FR2779826A1 - DETECTOR OF OZONE, NITROGEN DIOXIDE OR ANY OTHER POLLUTANT GAS AND USE THEREOF - Google Patents
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Abstract
Description
DETECTEUR D'OZONE, DE DIOXYDE D'AZOTE OU DE TOUT AUTREDETECTOR OF OZONE, NITROGEN DIOXIDE OR ANY OTHER
GAZ POLLUANT ET SON UTILISATIONPOLLUTANT GAS AND ITS USE
La présente invention a pour objet un détecteur capable de détecter et de mesurer la quantité d'ozone ou d'autres espèces polluantes dont NO2 présentent dans un gaz. L'invention est destinée tant aux usages industriels The present invention relates to a detector capable of detecting and measuring the quantity of ozone or other polluting species including NO2 present in a gas. The invention is intended both for industrial uses
et de contrôle de l'environnement que dans le domaine du laboratoire. and environmental control only in the laboratory area.
L'invention a pour but de faciliter cette détection et cette mesure. The object of the invention is to facilitate this detection and this measurement.
Les pressions écologiques dans les sociétés modernes et les risques que font encourir les diverses pollutions, conduisent à mesurer la présence des gaz polluants. Parmi ceux-ci, I'ozone et le dioxyde d'azote (NO2) sont des gaz particulièrement révélateurs. Une caractéristique essentielle de ces gaz est leur forte réactivité en tant qu'agents oxydants. Des mêmes effets sont toutefois attendus avec des gaz réducteurs. Pendant des épisodes de pollution (trafic automobile intense, ou heures d'ouverture des usines), le taux de l'ozone dans les villes, à cause d'un excès de NO qui réagit avec 03, peut être inférieur au taux d'ozone dans les zones rurales. La diminution relative des taux d'ozone dans les centres des villes conduit alors à une augmentation du taux de NO2. Pour cette raison, la sévérité des pollutions peut, par exemple, s'exprimer par la somme des concentrations d'ozone et The ecological pressures in modern societies and the risks posed by various pollutions, lead to measuring the presence of polluting gases. Among these, ozone and nitrogen dioxide (NO2) are particularly revealing gases. An essential characteristic of these gases is their high reactivity as oxidizing agents. The same effects are however expected with reducing gases. During pollution episodes (heavy traffic, or factory opening hours), the ozone level in cities, due to an excess of NO which reacts with 03, may be lower than the ozone level in rural areas. The relative decrease in ozone levels in city centers then leads to an increase in the NO2 level. For this reason, the severity of pollution can, for example, be expressed by the sum of the concentrations of ozone and
de NO2.NO2.
Au niveau des habitations humaines, I'ozone et NO2 (entre autres) apparaissent comme des gaz susceptibles d'être néfastes à l'homme. Leur présence en trop forte concentration provoque des troubles. La détection de la teneur en gaz polluant est donc un paramètre important pour connaître la qualité de l'air. Dans une autre application, on cherche à mesurer le caractère oxydo-réducteur des produits de combustion qui émanent de chaudières. On envisage même de réguler la carburation de ces chaudières, le mélange optimal carburant/comburant conduisant au plus faible caractère In human dwellings, ozone and NO2 (among others) appear as gases likely to be harmful to humans. Their presence in too high a concentration causes troubles. The detection of the polluting gas content is therefore an important parameter for knowing the air quality. In another application, it is sought to measure the redox character of the combustion products which emanate from boilers. We even plan to regulate the carburetion of these boilers, the optimal fuel / oxidizer mixture leading to the weakest character.
oxydo-réducteur de l'atmosphère.redox of the atmosphere.
Autant l'excès d'ozone dans les couches habitables est néfaste, autant son déficit dans les couches stratosphériques est également néfaste: en effet, I'ozone y exerce une filtration des rayonnements ultraviolets. Sa As much the excess of ozone in the habitable layers is harmful, as much its deficit in the stratospheric layers is also harmful: indeed, ozone exerts a filtration of the ultraviolet radiations there. Her
présence évite le réchauffement de l'atmosphère. presence prevents warming of the atmosphere.
