EP4115173A1 - Antennes a? capteurs de type clusters ioniques - Google Patents

Antennes a? capteurs de type clusters ioniques

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Publication number
EP4115173A1
EP4115173A1 EP21707743.7A EP21707743A EP4115173A1 EP 4115173 A1 EP4115173 A1 EP 4115173A1 EP 21707743 A EP21707743 A EP 21707743A EP 4115173 A1 EP4115173 A1 EP 4115173A1
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EP
European Patent Office
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sensor
sensitive layer
functional
sensor according
transducer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP21707743.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Antoine DENIS
David Rondeau
Mohamed Himdi
Xavier Castel
Stéphane CORDIER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Rennes 1
Institut National des Sciences Appliquees de Rennes
Ecole Nationale Superieure de Chimie de Rennes
Univerdite de Bretagne Occidentale
CentraleSupelec
Nantes Université
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Rennes 1
Institut National des Sciences Appliquees de Rennes
Universite de Nantes
Ecole Nationale Superieure de Chimie de Rennes
Univerdite de Bretagne Occidentale
CentraleSupelec
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Rennes 1, Institut National des Sciences Appliquees de Rennes, Universite de Nantes, Ecole Nationale Superieure de Chimie de Rennes, Univerdite de Bretagne Occidentale, CentraleSupelec filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP4115173A1 publication Critical patent/EP4115173A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/023—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance where the material is placed in the field of a coil
    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502715—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by interfacing components, e.g. fluidic, electrical, optical or mechanical interfaces
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    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/0047—Organic compounds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/06—Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0627—Sensor or part of a sensor is integrated
    • B01L2300/0636—Integrated biosensor, microarrays

Definitions

  • TITLE Ion cluster type sensor antennas
  • the invention relates to the field of detecting the presence of volatile compounds.
  • the invention relates more particularly to the detection of volatile compounds by means of a wireless sensor.
  • VOCs Volatile Organic Compounds
  • the detection of VOCs began in the 1960s by demonstrating the affinity of metal oxides with certain VOCs.
  • the development of sensors based on the use of metal oxides was seen as essential in the monitoring of the environment, the control of chemical transformation processes, the safety of people, etc.
  • Their study has contributed to the development of numerous manufacturing processes using metal oxide nanostructures of various geometries, such as nanoparticles, nanowires, nanowires and nanotubes whose dimension remains in the nanometric order. Due to the high surface-to-mass ratio, nanostructured metal oxides benefit from a strong interaction with the surrounding atmosphere and certain types of gases.
  • their detection efficiency being strongly related to the complexity of manufacturing the sensitive layer, this makes these sensors expensive and limits their potential for use and deployment.
  • a gas sensor of the prior art is composed of a selective sensitive layer and a transducer.
  • the sensitive layer of the detector is at the heart of the device. It is this which is directly concerned by the phenomenon of sorption of the various gases.
  • There are many types of sensitive layers ensuring the detection of gas molecules. This detection can be more or less selective. Selectivity is reflected in the capacity of the sensitive layer to adsorb or absorb one or more volatile species.
  • the existing sensitive layers are associated with a wide range of materials with specific properties. They are classified according to their chemical composition and divided into several categories such as metal / metal-oxide or polymeric nanostructures and organic-inorganic composites. With regard to this last category, it is the MOF (Metal-Organic Frameworks) technology, which today meets with real success.
  • MOF Metal-Organic Frameworks
  • the sensitive layers presented above allow the detection of many constituents present in the atmosphere, such as ammonia, hydrogen disulphite, nitrogen oxide, water, carbon monoxide, nitrogen dioxide , hydrochloric acid, as well as organic compounds (VOCs) including solvents and pathogens, hydrocarbons, etc.
  • Conductive polymers have a strong affinity with VOCs, however the water naturally present in the environment destabilizes the sensitive layer, thus limiting the sensitivity of sensors using polymer technology.
  • inorganic metal oxide gas sensors such as tungsten oxide (WO 3 ), zinc oxide (ZnO), tin dioxide (SnO 2 ), titanium dioxide (TiO 2) ), iron oxides (Fe2O 3 / Fe304) and silicon dioxide (SiO 2 ), are linked to a variable stoichiometry of oxygen and to their surface electrical activity, increasing their detection capacity.
  • Metal oxide gas sensors generally operate at high temperatures (200-400 ° C), which can lead to drifts due to oxidation of the reference electrode. Despite a high sensitivity, the implementations and applications of such sensors therefore remain limited in spite of everything. Their technological development is confronted with the properties of the sensitive organic layer which is at the same time not very stable and which has a strongly limited electrical conductivity during operation at high temperature. Finally, the complexity of their implementation ultimately prevents low-cost industrialization.
  • nanocomposites combining two classes of materials makes it possible, as an alternative, to obtain gas sensors with improved and efficient levels of detection. Indeed, the design of nanocomposites seems to remedy the stability problems due to the synergistic effects of the organic / inorganic base.
  • transducer During the sorption of gases on the sensitive layer of the sensor, certain physicochemical properties such as complex impedance, electrical conductivity, thermal or optical characteristics are found to be modified.
  • the transducer has a central role in that it must convert a physicochemical change into a measurable quantity.
  • the use of an appropriate transducer for each type of physicochemical variation is therefore very important in order to ensure the appropriate detection and requires a suitable design for the precise measurement of this variation.
  • the invention does not have these drawbacks of the prior art. More particularly, the invention relates to a sensor for the detection of volatile compounds or gases, comprising a transducer comprising: a planar resonator comprising a plurality of metal tracks, on a printed circuit, of the coplanar type; a sensitive layer deposited on a predetermined portion of said resonator; said sensitive layer being configured so that the presence of a volatile compound or of a gas to be detected involves a modification of the permittivity of the sensitive layer resulting in a modification of the characteristics of said sensor when it is supplied with electricity.
  • a transducer comprising: a planar resonator comprising a plurality of metal tracks, on a printed circuit, of the coplanar type; a sensitive layer deposited on a predetermined portion of said resonator; said sensitive layer being configured so that the presence of a volatile compound or of a gas to be detected involves a modification of the permittivity of the sensitive layer resulting in a modification of the characteristics of said
  • the power supply belongs to the group comprising: a direct current (DC) power supply; a radio frequency (RF) power supply;
  • the senscillator takes the form of a communicating “senscillator”, comprising a passively reconfigurable two-port antenna, integrated into a loop oscillator.
  • the loop oscillator comprises an amplifier using a field effect or bipolar transistor supplied with direct current.
  • such a sensor can pass from an inactive state (in the event of the absence of a volatile compound to be detected) to an active state (generating the emission of an electromagnetic signal) which can be the subject of a capture.
  • the sensitive layer comprises molecular precursors of predetermined materials.
  • the molecular precursors based on metal clusters of materials comprise units with octahedral clusters with capped faces of the type: in which: M includes W (tungsten) or Mo (molybdenum);
  • X 1 includes Cl (Chlorine) or Br (Bromine) or I (Iodine);
  • L a includes F (Fluorine), X, functional acetates, functional phosphines, functional sulfates, NCS, H 2 O, OFI, or any other donor ligand.
  • the molecular precursors based on metallic clusters of materials comprise units with octahedral clusters with bridged edges of the type:
  • M includes Nb (Niobium) or Ta (Tantalum);
  • X 1 includes Cl (Chlorine) or Br (Bromine) or I (Iodine);
  • L a includes F, X, functional acetates, functional phosphines, functional sulfates, NCS, H 2 O, OFI, or any other donor ligand.
  • the molecular precursors based on metal clusters of materials comprise units of the octahedral cluster type:
  • X 1 includes Cl (Chlorine) or Br (Bromine) or I (Iodine).
  • the invention also relates to a system characterized in that it comprises at least one sensor as defined above.
  • such a system further comprises at least one device for measuring an electromagnetic signal emitted by said at least one sensor.
  • FIG. 1 already presented, describes the operation of a gas sensor according to the prior art
  • FIG. 2 shows the general principle of the invention
  • FIG. 3 illustrates an exemplary embodiment of an antenna sensor
  • FIG. 4 illustrates an exemplary embodiment of an antenna sensor with an improved quality factor
  • FIG. 5 illustrates an exemplary embodiment of a passively reconfigurable closed loop oscillator
  • FIG. 6 illustrates an exemplary embodiment of a communicating “senscillator”, an antenna with two passively reconfigurable ports and integrated into a loop oscillator
  • FIG. 7 illustrates an exemplary embodiment of a passively reconfigurable power divider.
  • FIG. 8 illustrates an exemplary embodiment of a system comprising a combination of sensors illustrated in the exemplary embodiments.
  • An object of the invention is to provide a sensor of volatile compounds (gas, solvent) of small dimensions ensuring precise detection with high selectivity over a wide range of gaseous molecules while being directly communicating with its environment, operating at ambient temperature. , all at low cost.
  • the proposed technique allows the detection and distinction of gas molecules by a device of reduced dimensions with increased sensitivity respecting selectivity and ensuring the direct transmission of measurements (wireless communicating sensors).
  • the general principle of the invention consists in providing a resonator (microwave), comprising predetermined characteristics, with a layer of at least one specific material, thus delivering an element transducer to be detected towards microwave frequency.
