ce qu'un créneau de tension (VGS) est appliqué au cours d'une durée variant de zéro à quelques minutes, tandis que l'intensité dos) du courant circulant entre l'électrode de drain (5) et l'électrode de source (6) du transistor est mesurée selon un échantillonnage préalablement choisi. 25. Method according to any one of claims 1 to 23, characterized in that a voltage slot (V GS ) is applied during a period varying from zero to a few minutes, while the intensity do s ) the current flowing between the drain electrode (5) and the source electrode (6) of the transistor is measured according to a previously chosen sampling.
26. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 23, caractérisé en ce qu'une première tension est appliquée entre les premier (tl) et second (t2) instants, une seconde tension, différente de la première tension, est appliquée entre les second (t2) et troisième (t3) instants, ces étapes étant répétées périodiquement dans le temps et la transformée de Fourier du signal délivré par le détecteur étant effectuée.
26. Method according to any one of claims 1 to 23, characterized in that a first voltage is applied between the first (tl) and second (t2) moments, a second voltage, different from the first voltage, is applied between the second (t2) and third (t3) instants, these steps being repeated periodically over time and the Fourier transform of the signal delivered by the detector being performed.
27. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 23, caractérisé en ce que lorsque la tension (VDS) entre l'électrode de drain (5) et l'électrode de source (6) du transistor est égale à la tension (VGS) entre l'électrode de grille et l'électrode de source (6) du transistor, et que ces deux tensions sont appliquées pendant une courte période de temps, le courant d'intensité (IDs) qui circule entre l'électrode de drain et l'électrode de source du transistor apparaît après un temps (Δt) caractéristique de la concentration en gaz polluant.27. Method according to any one of claims 1 to 23, characterized in that when the voltage (V DS ) between the drain electrode (5) and the source electrode (6) of the transistor is equal to the voltage (V GS ) between the gate electrode and the source electrode (6) of the transistor, and that these two voltages are applied for a short period of time, the intensity current (I D s) which flows between l the drain electrode and the source electrode of the transistor appear after a time (Δt) characteristic of the concentration of polluting gas.
28. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 23, caractérisé en ce que après application d'une première tension (VGΞ) entre l'électrode de grille et l'électrode de source (6) du transistor et mesure de l'intensité du courant (IDs) qui circule entre l'électrode de drain et l'électrode de source du transistor, une seconde tension (VGS) est appliquée entre l'électrode de grille et l'électrode de source (6) du transistor de telle sorte que ladite intensité du courant revienne à zéro, cette seconde tension ayant un signe opposé à ladite première tension.
28. Method according to any one of claims 1 to 23, characterized in that after application of a first voltage (V GΞ ) between the gate electrode and the source electrode (6) of the transistor and measurement of the intensity of the current (I D s) flowing between the drain electrode and the source electrode of the transistor, a second voltage (V GS ) is applied between the gate electrode and the source electrode (6) of the transistor so that said current intensity returns to zero, this second voltage having a sign opposite to said first voltage.
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