En pratique, un besoin existe de mesurer la présence de l'ozone sur une très grande gamme de concentration. Ainsi, il est nécessaire de pouvoir titrer l'ozone d'une fraction de partie par milliard (ppb) jusqu'à plusieurs In practice, there is a need to measure the presence of ozone over a very large concentration range. Thus, it is necessary to be able to titrate ozone from a fraction of a part per billion (ppb) up to several
dizaines de parties par million. Il en est de même pour NO2. tens of parts per million. The same is true for NO2.
Les dispositifs de titrage de l'ozone et de NO2 actuellement disponibles sur le marché utilisent essentiellement les propriétés d'absorption dans l'ultraviolet de ces molécules. Ils présentent l'inconvénient d'être chers, The ozone and NO2 titration devices currently available on the market essentially use the ultraviolet absorption properties of these molecules. They have the disadvantage of being expensive,
et difficilement transportables.and difficult to transport.
On connaît à cet effet des appareils portables de type électrochimique ou chimique. On connaît par exemple les méthodes de dosage suivantes: I'analyse calorimétrique, le titrage rédox, I'analyse coulométrique et l'utilisation de tubes indicateurs contenant de l'indigo. Des badges indicateurs Portable devices of the electrochemical or chemical type are known for this purpose. The following assay methods are known, for example: calorimetric analysis, redox titration, coulometric analysis and the use of indicator tubes containing indigo. Indicator badges
d'ozone sont également commercialisés. ozone are also marketed.
Il faut en outre remarquer que le dosage de l'ozone pose des problèmes spécifiques puisque l'ozone est instable thermiquement et It should also be noted that the dosage of ozone poses specific problems since ozone is thermally unstable and
photochimiquement.photochemically.
Les appareils permettant la détection et le dosage de NO2 reposent, à The NO2 detection and dosing devices are based on
des détails près, sur les principes précédents. details, on the previous principles.
On connaît par l'article "Electrical and Optical Properties of Phthalocyanine Films", dû à Messieurs H. LAURS et G. HEILAND, paru dans la revue ELECTRONICS AND OPTICS, Thin Solid Film, vol. 149 (1987), We know by the article "Electrical and Optical Properties of Phthalocyanine Films", due to Messrs H. LAURS and G. HEILAND, published in the review ELECTRONICS AND OPTICS, Thin Solid Film, vol. 149 (1987),
pages 129 à 142, une description des propriétés électriques et optiques de la pages 129 to 142, a description of the electrical and optical properties of the
phtalocyanine (Pc) ainsi que de métallophtalocyanines (PcM). La présentation des propriétés de la phtalocyanine dans cet article est faite dans un contexte o une métallophtalocyanine est utilisée comme matériau isolant moléculaire dopé. Le comportement de ce matériau est influencé par la teneur du gaz dans lequel il baigne. En fait, les effets physiques décrits liés à la phtalocyanine y sont du type à usage unique. En effet, cet article relate l'utilisation de transistors dans lesquels le capteur, pour une mesure de teneur en gaz oxydant, n'est obtenu que par un dépôt de lithium sur la phthalocyanine (Pc) as well as metallophthalocyanine (PcM). The presentation of the properties of phthalocyanine in this article is made in a context where a metallophthalocyanine is used as doped molecular insulating material. The behavior of this material is influenced by the content of the gas in which it bathes. In fact, the described physical effects related to phthalocyanine are of the disposable type. In fact, this article describes the use of transistors in which the sensor, for a measurement of oxidizing gas content, is only obtained by depositing lithium on the
couche de phtalocyanine.phthalocyanine layer.
L'invention présente ne nécessite pas de dépôt d'un métal fortement The present invention does not require deposition of a strongly metal
réducteur sur la couche de métallophtalocyanine. reducing agent on the metallophthalocyanine layer.
Le principe de l'invention est de constituer un transistor à effet de champ dont le canal de conduction se créé dans un matériau moléculaire, soit une métallophtalocyanine, soit un dérivé analogue. Les circuits de mesure comportent des moyens de mesurer le courant qui passe dans ce transistor entre la source et le drain. Les mesures électriques se font en The principle of the invention is to constitute a field effect transistor whose conduction channel is created in a molecular material, either a metallophthalocyanine, or a similar derivative. The measurement circuits include means for measuring the current which passes through this transistor between the source and the drain. Electrical measurements are made in
continu, par l'utilisation d'une rampe de tension, en impulsion ou en alternatif. continuous, through the use of a voltage ramp, pulse or alternating.