  • This material is previously selected so that it interacts with a range of elements to be detected (for example a predetermined set of gases or volatile compounds).
  • This interaction has the consequence of modifying the characteristics of the transducer (and consequently the microwave characteristics). These modified characteristics are measured and reveal, where appropriate, the presence of one or more types of elements (depending on the number of specific materials of the transducer).
  • the invention relates generally to the production of a particular resonator to which is added a sensitive layer, which delivers a microwave transducer (also called an antenna sensor).
  • the resonator (Res) is supplied via an adequate supply.
  • a layer (LYR) of specific material based on a metallic cluster cluster, for example
  • the resonator has at this stage reference resonance characteristics.
  • a volatile compound (Comp) is present, this compound alters the properties of the sensitive layer (LYR), resulting in a modification of the resonator characteristics of the resonator (RES), and therefore detection of the presence of the compound (Comp ) by detection of change of these resonance characteristics: we go from reference resonance characteristics to current, different resonance characteristics.
  • An indirect measurement of the presence of the volatile compound is therefore carried out.
  • an object of the present is to use the surface and signal transduction properties from active surfaces modified by molecular ion deposits. To do this, we use clusters as a sensitive layer.
  • this antenna sensor is based on a sensitive layer based on molybdenum clusters.
  • Other clusters such as tungsten or niobium, or even tantalum clusters can be used, depending on the ranges of volatile compounds to be detected.
  • the layer is deposited for example by a pneumatically assisted electro-nebulization technique (electrospray).
  • the clusters can be hexahedral or octahedral, depending on the formulation chosen.
  • a sensitive layer can include a plurality of different types of clusters, in order to allow detection of several ranges of different elements.
  • the antenna sensor which is the subject of the present document is distinguished from the solutions of the prior art: by the plural interactions of the molecules to be detected with the active surface (sensitive layer); by the nature of the signal transduction directly associated with the activity of the active layer; and by the wireless mode of transmission of chemical information (indirect detection).
  • the operation of these sensors is in fact based on the polarizability of the various cluster patterns (for example molybdenum cluster, tungsten cluster, etc.) deposited on the sensitive surface.
  • the sorption of the molecules captured (solvents, gas, etc.) causes the modification of the polarization of the cluster units, inducing a modification of the permittivity of the active layer, and consequently a modification of the microwave characteristics of the transducer.
  • the permittivity of the active layer changes as a function of the presence or absence of compounds to be detected.
  • the inventors have determined that a dielectric permittivity close to 4.5 characterizes saturation of the sensitive layer by the element or elements to be detected.
  • the antenna sensor of the invention is configured so that, when it is manufactured, the dielectric permittivity is around 2.5. This dielectric permittivity value is obtained by depositing a sensitive layer based on cluster materials of a predetermined thickness (for example 18 ⁇ m thick).
  • the antenna sensor comprises, in its simplest form, a transducer, of predetermined shape, as required; and a sensitive layer to be deposited on a portion specifically defined of the transducer.
  • the sensor is powered (by an RF generator or a DC source or any other suitable device).
  • the power supply causes the transducer to radiate at at least one predetermined frequency (for example around 30 GHz) with specific characteristics (for example coefficients of reflection Su, transmission S 21 as well as a predetermined gain).
  • the characteristics for example coefficients of reflection Su, transmission S 21 and gain coefficients
  • These characteristics can be measured to determine the presence or absence of one or more volatile compounds or predetermined gases (advanced system) or the radiation can be used in a more basic way to generate a visual alert (simplified system).
  • the device for measuring these characteristics may or may not be integrated into the sensor itself, depending on the modes of implementation. However, to promote lower cost production of the sensors, it is possible to have a measuring device independent of the sensor itself.
  • the interactions between molecules captured and the cluster motifs are of different types: hydrogen bonding, electrostatic interaction and potentially chemical reactivity.
  • the part of chemical modification of the sensitive layer being almost non-existent with regard to the sorption effects, these sensors are reusable.
  • the sensor can be reconditioned: to reach saturation, the replacement of the sensitive layer is simple, fast and inexpensive, thanks to an “electrospray” type technique in order to redeposit a layer of nanosensors thus making it possible to regenerate the antenna sensor.
  • the determination of the nature of the molecule attached to the surface of the active layer is carried out for example through the simultaneous measurement of different parameters complementary: reflection coefficient Su, transmission coefficient S 21 and gain.
  • the tests carried out, in particular of the indicative embodiments described below, make it possible to conclude that there is good detectability, in particular of the compounds: acetonitrile, ethanol, methanol, propanol, in particular by measuring the reflection coefficient S 11 which makes it possible to distinguish the different compounds.
  • the originality of the engineering of the antenna sensors which are the subject of the present disclosure consists in the fact that these chemical sensors are designed from molecular precursors based on metal clusters of materials with specific properties (for example halide clusters. molybdenum), the reactivity of which towards gaseous molecules at atmospheric pressure has been previously revealed using chemical analyzes by mass spectrometry, before the shaping of the sensitive surface. More particularly, for clusters with capped faces in which:
  • M includes W (tungsten) or Mo (molybdenum);
  • X includes Cl (Chlorine) or Br (Bromine) or I (Iodine);
  • L includes F (Fluorine), X, functional acetates, functional phosphines, functional sulphates, NCS, H 2 O, OFI, or any other donor ligand,
  • the polarization increases in the order: and other electron withdrawing groups.
  • M includes Nb (Niobium) or Ta (Tantalum);
  • X includes Cl (Chlorine) or Br (Bromine) or I (Iodine);
  • L includes F, X, acetate, NCS, H2O, OH, or any other donor ligand.
  • the direct association of the nanosensors in the form of an active layer with the microwave transducer ensures, on the one hand, better sensitivity and selectivity to the nature of the volatile compound or the polluting gas and, on the other hand, greater reactivity associated with a direct transmission of information without having to go through a related antenna system, or even by a wired connection (thus facilitating industrialization and lowering the cost of the sensor) and neither by an additional electronic implementation on the sensor. -same.
  • This autonomous antenna sensor also operates at ambient temperature and in the millimeter range (around 30 GHz), thus giving it reduced dimensions (active area of a few mm 2 ) for optimal integration in a system using in particular the frequency bands linked to the deployment of the 5G network.
  • One of the particular advantages of the invention is that the proposed antenna sensor does not require a data processing processor.
  • the transducer when it is defined, is shaped to promote electromagnetic radiation: the objective is to create a characteristic distribution of the signal so that it can be recognized (identified) according to the detection or not of one or more several chemical or organic compounds or elements.
  • a family of transducers associated with a sensitive layer providing direct and wireless transmission of information is described. These transducers are covered with an inorganic layer based on molybdenum clusters, sensitive to a range of solvents (methanol, ethanol, propanol, acetonitrile, etc.).
  • solvents methanol, ethanol, propanol, acetonitrile, etc.
  • a granular morphology of the sensitive layer is favored, thus optimizing the specific surface of the sensitive layer, and therefore the surface exchanges between the solvent vapors and the sensitive layer: the granular layer ensures that the compounds to be detecting will be in contact with a larger developed surface of the sensitive layer, which increases the detection sensitivity, since the interactions between the sensitive layer and the components to be detected increase.
  • the reactivity of the sensor follows the following operation: first, the solvent present in the surrounding atmosphere is adsorbed on the sensitive layer. This first effect causes a first shift in the operating frequency of the device on which the active layer is deposited due to the modification of the relative permittivity undergone by the latter.
  • a chemical reaction occurs by the substitution of the chlorinated ligands (Cl) by the species (OCH 3 ) - due to the reactivity of the [Mo 6 CI i 8Cl 6 ] 2- clusters. Interactions with molecules such as methanol are more linked to interactions with clusters deposited on the active surface.
  • the electromagnetic characteristics of the device (Su, S 21 , gain, etc.) being directly related to its direct environment (ie the physicochemical characteristics of the sensitive layer) its performance is therefore modified and is sensitive to the nature of the solvent interacting with the active layer (selectivity of the sensor).
  • models of transducers have been designed such as microwave dipole resonators, printed on a standard dielectric substrate and are presented below as exemplary embodiments of the present technique. , without these embodiments being considered as limiting.
  • Figure 3 shows a rectangular radiating element formed of six resonators.
  • the transducer / antenna is powered by a 50 Ohm line.
  • the radiating element is coated with a layer of sensitive material based on clusters [Mo 6 CI i 8CIa 6 ] 2- deposited by electrospray.
  • the modification of the relative permittivity by the adsorption of a reactant pollutant causes a shift in the working frequency from fl to f2.
  • the radiation patterns are also modified. This radiating element made it possible in particular to characterize, according to the invention, the permittivity of the active layer.
  • the transducer in this exemplary embodiment is based on a combination of dipole resonators.
  • the use of microstrip (or coplanar) technology makes it possible to increase the coupling of the electromagnetic field with the active layer deposited on the surface of the transducer.
  • the communicating transducer is printed on a 254 ⁇ m thick substrate (PTFE composite reinforced with glass microfibers) with an 18 ⁇ m thick copper metallization.