On s'est aperçu dans l'invention, que le courant source-drain était lié à la présence plus ou moins forte d'ozone ou de NO2. Aussi, dans l'invention, on retiendra en particulier un protocole dans lequel la mesure est effectuée au bout d'une durée courte (après exposition It was found in the invention, that the source-drain current was linked to the more or less strong presence of ozone or NO2. Also, in the invention, there will be retained in particular a protocol in which the measurement is carried out after a short duration (after exposure
au gaz polluant) après une initialisation ou une réinitialisation du capteur. polluting gas) after initializing or resetting the sensor.
L'invention a donc pour objet un détecteur et capteur d'ozone, de NOZ et de divers gaz polluants, caractérisé en ce qu'il comporte un transistor à effet de champ dont la partie électroactive est constituée d'une couche de métallophtalocyanine soumise à l'influence d'un gaz contenant de l'ozone ou NO2, ce transistor étant relié à un dispositif de mesure du courant qui passe The subject of the invention is therefore a detector and sensor for ozone, NOZ and various polluting gases, characterized in that it comprises a field effect transistor, the electroactive part of which consists of a layer of metallophthalocyanine subjected to the influence of a gas containing ozone or NO2, this transistor being connected to a device for measuring the current flowing
dans ce transistor, notamment après une initialisation de ce détecteur. in this transistor, in particular after an initialization of this detector.
L'invention sera plus complètement détaillée à la lecture de la The invention will be more fully detailed on reading the
description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci description which follows and examination of the figures which accompany it. These
ne sont données qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent: Figure 1: un transistor moléculaire, représenté schématiquement, utilisable dans le détecteur de l'invention. La géométrie de ce transistor ne nécessite pas l'utilisation de techniques liées à la micro-électronique; Figure 2: une représentation schématique en coupe d'un exemple de réalisation d'un détecteur selon l'invention dérivée des techniques de la microlithographie; Figure 3: une représentation schématique d'un perfectionnement préféré d'utilisation du détecteur de l'invention; Figures 4a et 4b: des représentations de réalisations des régions source et drain d'un transistor de détecteur selon l'invention en technique microlithographique; Figure 5: une représentation schématique d'un procédé préféré de mesure de taux de gaz polluant; Figure 6: un diagramme temporel de mesure d'un signal de détection d'ozone par un transistor moléculaire décrit dans la Figure 2; Figure 7: un diagramme temporel de mesure d'un signal de détection are given for information only and in no way limit the invention. The figures show: Figure 1: a molecular transistor, shown diagrammatically, usable in the detector of the invention. The geometry of this transistor does not require the use of techniques related to microelectronics; Figure 2: a schematic sectional representation of an embodiment of a detector according to the invention derived from the techniques of microlithography; Figure 3: a schematic representation of a preferred improvement in the use of the detector of the invention; Figures 4a and 4b: representations of embodiments of the source and drain regions of a detector transistor according to the invention in microlithographic technique; Figure 5: a schematic representation of a preferred method for measuring the rate of polluting gas; Figure 6: a time diagram for measuring an ozone detection signal by a molecular transistor described in Figure 2; Figure 7: a time diagram for measuring a detection signal
de NO2 par le transistor moléculaire décrit dans la Figure 2. NO2 by the molecular transistor described in Figure 2.
Les figures 1 et 2 montrent des détecteurs d'ozone réalisés sous forme de transistor selon l'invention. Le transistor de la figure 2 nécessite l'emploi de la microlithographie, pas celui de la figure 1. La figure 1 montre un transistor bipolaire comportant sur une grille en métal une couche de polysilicium (nSi) surmontée d'une couche isolante de SiO2. La couche de SiO2 est surmontée d'une couche de Si3N4, elle-même surmontée d'une couche de métallophtalocyanine. Deux électrodes de drain et source placées en bout du canal de conduction formé par cette dernière couche constituent le reste du transistor. Le principe de la mesure consiste à mesurer un courant drain source de ce transistor pour une polarité Vgs de la grille, alors Figures 1 and 2 show ozone detectors produced in the form of a transistor according to the invention. The transistor of FIG. 2 requires the use of microlithography, not that of FIG. 1. FIG. 1 shows a bipolar transistor comprising on a metal grid a layer of polysilicon (nSi) surmounted by an insulating layer of SiO2. The SiO2 layer is surmounted by a layer of Si3N4, itself surmounted by a layer of metallophthalocyanine. Two drain and source electrodes placed at the end of the conduction channel formed by this last layer constitute the rest of the transistor. The principle of the measurement consists in measuring a source drain current of this transistor for a polarity Vgs of the gate, then
qu'un gaz à détecter est au contact de la couche de métallophtalocyanine. that a gas to be detected is in contact with the metallophthalocyanine layer.
Le détecteur de la figure 2 comporte un transistor formé, dans cet exemple, sur un substrat 1. Le substrat 1 est destiné à constituer la grille du transistor. Le substrat 1 est un cristal de silicium fortement dopé. Dans cet exemple, ce substrat silicium est dopé P++ par injection, diffusion ou implantation d'atomes de bore. Il est surmonté d'une couche d'oxyde de silicium 2. Une couche 3 de Si3N4 déposée sur la couche 2 d'oxyde de silicium constitue une seconde couche de diélectrique de grille. Une couche 4 déposée au-dessus de la couche 3 est en un matériau moléculaire. Un courant peut passer entre une source 5 et un drain 6 du transistor dans la couche 4. Au lieu d'utiliser une métallophtalocyanine comme matériau semiconducteur de la couche 4 d'un tel transistor à effet de champ, on pourra utiliser des dérivés apparentés comme les porphyrines, les azaporphyrines, les porphyrazines, etc. Les électrodes source 5 et drain 6 sont reliées par des connexions respectivement 7 et 8 aux bornes d'une The detector of FIG. 2 comprises a transistor formed, in this example, on a substrate 1. The substrate 1 is intended to constitute the gate of the transistor. The substrate 1 is a highly doped silicon crystal. In this example, this silicon substrate is doped P ++ by injection, diffusion or implantation of boron atoms. It is surmounted by a layer of silicon oxide 2. A layer 3 of Si3N4 deposited on layer 2 of silicon oxide constitutes a second layer of gate dielectric. A layer 4 deposited above layer 3 is made of a molecular material. Current can flow between a source 5 and a drain 6 of the transistor in layer 4. Instead of using a metallophthalocyanine as the semiconductor material of layer 4 of such a field effect transistor, related derivatives can be used such as porphyrins, azaporphyrins, porphyrazines, etc. The source 5 and drain 6 electrodes are connected by connections 7 and 8 respectively to the terminals of a
alimentation électrique 9 et d'un dispositif de mesure du courant 10. power supply 9 and a current measurement device 10.
L'alimentation 9 peut être continue, pulsée voire alternative. L'électrode 1 de grille est reliée par l'intermédiaire d'une connexion 11 à une alimentation 12 qui permet de faire varier la tension grillesource. Le transistor ainsi formé est The power supply 9 can be continuous, pulsed or even alternative. The gate electrode 1 is connected via a connection 11 to a power supply 12 which makes it possible to vary the gate source voltage. The transistor thus formed is
sensible à l'action de l'ozone et de NO2. sensitive to the action of ozone and NO2.
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 l'ordre de 100 nanomètres. La couche 3 de nitrure peut être obtenue par un plasma de SiH4/NH3 ou par dépôt chimique 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 of the order of 100 nanometers. The nitride layer 3 can be obtained by an SiH4 / NH3 plasma or by chemical deposition
en phase vapeur. Le Si3N4 peut aussi être déposé par pulvérisation. in vapor phase. Si3N4 can also be deposited by spraying.