  • the 2.85mm x 3.37mm rectangular radiator ( Figure 3) is formed from six copper strips 220 ⁇ m in width, the center spacing is 330 ⁇ m followed to the right and left by a spacing of 167 ⁇ m, the last spacing is 230 ⁇ m.
  • the transducer / antenna is powered by a copper line of 50 Ohm impedance and 770 ⁇ m wide.
  • the following table shows the dimensions of the transducer in this first exemplary embodiment.
  • Table 2 dimensions of the communicating transducer (in mm) - Configuration n ° l
  • the senor is supplied for example using an RF generator or another device making it possible to obtain similar results.
  • the power supply can be constant or else carried out as needed (for example periodic detection phase).
  • FIG. 4 presents a new concept of communicating transducer making it possible to improve the quality factor Q associated with the specific resonance of the device.
  • the communicating transducer is a rectangular resonant radiating cavity of 4.19 mm c 6.7 mm.
  • the upper reflector is digitally designed to show a strong impedance on the outside and weak in the center with the idea of favoring the transverse propagation of the wave within the cavity.
  • a quarter-wave adaptation of inverse elliptical geometry is placed at the input of the system.
  • the indicative dimensions are presented in the following table.
  • the communicating transducer is powered by a 50 Ohm line 770 ⁇ m wide.
  • Table 3 dimensions of the communicating transducer (in mm) - Configuration n ° 2
  • the Q factor having been improved, it shows a strong potential difference in the electric and magnetic fields. This difference between high extreme values results in a resonance factor (Q factor) of very good quality.
  • the Q factor of this communicating transducer generates better sensitivity compared to the communicating transducer 1 of about 500%.
  • the bare communicating transducer in this configuration # 2 resonates at two frequencies in the 24-34 GHz band. A first resonance at 30.52 GHz with
  • -21.1 dB and a second resonance present at 33.26 GHz with
  • -8.3 dB.
  • -29.8 dB.
  • the second resonance goes to 31.74 GHz for an adaptation of -6.8 dB.
  • -13.3 dB and the second resonance at 30.41 GHz with
  • -3.8 dB.
  • the senor is supplied for example using an RF generator or another device making it possible to obtain similar results.
  • the power supply can be constant or else carried out as needed (for example periodic detection phase).
  • FIG. 5 shows a schematic description of a passively reconfigurable loop oscillator.
  • This oscillator consists of an amplifier using a field effect transistor or bipolar supplied with direct current (DC). Naked, it does not radiate and operates at a frequency close to 30.45 GHz.
  • This oscillator after depositing the active layer on the interdigitated capacitors, operates at a frequency close to 22 GHz.
  • This oscillator allows the generation of a microwave signal when it is associated with an antenna. Subjected to one or more volatile compounds or predetermined gases, its working frequency increases. The sensitive layers are deposited in [A] and [B]
  • the supply of the sensor is for example carried out with direct current (battery, cell) or other devices making it possible to obtain a direct current supply.
  • the power supply can be constant or else carried out as needed (for example periodic detection phase).
  • FIG 6 shows a passively reconfigurable two (2) port antenna integrated into a loop oscillator, called a communicating “senscillator”.
  • Senscillator is a compound word from the Greek describing here the "sense” of olfactory type, touch, etc. and ⁇ a.si.le ⁇ or ⁇ a.si.je ⁇ describing the current swing mechanism, "oscillate” leading to the description of the word “oscillator” mechanism.
  • Sens and Oscillator describe the term senscillator and its technological limits.
  • This oscillator consists of an amplifier using a field effect or bipolar transistor supplied with direct current (DC).
  • the radiating element [A] is coated with the active layer.
  • a phase shift between the inlet and the outlet of the device causes the following operating scenarios:
  • the loop is designed so that after integration of the communicating sensor, it oscillates at 29 GHz.
  • the work consists of compensating for the phase effect added by the integrated communicating transducer.
  • the S parameters after the addition of the communicating transducer with 2 ports change.
  • at 29.48 GHz is -5.2 dB
  • S221 is -10.1 dB
  • the phase of the circuit displays 378 ° representing a slight frequency shift. The gain went from 4 dB previously to 0.2 dB. [Table 5]
  • a radiation pattern provides additional information about the state of the sensitive layer.
  • This diagram can be used in the calibration phase for example, but it is not necessary to have it available for a simplified version of implementation within a system.
  • the supply of the sensor is for example carried out with direct current (battery, cell) or other devices making it possible to obtain a direct current supply.
  • the power supply can be constant or else carried out as needed (for example periodic detection phase).
  • the circuit of Figure 7 is a microwave power divider circuit.
  • the input adaptation must be ensured as a function of the ratio R.
  • the modification of the division ratio generates a modification of the input adaptation of the device.
  • Figure 7 shows a circuit with one input and two outputs, with three cavities, each having an overall area equal to
  • the central cavity is made up of a 100 Ohm microstrip line to increase the coupling effects between the resonators at a frequency of around 30 GHz.
  • the circuit becomes asymmetrical, and makes it possible to control the power ratio R. It should be noted that the The proposed power divider remains suitable whatever the permittivity used in the interval between 1 and 4.5 while modifying the division ratio R of the power divider.
  • this passively reconfigurable power divider allows the control of the power division while remaining adapted.
  • the division of the power can be modified by the presence of the agent to be detected.
  • the reconfigurable asymmetric divider can be associated with an array of printed antennas in order to make its radiation pattern agile (change of aperture at -3 dB for example).
  • the sensor is supplied for example using an RF generator or another device making it possible to obtain similar results.
  • the power supply can be constant or else carried out as needed (for example periodic detection phase).
  • One or more sensors such as those presented above can be implemented within a system comprising on the one hand an assembly comprising at least one sensor and an assembly comprising at least one network or spectrum analyzer.
  • the analyzer is in charge of measuring predetermined parameters (equivalent to the parameters S previously described for the network analyzer or else of the radiation frequency for the spectrum analyzer).
  • a system that is the subject of the invention comprises a communicating “senscillator” (for example that of FIG. 6, or any other communicating “senscillator” of the same type).
  • a communicating “sensor” is supplied with direct current. When such a power supply is produced at the input and no gas is detected, the “sensor” is in the OFF state (initial state) because the looping state is not achieved.
  • the sensitive layer When there is the presence of one or more volatile compounds or predetermined gases, the sensitive layer is altered and the scintillator operates (because the looping state is achieved due to the alteration of the sensitive layer) and it radiates at a frequency F1 (F1 depending for example on the volatile compound (s) detected).
  • a receiving antenna (for example electrically not supplied in this exemplary embodiment) which converts the microwave signal F1 into a DC signal which powers one or more LEDs of predetermined color: the color may advantageously be representative of the volatile compound (s) detected, the voltage (DC) produced or the quantity of current produced being able to for example depending on the frequency F1 and therefore on the volatile compound (s) identified. A visual alarm is thus simply triggered.
  • the system of the invention is therefore very inexpensive and very efficient and does not require special computing resources.
  • receiving antennas and / or device for receiving the signals emitted by the communicating sensors presented can also be implemented as required, for example by analyzing the electromagnetic fields emitted by the sensors with sensitive layers of the invention.
  • FIG. 8 Such a system, according to an exemplary embodiment of the invention, is described in relation to FIG. 8.
  • a system comprising a combination of sensors illustrated in the exemplary embodiments.
  • the various embodiments of the sensors presented above are assembled in such a way as to produce a specific sensor “system” (SCS), making it possible to meet particular needs in terms of generation of flow diagrams. antennas for example.
  • SCS sensor subsystem
  • a three (3) port power divider (DP) (corresponding to the divider example of FIG. 7): in the event of detection of a volatile organic compound, this sensor divides the distributed power asymmetrically;
  • Two (2) antennas (A1P) at one (1) port (as shown in figure 4): in the event of detection of a volatile organic compound, the natural frequency of the antenna modifies the radiated power;
  • A2P Two antennas (A2P) with two (2) ports (as shown in figure 4, also with a series connection): these antennas act as a filter and an antenna, in case of detection of organic compound volatile and modifies the natural frequency of the antenna and the transmission coefficient S21.
  • An oscillator (example in FIG. 5): in the event of detection of a volatile organic compound, modifies the natural frequency of the oscillator which can go as far as extinction.
  • an autonomous radiating sensor in case of detection of volatile organic compound, modifies the natural frequency of the oscillator which can go as far as extinction, at the same time modifies the radiated power thus than the radiation frequency.
  • a set of combinable sensors is proposed. suitable for 50 Ohm.
  • Other types of transducer can then be used under the condition of respecting the operating frequency as well as the port impedance standardized at 50 Ohm.
  • the advantage of this type of combination lies in the increase in sensitivity by the cascade effect.
  • the generator generates a wave at a natural frequency fo, when a volatile organic compound is adsorbed on the sensitive layer, the frequency presented to the power divider changes from fo to f.
  • the harmonic f is then transmitted to the power divider which when a C.O.V. adsorbs on its active layer becomes asymmetrical and makes it possible to operate a supply bias between the two outputs.
  • the power supply to the connected antenna arrays is then asymmetrical.