L'épaisseur de la couche 3 est de l'ordre de 100 nanomètres. La couche 4 de métallophtalocyanine est obtenue par dépôt sous vide d'une métallophtalocyanine sublimée. Celle-ci peut être choisie parmi les phtalocyanines de nickel, de zinc, de cuivre, de plomb, de fer, de manganèse, de cobalt ou autre, ou même le dérivé non-métallé. L'épaisseur de la couche 4, dans un exemple, est de l'ordre de 50 nanomètres. La vitesse de dépôt est comprise entre quelques dixièmes de nanomètres à The thickness of layer 3 is of the order of 100 nanometers. Layer 4 of metallophthalocyanine is obtained by vacuum deposition of a sublimed metallophthalocyanine. This can be chosen from nickel, zinc, copper, lead, iron, manganese, cobalt or other phthalocyanines, or even the non-metallated derivative. The thickness of layer 4, in one example, is of the order of 50 nanometers. The deposition rate is between a few tenths of a nanometer at
quelques nanomètres par seconde.a few nanometers per second.
On a constaté dans l'invention que le temps de réponse du détecteur était diminué si la couche 4 était du type amorphe ou quasi-amorphe au lieu It was found in the invention that the response time of the detector was reduced if the layer 4 was of the amorphous or quasi-amorphous type instead
d'être polycristalline.to be polycrystalline.
Un certain nombre de métallophtalocyanines non substituées PcM (M = H2, Cu, Ni, Fe...) sont disponibles dans le commerce à faibles coûts. Leur pureté est cependant médiocre et une sublimation par entraînement à l'azote sous vide partiel (7 torr) a été effectuée avant d'utiliser ce matériau pour fabriquer le transistor à effet de champ. On a découvert que les propriétés de capteur des métallophtalocyanines dépendent de multiples paramètres. Trois d'entre eux sont: - I'aptitude de l'unité moléculaire à se réduire puis à s'oxyder, - la propension du métal central à former des adduits avec diverses petites molécules (02, CO, EtOH, H20...), - la morphologie du film mince utilisé: polycristallinité, taille des grains, A number of PcM unsubstituted metallophthalocyanines (M = H2, Cu, Ni, Fe, etc.) are commercially available at low cost. Their purity is however poor and sublimation by entrainment with nitrogen under partial vacuum (7 torr) was carried out before using this material to manufacture the field effect transistor. It has been discovered that the sensor properties of metallophthalocyanines depend on multiple parameters. Three of them are: - the ability of the molecular unit to reduce and then oxidize, - the propensity of the central metal to form adducts with various small molecules (02, CO, EtOH, H2O ... ), - the morphology of the thin film used: polycrystallinity, grain size,
type de défauts, caractère amorphe ou quasi-amorphe. type of defects, amorphous or quasi-amorphous character.
Un paramètre important concerne le caractère amorphe ou polycristallin de la couche mince. Les matériaux polycristallins conduisent à des cinétiques généralement beaucoup plus lentes pour l'adsorption et la An important parameter concerns the amorphous or polycrystalline nature of the thin layer. Polycrystalline materials lead to kinetics which are generally much slower for adsorption and
désorption de gaz; les temps de réponse des capteurs sont donc plus longs. gas desorption; the response times of the sensors are therefore longer.
On s'est alors attaché à utiliser des mélanges de phtalonitrile et de phtalonitrile substitué par des hétéroatomes de fluor afin de favoriser la formation de couches minces amorphes (ou quasi-amorphes) de matériaux We then tried to use mixtures of phthalonitrile and phthalonitrile substituted by fluorine heteroatoms in order to favor the formation of thin amorphous (or quasi-amorphous) layers of materials
moléculaires. Le fluor peut être remplacé par tout autre groupement. molecular. Fluorine can be replaced by any other group.
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 4,5- difluorophtalonitrile (Mw: 164.13; 7.5 mmoles)/1.96 g Zn/18 ml chloronaphtalène. Les proportions théoriques de chacun des produits peuvent être calculées en postulant une réactivité égale 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 4,5-difluorophthalonitrile (Mw: 164.13; 7.5 mmol) / 1.96 g Zn / 18 ml chloronaphthalene. The theoretical proportions of each product can be calculated by assuming equal reactivity
pour les deux types de phtalonitriles. for both 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 Mass spectrometry (chemical ionization; NH3) made it possible to verify that the expected products were well synthesized. It has been verified that sublimation does not alter the relative proportions of the various constituents
de (F2)xPcZn.of (F2) xPcZn.