  • the adsorption of volatile organic compound on the sensitive layers of the antennas will modify the power accepted at the frequency f, thus reducing the radiated power.
  • the combination of the sensors then makes it possible to obtain a very high gain in sensitivity.
  • each element of the system captures the same type of compound.
  • each sensor of such a system can optionally be configured to detect a particular volatile organic compound, among a given range of compounds.
  • ACS combinatorial antenna sensor system
  • Such an overall detection system comprises: an antenna sensor system, at least one signal capture device emitted by the antenna sensor system, the transmitted signal capture device delivering data representative of signals captured (for example images of diagrams of 'antennas), these representative data can be obtained at different times (more or less regular time intervals, or in particular measurement situations). These representative data are then transmitted to an automated interpretation device (for example based on automated learning of the “machine learning” type).
  • This automated interpretation device has been pre-trained to recognize, based on the representative data transmitted to it, the presence or absence of volatile organic compounds.
  • a calibration of the system is for example carried out in advance, in a laboratory or in an industrial environment, to identify the presence of one or more types of C.O.V.
  • the data necessary for the recognition i.e. model
  • the data necessary for the recognition are directly implemented in the automated interpretation system for it to be operational.

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Abstract

L'invention se rapporte à un capteur pour la détection de composé volatile ou de gaz, comprenant un transducteur comprenant : - un résonateur plan comprenant une pluralité de pistes métalliques, sur circuit imprimé, de type coplanaire; - une couche sensible déposée sur une portion prédéterminée dudit résonateur, ladite couche sensible étant configurée de sorte qu'une présence d'un composé volatile ou d'un gaz à détecter implique une modification de la permittivité de la couche sensible entrainant une modification de caractéristiques dudit capteur lors de son alimentation électrique.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Antennes à capteurs de type clusters ioniques
1. Domaine
L'invention se rapporte au domaine de la détection de la présence de composés volatils. L'invention se rapporte plus particulièrement à la détection de composés volatils par l'intermédiaire d'un capteur sans fil.
2. Art Antérieur
La détection des COV (Composés Organiques Volatils) a débuté dans les années 1960 par la mise en évidence de l'affinité des oxydes métalliques avec certains COV. Le développement de capteurs basés sur l'utilisation des oxydes métalliques était vu comme primordial dans la surveillance de l'environnement, le contrôle des procédés de transformations chimiques, la sécurité des personnes, etc. Leur étude a contribué au développement de nombreux procédés de fabrication utilisant des nanostructures d'oxyde métallique de diverses géométries, telles que des nanoparticules, des nanofils, des nanotiges et des nanotubes dont la dimension reste de l'ordre nanométrique. En raison du rapport surface/masse élevé, les oxydes métalliques nanostructurés bénéficient d'une forte interaction avec l'atmosphère environnante et certains types de gaz. Cependant, leur efficacité de détection étant fortement en relation avec la complexité de fabrication de la couche sensible, cela rend ces capteurs onéreux et limitent leurs potentiels d'utilisations et de déploiements.
Ainsi que l'illustre la Figure 1, un capteur à gaz de l'art antérieur est composé d'une couche sensible sélective et d'un transducteur. La couche sensible du détecteur est au cœur du dispositif. C'est elle qui est directement concernée par le phénomène de sorption des différents gaz. Il existe de nombreuses natures de couches sensibles assurant la détection des molécules gazeuses. Cette détection peut être plus ou moins sélective. La sélectivité se traduit par la capacité de la couche sensible à adsorber ou absorber une ou plusieurs espèces volatiles. Les couches sensibles existantes sont associées à une large gamme de matériaux à propriétés spécifiques. Ils sont classés selon leur composition chimique et divisés en plusieurs catégories telles que les nanostructures de type métal/métal-oxyde ou polymériques et les composites organique-inorganique. En ce qui concerne cette dernière catégorie, c'est la technologie des MOF (Metal-Organic Frameworks), qui rencontre aujourd'hui un vrai succès.
Les couches sensibles présentées précédemment permettent la détection de nombreux constituants présents dans l'atmosphère, tels que l'ammoniac, le disulfite d'hydrogène, l'oxyde d'azote, l'eau, le monoxyde de carbone, le dioxyde d'azote, l'acide chlorhydrique, ainsi que les composés organiques (COV) intégrant les solvants et les agents pathogènes, les hydrocarbures, etc... Les polymères conducteurs ont une forte affinité avec les COV, cependant l'eau naturellement présente dans l'environnement déstabilise la couche sensible limitant ainsi la sensibilité des capteurs à technologie polymère. De plus, les capteurs de gaz à oxydes métalliques inorganiques, tels que l'oxyde de tungstène (WO3), l'oxyde de zinc (ZnO), le dioxyde d'étain (SnO2), le dioxyde de titane (TiO2), les oxydes de fer (Fe2O3/Fe304) et le dioxyde de silicium (SiO2), sont liées à une stœchiométrie variable de l'oxygène et à leur activité électrique de surface, accroissant leur capacité de détection. Les capteurs de gaz à oxydes métalliques fonctionnent généralement à des températures élevées (200-400°C), ce qui peut conduire à des dérives dues à l'oxydation de l'électrode de référence. Malgré une sensibilité élevée, les mises en oeuvre et les applications de tels capteurs restent donc malgré tout limitées. Leur développement technologique se confronte aux propriétés de la couche organique sensible qui est à la fois peu stable et qui possède une conductivité électrique fortement limitée lors d'un fonctionnement à haute température. Enfin, la complexité de leur mise en oeuvre empêche finalement une industrialisation à bas coût.
L'utilisation de nanocomposites associant deux classes de matériaux permet de façon alternative, d'obtenir des capteurs de gaz avec des niveaux de détection améliorés et efficaces. En effet, la conception de nanocomposites semble remédier aux problématiques de stabilité dus aux effets synergiques de la base organique/inorganique.
Lors de la sorption des gaz sur la couche sensible du capteur, certaines propriétés physico- chimiques telles que l'impédance complexe, la conductivité électrique, les caractéristiques thermiques ou optiques se trouvent être modifiées. Le transducteur a un rôle central dans la mesure où il doit convertir une modification physico-chimique en une grandeur mesurable. L'utilisation d'un transducteur approprié à chaque type de variation physico-chimique est donc très importante afin d'assurer la détection idoine et nécessite une conception adaptée pour la mesure précise de cette variation. Une grande variété de transducteurs existe. Une présentation succincte de ces derniers est réalisée dans « Gas Sensors: A Review », Sensors & Transducers, Vol. 168, Issue 4, April 2014, pp. 61- 75.
Le point commun de ces transducteurs est de conduire à la détection de molécules sous forme gazeuses. Les problèmes liés à ces capteurs sont divers, allant d'une complexité de fabrication importante à des problématiques de coûts et de fiabilité et/ou de passage à l'échelle industrielle.
De plus, ils nécessitent un raccordement physique au système d'exploitation du signal électrique. Afin de transmettre l'information à distance, un système antennaire doit être ajouté, augmentant encore les dimensions du dispositif. 3. Résumé
L'invention ne présente pas ces inconvénients de l'art antérieur. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un capteur pour la détection de composés volatils ou de gaz, comprenant un transducteur comprenant : un résonateur plan comprenant une pluralité de pistes métalliques, sur circuit imprimé, de type coplanaire ; une couche sensible déposée sur une portion prédéterminée dudit résonateur ; ladite couche sensible étant configurée de sorte qu'une présence d'un composé volatile ou d'un gaz à détecter implique une modification de la permittivité de la couche sensible entraînant une modification des caractéristiques dudit capteur lors de son alimentation électrique.
Ainsi, il n'est pas nécessaire de disposer d'un appareillage coûteux pour effectuer une détection de composés volatils. Au-delà du résonateur plan, la technique décrite peut être spécifiée à des structures de type microruban.
Selon une caractéristique particulière, l'alimentation électrique appartient au groupe comprenant : une alimentation en courant continu (DC) ; une alimentation en radiofréquence (RF) ;
Ainsi, l'alimentation du capteur est simple à mettre en oeuvre.
Selon une caractéristique particulière, le capteur prend la forme d'un « senscillateur » communicant, comprenant une antenne deux ports reconfigurables passivement, intégrée à un oscillateur à boucle.
Ainsi, il est possible de définir précisément des modes de fonctionnement du capteur.
Selon une caractéristique particulière, l'oscillateur à boucle comprend un amplificateur utilisant un transistor à effet de champ ou bipolaire, alimenté en courant continu.
Ainsi, un tel capteur peut passer d'un état inactif (en cas d'absence de composé volatil à détecter) à un état actif (engendrant l'émission d'un signal électromagnétique) pouvant faire l'objet d'une captation.
Selon une caractéristique particulière, la couche sensible comprend des précurseurs moléculaires de matériaux prédéterminés.
Selon une caractéristique particulière, les précurseurs moléculaires à base de clusters métalliques de matériaux comprennent des motifs à clusters octaédriques à faces coiffées de type : dans lesquels : M comprend W (tungstène) ou Mo (molybdène) ;
X1 comprend Cl (Chlore) ou Br (Brome) ou I (Iode) ;
La comprend F (Fluor), X, acétates fonctionnels, phosphines fonctionnelles, sulfates fonctionnels, NCS, H2O, OFI, ou tout autre ligand donneur.
Selon une caractéristique particulière, les précurseurs moléculaires à base de clusters métalliques de matériaux comprennent des motifs à clusters octaédriques à arêtes pontées de type :
[M6Xi 12La6]n-/0/m+ dans lesquels :
M comprend Nb (Niobium) ou Ta (Tantale) ;
X1 comprend Cl (Chlore) ou Br (Brome) ou I (Iode) ;
La comprend F, X, acétates fonctionnels, phosphines fonctionnelles, sulfates fonctionnels, NCS, H2O, OFI, ou tout autre ligand donneur.
Selon une caractéristique particulière, les précurseurs moléculaires à base de clusters métalliques de matériaux comprennent des motifs de type à clusters octaédriques :
[Mo6Xi8Xa6]2- dans lesquels :
X1 comprend Cl (Chlore) ou Br (Brome) ou I (Iode).
L'invention se rapporte également à un système caractérisé en ce qu'il comprend au moins un capteur tel que précédemment défini.
Selon une caractéristique particulière, un tel système comprend en outre au moins un dispositif de mesure d'un signal électromagnétique émis par ledit au moins un capteur.
4. Dessins
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation préférentiel, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels : la figure 1, déjà présentée, expose le fonctionnement d'un capteur à gaz selon l'art antérieur ; la figure 2 expose le principe général de l'invention ; la figure 3 illustre un exemple de réalisation d'un capteur antennaire ; la figure 4 illustre un exemple de réalisation d'un capteur antennaire à facteur de qualité amélioré ; la figure 5 illustre un exemple de réalisation d'un oscillateur à boucle fermée reconfigurable passivement ; la figure 6 illustre un exemple de réalisation d'un « senscillateur » communicant, antenne deux ports reconfigurables passivement et intégrée à un oscillateur à boucle ; la figure 7 illustre un exemple de réalisation d'un diviseur de puissance reconfigurable passivement. la figure 8 illustre un exemple de réalisation d'un système comprenant une combinaison de capteurs illustrés dans les exemples de réalisation.
5. Description détaillée
5.1. Rappels du principe
Comme indiqué précédemment, les capteurs de l'art antérieur n'offrent pas de solution satisfaisante, notamment en termes de coût et de facilité d'utilisation. Un objet de l'invention est de proposer un capteur de composés volatils (gaz, solvant) de petites dimensions assurant une détection précise avec une forte sélectivité suivant une gamme étendue de molécules gazeuses tout en étant directement communicant avec son environnement, fonctionnant à température ambiante, le tout à bas coût. La technique proposée permet la détection et la distinction de molécules gazeuses par un dispositif de dimensions réduites avec une sensibilité accrue respectant une sélectivité et assurant la transmission directe des mesures (capteurs communicants sans fil).
Le principe général de l'invention consiste à munir un résonateur (hyperfréquence), comprenant des caractéristiques prédéterminées, d'une couche d'au moins un matériau spécifique, délivrant ainsi un transducteur d'élément à détecter vers de l'hyperfréquence. Ce matériau est préalablement sélectionné afin qu'il interagisse avec une gamme d'éléments à détecter (par exemple un ensemble prédéterminé de gaz ou de composés volatils). Cette interaction a pour conséquence de modifier les caractéristiques du transducteur (et en conséquence les caractéristiques hyperfréquences). Ces caractéristiques modifiées sont mesurées et révèlent le cas échéant, la présence d'un ou de plusieurs types d'éléments (en fonction du nombre de matériaux spécifiques du transducteur). En d'autres termes, l'invention porte d'une manière générale sur la réalisation d'un résonateur particulier auquel on adjoint une couche sensible, ce qui délivre un transducteur hyperfréquence (également appelé capteur antennaire). La figure 2 explicite le principe général de l'invention. Le résonateur (Res) est alimenté par l'intermédiaire d'une alimentation adéquate. Sur le résonateur (Res), une couche (LYR) de matériau spécifique (à base de cluster de cluster métallique par exemple) est déposée : le résonnateur dispose à ce stade de caractéristiques de résonnance de référence. Lorsqu'un composé volatil (Comp) est présent, ce composé altère les propriétés de la couche sensible (LYR), ce qui entraîne une modification des caractéristiques de résonnance du résonateur (RES), et donc une détection de la présence du composé (Comp) par détection du changement de ces caractéristiques de résonnance : on passe de caractéristiques de résonnance de référence à des caractéristiques de résonnance courante, différentes. On effectue donc une mesure indirecte de présence du composé volatile. En d'autres termes, un objet de la présente est d'utiliser les propriétés de surface et de transduction de signal à partir de surfaces actives modifiées par des dépôts d'ions moléculaires. Pour ce faire, on utilise des clusters à titre de couche sensible.
Dans un exemple de réalisation particulier décrit par la suite, ce capteur antennaire est basé sur une couche sensible à base de clusters de molybdène. D'autres clusters, comme des clusters de tungstène ou de niobium, ou encore de tantale peuvent être utilisés, en fonction des gammes de composés volatils à détecter. La couche est déposée par exemple par une technique d'électro nébulisation pneumatiquement assistée (electrospray). Les clusters peuvent être hexaédriques ou octaédriques, en fonction de la formulation choisie. Une couche sensible peut comprendre une pluralité de types de clusters différents, afin de permettre une détection de plusieurs gammes d'éléments différents.
Le capteur antennaire objet de la présente se distingue des solutions de l'art antérieur : par les interactions plurielles des molécules à détecter avec la surface active (couche sensible) ; par la nature de la transduction du signal directement associé à l'activité de la couche active ; et par le mode de transmission sans fil de l'information chimique (détection indirecte). Le fonctionnement de ces capteurs se base en effet sur la polarisabilité des différents motifs à clusters (par exemple cluster de molybdène, cluster de tungstène, etc.) déposés sur la surface sensible. La sorption des molécules captées (solvants, gaz, ...) provoque la modification de la polarisation des motifs à clusters, induisant une modification de la permittivité de la couche active, et en conséquence une modification des caractéristiques hyperfréquences du transducteur. En fonction des modes de réalisation, la permittivité de la couche active évolue en fonction de la présence ou non de composés à détecter. Par exemple, les inventeurs ont déterminé qu'une permittivité diélectrique proche de 4,5 caractérise une saturation de la couche sensible par le ou les éléments à détecter. Au contraire, le capteur antennaire de l'invention est configuré, pour qu'à sa fabrication, la permittivité diélectrique se situe aux alentours de 2,5. Cette valeur de permittivité diélectrique est obtenue en déposant une couche sensible à base de matériaux à clusters d'une épaisseur prédéterminée (par exemple 18 pm d'épaisseur).
Le capteur antennaire comprend, dans sa forme la plus simple, un transducteur, de forme prédéterminée, en fonction des besoins ; et une couche sensible à déposer sur une portion spécifiquement définie du transducteur. En fonctionnement, le capteur est alimenté (par un générateur RF ou une source DC ou tout autre dispositif adéquat). L'alimentation provoque le rayonnement du transducteur à au moins une fréquence prédéterminée (par exemple aux alentours de 30 GHz) avec des caractéristiques propres (par exemple des coefficients de réflexion Su, de transmission S21 ainsi qu'un gain prédéterminé). Selon l'invention, lorsque la couche sensible est altérée par l'action de sorption d'un composé à détecter sur la couche sensible, les caractéristiques (fréquence, coefficients de réflexion Su, de transmission S21 et gain) sont modifiées. Ces caractéristiques peuvent être mesurées pour déterminer la présence ou non d'un ou de plusieurs composés volatils ou gaz prédéterminés (système évolué) ou bien le rayonnement peut être utilisé de manière plus basique pour générer une alerte visuelle (système simplifié). Le dispositif de mesure de ces caractéristiques peut être intégré ou non au capteur lui-même, en fonction des modes de mise en oeuvre. Cependant, pour favoriser une production à moindre coût des capteurs, il est possible de disposer d'un dispositif de mesure indépendant du capteur lui-même.
Les interactions entre molécules captées et les motifs à clusters sont de différentes natures : liaison hydrogène, interaction électrostatique et potentiellement réactivité chimique.
De plus, la part de modification chimique de la couche sensible étant quasi-inexistante au regard des effets de sorption, ces capteurs sont réutilisables. Sur une utilisation à long terme, le capteur peut être reconditionné : arriver à saturation, le remplacement de la couche sensible est simple, rapide et peu onéreux, grâce à une technique de type « electrospray » afin de redéposer une couche de nanocapteurs permettant ainsi de régénérer le capteur antennaire.
Si l'on considère l'interaction onde électromagnétique EM/matière dans le contexte de ce capteur antennaire, la détermination de la nature de la molécule fixée à la surface de la couche active se réalise par exemple au travers de la mesure simultanée de différents paramètres complémentaires : coefficient de réflexion Su, coefficient de transmission S21 et gain. Les tests effectués, notamment des modes de réalisation indicatifs exposés ci-après permettent de conclure à une bonne détectabilité notamment des composés : acétonitrile, éthanol, méthanol, propanol, notamment en mesurant le coefficient de réflexion S11 qui permet de distinguer les différents composés.