Les spectres d'absorption ultraviolet, visible et infrarouge montrent des différences sensibles entre les deux types de phtalocyanine (PcZn pur et mélangé). PcZn: 344.5 nm; 604 nm; 668.5 nm (F2)xPcZn: 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 The ultraviolet, visible and infrared absorption spectra show significant differences between the two types of phthalocyanine (pure and mixed PcZn). PcZn: 344.5 nm; 604 nm; 668.5 nm (F2) xPcZn: 339 nm; 599 nm; 662 nm IR spectra were made on the two previous materials. In particular, characteristic lines of the C-F link have been noted between
1 050 et 1400 cm-.1,050 and 1,400 cm-.
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 X-ray diffraction images were taken on thin films deposited under vacuum of PcZn and (F2) xPcZn. 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 (F2) xPcZn, having
plusieurs isomères et plusieurs produits conduit à un matériau quasi- several isomers and several products leads to a material almost
amorphe. On a pu constater par la suite l'importance de cette observation sur amorphous. We could later see the importance of this observation on
la réactivité du transistor.the reactivity of the transistor.
Le dispositif de mesure, selon l'invention comporte un circuit pour mesurer l'intensité du courant qui passe dans le transistor associé à des moyens 13 pour mesurer le courant à un instant donné après l'initialisation du détecteur. En pratique, le circuit et les moyens électriques seront réalisés par un microcontrôleur qui effectuera une conversion analogique numérique de la valeur du courant mesuré, qui comportera une horloge, des compteurs, ainsi qu'un programme préenregistré pour délivrer un signal de mesure à The measuring device according to the invention comprises a circuit for measuring the intensity of the current which passes through the transistor associated with means 13 for measuring the current at a given instant after initialization of the detector. In practice, the circuit and the electrical means will be produced by a microcontroller which will carry out an analog digital conversion of the value of the measured current, which will include a clock, counters, as well as a prerecorded program for delivering a measurement signal to
intervalle régulier ou irrégulier. regular or irregular interval.
Au besoin, le microcontrôleur sera perfectionné et capable d'effectuer un traitement de l'évolution des mesures dans le temps. Ces techniques de If necessary, the microcontroller will be perfected and capable of processing the evolution of the measurements over time. These techniques of
traitement de signal sont de type connu. signal processing are of known type.
La Figure 3 montre une représentation schématique d'une utilisation perfectionnée du détecteur de l'invention. Dans celle-ci, un transistor 13, conforme à celui de la figure 2, ou de la figure 1, est placé à l'intérieur d'un caisson 14. La couche de phtalocyanine forme la face supérieure du transistor 13, en contact direct avec l'atmosphère. Le caisson 14 est recouvert d'un capot 15 amovible en un matériau tel que le Duralumin (alliage connu d'aluminium, de cuivre et de magnésium) de l'acier inoxydable Figure 3 shows a schematic representation of an improved use of the detector of the invention. In it, a transistor 13, conforming to that of FIG. 2, or of FIG. 1, is placed inside a box 14. The layer of phthalocyanine forms the upper face of the transistor 13, in direct contact with the atmosphere. The box 14 is covered with a removable cover 15 made of a material such as Duralumin (known alloy of aluminum, copper and magnesium) of stainless steel
ou autres alliages ou matériaux analogues fortement réducteurs. or other strongly reducing alloys or similar materials.
Un des principes de mesure est le suivant. On ferme le capot 15 au- One of the measurement principles is as follows. The hood 15 is closed
dessus de l'enceinte durant quelques minutes. Ceci a pour effet de détruire tout ou partie de l'ozone contenu dans l'air sous-jacent au capot 15. A la fin de cette initialisation, on ouvre le capot et l'expérience commence. Au bout d'une durée donnée, par exemple de l'ordre de 1 à 2 minutes après above the speaker for a few minutes. This has the effect of destroying all or part of the ozone contained in the air underlying the cover 15. At the end of this initialization, the cover is opened and the experiment begins. At the end of a given duration, for example of the order of 1 to 2 minutes after
l'ouverture, on mesure le courant par une des méthodes décrites. the opening, the current is measured by one of the methods described.
Le dosage de l'ozone, de NO2 ou d'autres gaz polluants peut se faire également en alternant un flux d'air exempt de polluants avec un flux d'air The dosing of ozone, NO2 or other polluting gases can also be done by alternating an air flow free of pollutants with an air flow
chargé de ceux-ci.responsible for these.
De manière à augmenter la sensibilité et à élargir la gamme des produits détectés du détecteur constitué, on a associé au caisson 14 une source lumineuse 16 destinée à éclairer la couche mince de phtalocyanine constituant le détecteur pendant son usage. La lampe 16 fournit In order to increase the sensitivity and to widen the range of products detected from the detector formed, a light source 16 has been associated with the box 14 intended to illuminate the thin layer of phthalocyanine constituting the detector during its use. The lamp 16 provides
approximativement un éclairement correspondant à 100 milliwatt par cm2. approximately an illumination corresponding to 100 milliwatt per cm2.
Elle provoque une augmentation de la sensibilité. De même, une résistance chauffante 17 peut permettre de porter le détecteur à une température donnée, par exemple de l'ordre de 100 C. De préférence, la résistance chauffante 17 est constituée par une résistance gravée et isolée électriquement sur la face arrière du substrat 1 en silicium. Cependant d'autres géométries déjà connues peuvent être utilisées pour la résistance chauffante (radiateur). L'utilisation d'une résistance de platine permet simultanément de mesurer la température. Les résultats peuvent être disponibles sur une interface de type conventionnel. On choisit les It causes an increase in sensitivity. Similarly, a heating resistor 17 can make it possible to bring the detector to a given temperature, for example of the order of 100 C. Preferably, the heating resistor 17 consists of a resistor etched and electrically insulated on the rear face of the substrate 1 in silicon. However, other geometries already known can be used for the heating resistance (radiator). The use of a platinum resistor allows the temperature to be measured simultaneously. The results may be available on a conventional interface. We choose the
sollicitations du détecteur en fonction de la concentration d'ozone à mesurer. detector loads as a function of the ozone concentration to be measured.
La particularité du capteur de l'invention est 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 métallophtalocyanine qui a pour effet de la doper 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. Ce qui est remarquable, selon l'invention, est que la pente de la croissance est liée à la concentration en gaz polluant. Les Figures 4a et 4b montrent des exemples préférés de réalisation des électrodes de drain et source 5 et 6. Les électrodes 5 et 6 peuvent être interdigitées, Figure 4a. Dans un exemple, chaque électrode comprend seize doigts dont la longueur est de l'ordre 632 micromètres. En conséquence, la largeur du canal de conduction (W) est de l'ordre de 20 000 micromètres. La longueur de canal de conduction est égale à la distance interélectrodes qui dans un exemple vaut 10 micromètres. Dans ces conditions, le rapport W/L The particularity of the sensor of the invention is that it has a reactivity to the presence of ozone or other polluting gases in the measured atmosphere. The phenomenon which occurs is a phenomenon of partial oxidation of metallophthalocyanine which has the effect of doping it and thus constituting a more or less conductive layer, more or less doped according to the concentration of ozone or other oxidizing species. N-type doping can be envisaged with reducing gases. The phenomenon evolves over time. What is remarkable, according to the invention, is that the slope of the growth is linked to the concentration of polluting gas. Figures 4a and 4b show preferred embodiments of the drain and source electrodes 5 and 6. The electrodes 5 and 6 can be interdigitated, Figure 4a. In one example, each electrode comprises sixteen fingers whose length is of the order of 632 micrometers. Consequently, the width of the conduction channel (W) is of the order of 20,000 micrometers. The conduction channel length is equal to the interelectrode distance which in one example is 10 micrometers. Under these conditions, the W / L ratio
du transistor constitué est de l'ordre de 2 000. of the transistor formed is of the order of 2000.
La Figure 4b montre une autre réalisation dans laquelle la largeur 18 d'un canal de conduction unique réalisé entre deux électrodes longilignes 5 et 6 est de 3 000 micromètres. La longueur 19 du canal a été réalisée pour des valeurs de 10, 20, 50 ou 100 micromètres. Ceci permet en réduisant la taille d'augmenter les courants mesurés. Les solutions de réalisation des Figures 4a et 4b concernent une fabrication de type microlithographique. Le dispositif schématisé Figure 1 est plus conventionnel et ne nécessite que Figure 4b shows another embodiment in which the width 18 of a single conduction channel produced between two elongate electrodes 5 and 6 is 3000 micrometers. The length 19 of the channel was produced for values of 10, 20, 50 or 100 micrometers. This makes it possible by reducing the size to increase the measured currents. The solutions for producing Figures 4a and 4b relate to microlithographic type manufacturing. The device shown in Figure 1 is more conventional and requires only
l'utilisation d'un cache (fil, ruban ou masque). the use of a cover (wire, tape or mask).