Par ailleurs, l'originalité de l'ingénierie des capteurs antennaires objets de la présente divulgation consiste en ce que ces capteurs chimiques sont conçus à partir de précurseurs moléculaires à base de clusters métalliques de matériaux à propriétés spécifiques (par exemple les clusters d'halogénure de molybdène) dont la réactivité vis-à-vis de molécules gazeuses à pression atmosphérique, a été préalablement révélée à l'aide d'analyses chimiques par spectrométrie de masse, avant la mise en forme de la surface sensible. Plus particulièrement, pour des clusters à faces coiffées dans lesquels :
M comprend W (tungstène) ou Mo (molybdène) ;
X comprend Cl (Chlore) ou Br (Brome) ou I (Iode) ;
L comprend F (Fluor), X, acétates fonctionnels, phosphines fonctionnelles, sulfates fonctionnels, NCS, H2O, OFI, ou tout autre ligand donneur,
La polarisation augmente selon l'ordre : et autres groupements attracteurs d'électrons.
Les clusters les plus polarisés réagissent avec les molécules de gaz les plus polaires qui sont ciblées pour rendre compte de la composition d'une atmosphère industrielle en termes de détection de pollution environnementale. Ainsi, les premiers clusters de la série ci-dessus interagiront préférentiellement avec les premières molécules cibles du tableau ci-dessous. Il en va de même pour les clusters les plus polaires qui détecteront les molécules les plus polaires du tableau. Tableau 1 : Polarité des molécules pouvant interagir avec une couche sensible Pour les clusters à arêtes pontées : [ M 6X'i2 Las] n /0/m+ dans lesquels :
M comprend Nb (Niobium) ou Ta (Tantale) ; X comprend Cl (Chlore) ou Br (Brome) ou I (Iode) ;
L comprend F, X, acétate, NCS, H2O, OH, ou tout autre ligand donneur.
La polarisation augmente selon l'ordre : M Ainsi, le même ordre d'interaction cluster-molécule gazeuse se produit avec ce type de cluster.
Ainsi, il est proposé dans un exemple de réalisation, de convertir en rayonnement électromagnétique la réactivité chimique de motifs anioniques de types [Mo6Xi8Xa6]2- (X = Cl, Br, I) à clusters de molybdène (Mo) comme nanocapteurs. Ces derniers assurent la sélectivité de la détection qui se traduit par une spécificité de l'information transmise au travers des caractéristiques (paramètres) complémentaires tels que les coefficients de réflexion Su et de transmission S21 ainsi que le gain.
L'association directe des nanocapteurs sous forme de couche active avec le transducteur hyperfréquence assure d'un côté, une meilleure sensibilité et sélectivité à la nature du composé volatil ou du gaz polluant et d'un autre côté, une plus grande réactivité associée à une transmission directe de l'information sans avoir besoin de passer par un système antennaire connexe, ni même par une connexion filaire (permettant ainsi de faciliter l'industrialisation et de baisser le coût du capteur) et ni par une implémentation électronique supplémentaire sur le capteur lui-même. Ce capteur antennaire autonome fonctionne de plus à température ambiante et dans le domaine millimétrique (environ 30 GHz), lui conférant ainsi des dimensions réduites (surface active de quelques mm2) pour une intégration optimale dans un système utilisant notamment les bandes de fréquences liées au déploiement du réseau de la 5G.
D'une manière plus générale, selon l'invention, au-delà des motifs halogénés [M6Xi8X a 6]2-, les inventeurs ont déterminé que des motifs de type [M6X'8La 6 ]n /0/m+ (M = W et Mo ; X = Cl, Br, I ; L = F, X, acétates fonctionnels, phosphines fonctionnelles, sulfates fonctionnels, NCS, H2O, OH, ou tout autre ligand donneur) peuvent être utilisés comme nanocapteur à la base de la réactivité chimique pour détecter les composés visés.
La nature des ligands X et L permet de moduler les propriétés de polarisation du cluster par les molécules de solvant et donc les performances de détection des dispositifs hyperfréquences associés. Il est ainsi possible d'élargir la gamme des précurseurs de matériaux aux motifs à arêtes pontées de type [M6Xi12La6]n-/0/m+ avec M = Nb, Ta ; X = Cl, Br, I ; L = F, X, acétates fonctionnels, phosphines fonctionnelles, sulfates fonctionnels, NCS, H2O, OH, ou tout autre ligand donneur, afin d'élargir encore la palette des gammes de gaz ou de composés volatils visés. Un des avantages particuliers de l'invention est que le capteur antennaire proposé ne nécessite pas de processeur de traitement de données. En effet, la modification des caractéristiques propres (coefficient de réflexion, de transmission, gain) du signal généré par le capteur antennaire suffit à assurer une reconnaissance de la présence d'au moins un élément à détecter. Il est ainsi possible de disposer d'une grande quantité de capteurs antennaires, à bas coûts permettant une détection simple d'un ou de plusieurs composés potentiellement dangereux. Le transducteur, lors de sa définition, est conformé pour favoriser le rayonnement électromagnétique : l'objectif est de créer une répartition caractéristique du signal afin que celle-ci puisse être reconnue (identifiée) en fonction de la détection ou non d'un ou de plusieurs composés ou éléments chimiques ou organiques.
5.2. Description d'exemples de réalisation
Dans cet exemple de réalisation, on décrit une famille de transducteurs associée à une couche sensible assurant une transmission directe et sans fil de l'information. Ces transducteurs sont recouverts d'une couche inorganique à base de clusters de molybdène, sensible à une gamme de solvants (méthanol, éthanol, propanol, acétonitrile, etc.). Dans cet exemple de réalisation, une morphologie granuleuse de la couche sensible est privilégiée, optimisant ainsi la surface spécifique de la couche sensible, et donc les échanges de surface entre les vapeurs de solvant et la couche sensible : la couche granuleuse assure que les composés à détecter seront en contact avec une surface développée plus importante de la couche sensible, ce qui augmente la sensibilité de détection, car augmente les interactions entre la couche sensible et les composants à détecter.
La réactivité du capteur suit le fonctionnement suivant : en premier lieu, le solvant présent dans l'atmosphère environnante est adsorbé sur la couche sensible. Ce premier effet occasionne un premier décalage de la fréquence de fonctionnement du dispositif sur lequel est déposée la couche active en raison de la modification de la permittivité relative subie par ce dernier. Par exemple, en présence de méthanol, une réaction chimique se produit par la substitution des ligands chlorés (Cl) par les espèces (OCH3)- en raison de la réactivité des clusters [Mo6CIi8CI6]2-. Les interactions avec des molécules comme le méthanol sont davantage liées à des interactions avec les clusters déposés en surface active.
Les caractéristiques électromagnétiques du dispositif (Su, S21, gain, ...) étant directement en lien avec son environnement direct (i.e. les caractéristiques physico-chimiques de la couche sensible) ses performances sont donc modifiées et sont sensibles à la nature du solvant en interaction avec la couche active (sélectivité du capteur). Dans l'intérêt de développer des dispositifs à faible coût, des modèles de transducteurs ont été conçus tels que des résonateurs dipolaires hyperfréquences, imprimés sur substrat diélectrique standard et sont présentés ci-après à titre d'exemples de modes de réalisation de la présente technique, sans que ces modes de réalisation ne puissent être considérés comme limitatifs.
5.2.1. Résonateurs dipolaires hyperfréquences
5.2.1.1. Configuration 1
La Figure 3 présente un élément rayonnant rectangulaire formé de six résonateurs. Le transducteur/antenne est alimenté par une ligne 50 Ohm. L'élément rayonnant est revêtu d'une couche de matériau sensible à base de clusters [Mo6CIi8CIa6]2- déposée par electrospray. La modification de la permittivité relative par l'adsorption d'un polluant réactant provoque un déplacement de la fréquence de travail de fl à f2. Les diagrammes de rayonnement se trouvent également modifiés. Cet élément rayonnant a notamment permis la caractérisation, selon l'invention, de la permittivité de la couche active.
Plus particulièrement, le transducteur dans cet exemple de réalisation, est basé sur une combinaison de résonateurs dipolaires. L'utilisation de la technologie microruban (ou coplanaire) permet d'accroître le couplage du champ électromagnétique avec la couche active déposée à la surface du transducteur. Dans un souci de développer un dispositif à bas coût, le transducteur communicant est imprimé sur un substrat de 254 μm d'épaisseur (composite PTFE renforcé de microfibres de verre) avec une métallisation en cuivre de 18 pm d'épaisseur. L'élément rayonnant rectangulaire de 2,85 mm x 3,37 mm (Figure 3) est formé de six bandes de cuivre de 220 pm de largeur, l'espacement central est de 330 pm suivi à droite et à gauche d'un espacement de 167 pm, le dernier espacement mesure 230 pm. Le transducteur/antenne est alimenté par une ligne cuivre d'impédance 50 Ohm et de 770 pm de large. Le tableau suivant présente les dimensions du transducteur dans ce premier exemple de réalisation.
[Tableau 2]
Tableau 2 : dimensions du transducteur communicant (en mm) - Configuration n°l
Dans cet exemple de réalisation, l'alimentation du capteur est par exemple réalisée à l'aide d'un générateur RF ou d'un autre dispositif permettant d'obtenir des résultats similaires. L'alimentation peut être constante ou bien effectuée au besoin (par exemple phase de détection périodique).
5.2.1.2. Configuration 2 La Figure 4 présente un nouveau concept de transducteur communicant permettant d'améliorer le facteur de qualité Q associé à la résonance propre du dispositif. Le transducteur communicant est une cavité résonante rayonnante rectangulaire de 4,19 mm c 6,7 mm. Le réflecteur supérieur est conçu numériquement afin de faire apparaître une impédance forte à l'extérieur et faible au centre dans l'idée de favoriser la propagation transversale de l'onde au sein de la cavité. Un quart d'onde d'adaptation de géométrie elliptique inverse est placé à l'entrée du système. Les dimensions indicatives sont présentées dans le tableau suivant. Le transducteur communicant est alimenté par une ligne 50 Ohm de 770 μm de large.
[Tableau 3]
Tableau 3 : dimensions du transducteur communicant (en mm) - Configuration n°2
Le facteur Q ayant été amélioré, il fait apparaître une forte différence de potentiel au niveau des champs électrique et magnétique. Cette différence entre valeurs extrêmes élevées se traduit par un facteur de résonance (facteur Q) de très bonne qualité. Le facteur Q de ce transducteur communicant engendre une meilleure sensibilité comparativement au transducteur communicant 1 d'environ 500 %. Le transducteur communicant nu dans cette configuration n°2 résonne à deux fréquences dans la bande 24-34 GHz. Une première résonance à 30,52 GHz avec | S11 | = -21,1 dB et une seconde résonance présente à 33,26 GHz avec | S11 | = -8,3 dB. Le transducteur communicant recouvert d'une couche diélectrique de permittivité εr = 2,7 fait déplacer la première résonance à 29,78 GHz et modifie l'adaptation avec| S11 | = -29,8 dB. La seconde résonance quant à elle passe à 31,74 GHz pour une adaptation de -6,8 dB. Avec par exemple une valeur de permittivité εr = 4,5 (représentant la couche active saturée) la première fréquence apparaît à 28,07 GHz avec| S11 | = -13,3 dB et la seconde résonance à 30,41 GHz avec| S11 | = -3,8 dB. Ces valeurs de variation permettent d'établir l'intervalle de sensibilité du capteur communicant dans cette configuration n°2 et il présente par exemple une sensibilité associée à la variation de permittivité l'ordre de de 6,35 x 10_9/Hz.
Dans cet exemple de réalisation, l'alimentation du capteur est par exemple réalisée à l'aide d'un générateur RF ou d'un autre dispositif permettant d'obtenir des résultats similaires. L'alimentation peut être constante ou bien effectuée au besoin (par exemple phase de détection périodique).
5.2.2. Oscillateur à boucle fermée reconfigurable passivement La Figure 5 présente une description schématique d'un oscillateur à boucle reconfigurable passivement. Cet oscillateur est constitué d'un amplificateur utilisant un transistor à effet de champ ou bipolaire alimenté en courant continu (DC). Nu, il ne rayonne pas et fonctionne à une fréquence proche de 30,45 GHz. Cet oscillateur, après dépôt de la couche active sur les capacités interdigitées, fonctionne à une fréquence proche de 22 GHz. Cet oscillateur permet la génération d'un signal hyperfréquence lorsqu'il est associé à une antenne. Soumis à un ou plusieurs composés volatils ou gaz prédéterminés, sa fréquence de travail augmente. Les couches sensibles sont déposées en [A] et [B]
Les dimensions sont les suivantes : Tableau 4]
Tableau 4 : dimensions de l'oscillateur à boucle fermée reconfigurable passivement (en mm)
Dans cet exemple de réalisation, l'alimentation du capteur est par exemple réalisée en courant continu (batterie, pile) ou d'autre dispositifs permettant d'obtenir une alimentation en courant continu. L'alimentation peut être constante ou bien effectuée au besoin (par exemple phase de détection périodique).
5.2.3. « Senscillateur » communicant
La Figure 6 présente une antenne deux (2) ports reconfigurables passivement et intégrée à un oscillateur à boucle, appelé « Senscillateur » communicant. Senscillateur est un mot composé issu du grec décrivant ici le « sens » de type olfactif, toucher, etc. et \a.si.le\ ou \a.si.je\ décrivant le mécanisme de balançoire de courant, « osciller » conduisant à la description du mot mécanisme « oscillateur ». En outre, Sens et Oscillateur décrivent le terme senscillateur et ces limites technologiques. Cet oscillateur est constitué d'un amplificateur utilisant un transistor à effet de champ ou bipolaire alimenté en courant continu (DC).
L'élément rayonnant [A] est revêtu de la couche active. Lors de la modification de la permittivité relative due à la sorption d'un gaz par la couche active, un déphasage entre l'entrée et la sortie du dispositif provoque les scénarii de fonctionnements suivants :
La boucle est conçue pour qu'après intégration du capteur communicant, celui-ci oscille à 29 GHz. Le travail consiste à compenser l'effet de phase ajoutée par le transducteur communicant intégré. Les paramètres S après l'ajout du transducteur communicant à 2 ports évoluent. On observe que le | S11 | à 29,48 GHz est de -5,2 dB, le | S221 est à -10,1 dB et le | S121 à -25,4 dB. La phase du circuit affiche 378° représentant un léger décalage en fréquence. Le gain est passé de 4 dB précédemment à 0,2 dB. [Tableau 5]
Tableau 5 : états de fonctionnement du « senscillateur » communicant
Cela permet d'activer ou de désactiver le dispositif en cas de modification physico-chimique de la couche sensible. Un diagramme de rayonnement fournit une information supplémentaire vis-à- vis de l'état de la couche sensible. Ce diagramme peut être utilisé en phase de calibration par exemple, mais il n'est pas nécessaire d'en disposer pour une version simplifiée de mise en oeuvre au sein d'un système.
Dans cet exemple de réalisation, l'alimentation du capteur est par exemple réalisée en courant continu (batterie, pile) ou d'autre dispositifs permettant d'obtenir une alimentation en courant continu. L'alimentation peut être constante ou bien effectuée au besoin (par exemple phase de détection périodique).
5.2.4. Diviseur de puissance reconfigurable passivement Le circuit de la Figure 7 est un circuit hyperfréquence diviseur de puissance. Les diviseurs de puissance dits « classiques » possèdent un rapport de division R=P2/P3. L'adaptation d'entrée doit être assurée en fonction du rapport R. La modification du rapport de division engendre une modification de l'adaptation d'entrée du dispositif.
La Figure 7 présente un circuit à une entrée et deux sorties, avec trois cavités, chacune ayant une surface globale égale à
- La cavité centrale est composée de ligne microruban 100 Ohm permettant d'accroître les effets de couplage entre les résonateurs à la fréquence d'environ 30 GHz.
- Deux cavités extérieures permettent le couplage avec la sortie.
En déposant une couche active avec une permittivité spécifique sur l'une des cavités de sortie (par exemple sur la cavité de sortie à gauche), le circuit devient asymétrique, et permet de contrôler le rapport de puissance R. Il est à noter que le diviseur de puissance proposé reste adapté quelle que soit la permittivité utilisée dans l'intervalle compris entre 1 et 4,5 tout en modifiant le rapport de division R du diviseur de puissance.
[Ta ileau 6]
Tableau 6 : dimensions (en mm) de la Figure 7.
En conclusion, ce diviseur de puissance reconfigurable passivement permet le contrôle de la division de la puissance tout en restant adapté. La division de la puissance est modifiable par la présence de l'agent à détecter. Le diviseur dissymétrique reconfigurable peut être associé à un réseau d'antennes imprimées afin de rendre agile son diagramme de rayonnement (changement d'ouverture à -3 dB par exemple). Dans cet exemple de réalisation, l'alimentation du capteur est par exemple réalisée à l'aide d'un générateur RF ou d'un autre dispositif permettant d'obtenir des résultats similaires. L'alimentation peut être constante ou bien effectuée au besoin (par exemple phase de détection périodique). 5.3. Système de mise en oeuvre
Un ou plusieurs capteurs tels que ceux précédemment présentés peuvent être mis en oeuvre au sein d'un système comprenant d'une part un ensemble comprenant au moins un capteur et un ensemble comprenant au moins un analyseur de réseaux ou de spectre. L'analyseur est en charge de la mesure de paramètres prédéterminés (équivalents aux paramètres S précédemment décrits pour l'analyseur de réseaux ou bien de la fréquence de rayonnement pour l'analyseur de spectre).
Néanmoins, une solution moins onéreuse privilégiera l'utilisation d'un oscillateur RF associé à un détecteur de paramètres S (en substitution à l'analyseur de réseaux), ou bien une antenne réceptrice associée à une diode (en substitution à l'analyseur de spectre).
Plus particulièrement, dans au moins un exemple de réalisation, un système objet de l'invention comprend un « senscillateur » communicant (par exemple celui de la Figure 6, ou tout autre « senscillateur » communicant de même type). Un tel « senscillateur » communicant est alimenté en courant continu. Lorsqu'une telle alimentation est produite en entrée et qu'aucun gaz n'est détecté, le « senscillateur » se trouve dans l'état OFF (état initial) car l'état de bouclage n'est pas réalisé.
Lorsqu'il y a présence d'un ou de plusieurs composés volatils ou gaz prédéterminés, la couche sensible est altérée et le scintillateur fonctionne (car l'état de bouclage est réalisé du fait de l'altération de la couche sensible) et il rayonne à une fréquence Fl (Fl dépendant par exemple du ou des composés volatils détectés). Une antenne réceptrice (par exemple électriquement non alimentée dans cet exemple de réalisation) qui convertit le signal hyperfréquence Fl en un signal DC qui alimente une ou plusieurs LED de couleur prédéterminée : la couleur peut avantageusement être représentative du ou des composés volatils détectés, le voltage (DC) produit ou la quantité de courant produit pouvant par exemple dépendre de la fréquence Fl et donc du ou des composés volatils identifiés. Une alarme visuelle est ainsi simplement enclenchée. Le système de l'invention est donc très peu onéreux et très efficace et ne nécessite pas de ressources de calcul particulières.
D'autres antennes réceptrice et/ou dispositif de réception des signaux émis par les capteurs communicants présentés peuvent également être mis en oeuvre en fonction des besoins, par exemple par analyse des champs électromagnétiques émis par les capteurs à couches sensibles de l'invention.
Un tel système, selon un exemple de réalisation de l'invention, est décrit en relation avec la figure 8. Il y est plus particulièrement présenté un système comprenant une combinaison de capteurs illustrés dans les exemples de réalisation. Plus particulièrement, dans une logique de briques assemblables, les différents exemples de réalisation des capteurs précédemment présentés sont assemblés de sorte à produire un « système » capteur spécifique (SCS), permettant de répondre à des besoins particuliers en termes de génération de diagrammes d'antennes par exemple. Ainsi, dans l'exemple de la figure 8, les différentes fonctions mises en oeuvre sont :
Un diviseur de puissance (DP) à trois (3) ports (correspondant à l'exemple de diviseur de la figure 7) : en cas de détection de composé organique volatile, ce capteur divise de manière asymétrique la puissance distribuée ;
Deux (2) antennes (A1P) à un (1) port (telle que présentée en figure 4) : en cas de détection de composé organique volatile modifie la fréquence propre de l'antenne modulant alors la puissance rayonnée ;
Deux antennes (A2P) à deux (2) ports (telle que présentée en figure 4, également, avec une connexion en série) : ces antennes jouent le rôle d'un filtre et d'une antenne, en cas de détection de composé organique volatile et modifie la fréquence propre de l'antenne et le coefficient de transmission S21.
Un oscillateur (OSC) (exemple en figure 5) : en cas de détection de composé organique volatile, modifie la fréquence propre de l'oscillateur pouvant aller jusqu'à l'extinction.
Ainsi, grâce à cette combinaison, on dispose d'un capteur rayonnant autonome : en cas de détection de composé organique volatile, modifie la fréquence propre de l'oscillateur pouvant aller jusqu'à l'extinction, modifie en même temps la puissance rayonnée ainsi que la fréquence de rayonnement. Ainsi, selon la présente divulgation, il est proposé un ensemble de capteurs combinables adaptés à 50 Ohm. D'autres types de transducteur peuvent alors être utilisés sous la condition de respecter la fréquence de fonctionnement ainsi que l'impédance de port normalisée à 50 Ohm.
L'intérêt de ce type de combinaison réside dans l'augmentation de la sensibilité par effet de cascade. En effet, le générateur génère une onde à une fréquence propre fo, lorsqu'un composé organique volatile s'adsorbe sur la couche sensible, la fréquence présentée au diviseur de puissance se modifie de fo à f. L'harmonique f est ensuite transmise au diviseur de puissance qui lorsqu'un C.O.V. s'adsorbe sur sa couche active devient asymétrique et permet d'opérer un biais d'alimentation entre les deux sorties. L'alimentation des réseaux d'antennes connectés est alors asymétrique. L'adsorption de composé organique volatile sur les couches sensibles des antennes modifiera la puissance acceptée à la fréquence f réduisant alors la puissance rayonnée. La combinaison des capteurs permet alors d'obtenir un gain en sensibilité très élevé. De plus, selon la présente divulgation, il n'est pas obligatoire que chaque élément du système capte le même type de composé. En effet, chaque capteur d'un tel système peut éventuellement être configuré pour détecter un composé organique volatile particulier, parmi une gamme de composés donnée. De plus, un tel système capteur antennaire (SCA) combinatoire peut être intégré au sein d'un système de détection plus global. Un tel système de détection global comprend : un système capteur antennaire, au moins un dispositif de captation de signal émis par le système capteur antennaire, le dispositif de captation de signal émis délivrant des données représentatives de signaux captés (par exemple des images de diagrammes d'antennes), ces données représentatives peuvent être obtenues à différents moments (intervalles de temps plus ou moins réguliers, ou bien dans des situations particulières de mesures). Ces données représentatives sont ensuite transmises à un dispositif d'interprétation automatisé (par exemple à base d'apprentissage automatisé de type « machine learning »). Ce dispositif d'interprétation automatisé a été pré-entrainé à reconnaître, en fonction des données représentatives qui lui sont transmises, la présence ou l'absence de composés volatils organiques. Un tel étalonnage du système est par exemple réalisé à l'avance, en laboratoire ou en milieu industriel, pour identifier la présence d'un ou de plusieurs types de C.O.V. Les données nécessaires à la reconnaissance (i.e. modèle) sont directement implantées dans le dispositif d'interprétation automatisé pour qu'il soit opérationnel.

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur pour la détection de composé volatile ou de gaz, comprenant un transducteur comprenant : un résonateur plan comprenant une pluralité de pistes métalliques, sur circuit imprimé, de type coplanaire ; une couche sensible déposée sur une portion prédéterminée dudit résonateur ; ladite couche sensible étant configurée de sorte qu'une présence d'un composé volatile ou d'un gaz à détecter implique une modification de la permittivité de la couche sensible entraînant une modification de caractéristiques dudit capteur lors de son alimentation électrique.
2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alimentation électrique appartient au groupe comprenant : une alimentation en courant continu (DC) ; une alimentation en radiofréquence (RF) ;
3. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il prend la forme d'un capteur communicant, comprenant une antenne deux (2) ports reconfigurables passivement, intégrée à un oscillateur à boucle.
4. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'oscillateur à boucle comprend un amplificateur utilisant un transistor à effet de champ ou bipolaire, alimenté en courant continu.
5. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche sensible comprend des précurseurs moléculaires de matériaux prédéterminés.
6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les précurseurs moléculaires à clusters métalliques de matériaux comprennent des motifs à faces coiffées de type : [M6Xi8La6]n-/0/m+ dans lesquels :
M comprend W (tungstène) ou Mo (molybdène) ; X comprend Cl (Chlore) ou Br (Brome) ou I (Iode) ;
L comprend F (Fluor), X, acétates fonctionnels, phosphines fonctionnelles, sulfates fonctionnels, NCS, H2O, OH, ou tout autre ligand donneur.
7. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les précurseurs moléculaires à clusters métalliques de matériaux comprennent des motifs à arêtes pontées de type : dans lesquels :
M comprend Nb (Niobium) ou Ta (Tantale) ;
X comprend Cl (Chlore) ou Br (Brome) ou I (Iode) ;
L comprend F, X, acétates fonctionnels, phosphines fonctionnelles, sulfates fonctionnels, NCS, H2O, OH, ou tout autre ligand donneur.
8. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les précurseurs moléculaires de matériaux comprennent des motifs de type : dans lesquels :
X comprend Cl (Chlore) ou Br (Brome) ou I (Iode).
9. Système caractérisé en ce qu'il comprend au moins un capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
10. Système selon la revendication 9 caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un dispositif de mesure d'un signal électromagnétique émis par ledit au moins un capteur.
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Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4385516A (en) * 1981-02-19 1983-05-31 Uffelman Malcolm R System for the detection of the presence of a predetermined chemical vapor distributed in the atmosphere
US5179264A (en) * 1989-12-13 1993-01-12 International Business Machines Corporation Solid state microwave powered material and plasma processing systems
KR20150086750A (ko) * 2014-01-20 2015-07-29 한국전자통신연구원 칼코겐 기체 모니터링 장치
FR3018973B1 (fr) * 2014-03-20 2018-05-25 Samsung Electronics Co., Ltd. Communication radio utilisant des antennes accordables et un appareil d'accord d'antenne
US20180003677A1 (en) * 2016-06-30 2018-01-04 Intel Corporation Piezoelectric package-integrated chemical species-sensitive resonant devices
KR102861875B1 (ko) * 2018-01-04 2025-09-19 라이텐, 인코포레이티드 공진 가스 센서
JP2019124687A (ja) * 2018-01-15 2019-07-25 ローム アンド ハース エレクトロニック マテリアルズ エルエルシーＲｏｈｍ ａｎｄ Ｈａａｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＬＬＣ 音波センサおよび気相分析物を検知する方法

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