Un procédé d'utilisation du dispositif de l'invention peut être proposé. A method of using the device of the invention can be proposed.
Selon la figure 5 deux détecteurs identiques conformes à l'invention, reçoivent par un orifice d'entrée un gaz dont la teneur en ozone doit être According to FIG. 5, two identical detectors in accordance with the invention receive a gas through an inlet orifice, the ozone content of which must be
mesurée. Un des détecteurs comporte en outre un dispositif 20 de filtrage. measured. One of the detectors further comprises a filtering device 20.
Dans un exemple, le dispositif comporte un filtre en Duralumin provoquant In one example, the device includes a Duralumin filter causing
une réduction très rapide de l'ozone présente dans l'atmosphère injectée. a very rapid reduction of the ozone present in the injected atmosphere.
Par opposition, I'autre orifice permet d'injecter le gaz tel qu'il est disponible directement dans le détecteur. A la sortie, un comparateur 21 normalise les In contrast, the other orifice allows gas to be injected as it is available directly into the detector. At the output, a comparator 21 normalizes the
résultats délivrés par les deux détecteurs. results delivered by the two detectors.
Les mesures sont effectuées généralement par une méthode impulsionnelle: le courant source-drain est mesuré après application d'une tension drainsource en créneau (temps d'application: de zéro à quelques centaines de millisecondes) à VGS = VDS (VGS: tension grille- source, VDS: tension drain-source). Le courant drain-source IDS est mesuré lors de son apparition au bout d'un temps pouvant varier de zéro à quelques centaines The measurements are generally carried out by an impulse method: the source-drain current is measured after application of a drainsource voltage in a time window (application time: from zero to a few hundred milliseconds) at VGS = VDS (VGS: grid voltage- source, VDS: drain-source voltage). The IDS drain-source current is measured when it appears after a time that can vary from zero to a few hundred
de millisecondes pour les dispositifs décrits. milliseconds for the devices described.
La Figure 6 montre enfin l'évolution 22 (courbe en trait plein) du courant drain-source IDS qui peut être voisin de quelques nanoampères lorsqu'une couche de PcNi est soumise à une concentration 23 alternative (courbe en pointillés) de 275 ppb d'ozone dans l'air. La couche de phtalocyanine de nickel (300A) est soumise alternativement à 275 ppb de 03 dans l'air ambiant filtré sur charbon actif et à des périodes de repos sans circulation d'air (polarisation: Vs = OV, VD = VG = -3V). De la même façon, la Figure 7 représente la variation du courant drain- source lorsque la couche mince de matériau moléculaire est exposée à une concentration impulsionnelle de 100 ppb de NOz dans de l'air synthétique. La couche de phtalocyanine de nickel (300A) est soumise alternativement à 100 ppb de NO2 dans de l'air synthétique (polarisation: Vs = 5V, VD = VG = 0) et à de l'air Figure 6 finally shows the evolution 22 (solid line curve) of the drain-source IDS current which may be close to a few nanoamps when a layer of PcNi is subjected to an alternative concentration 23 (dashed curve) of 275 ppb d 'ozone in the air. The nickel phthalocyanine layer (300A) is alternately subjected to 275 ppb of 03 in ambient air filtered over activated carbon and to rest periods without air circulation (polarization: Vs = OV, VD = VG = -3V ). Similarly, Figure 7 shows the variation of the drain-source current when the thin layer of molecular material is exposed to a pulse concentration of 100 ppb of NOz in synthetic air. The nickel phthalocyanine layer (300A) is alternately subjected to 100 ppb of NO2 in synthetic air (polarization: Vs = 5V, VD = VG = 0) and to air
1 5 synthétique.1 5 synthetic.
Dans les deux cas, une calibration préalable permet ensuite, par une mesure à une date donnée proche de l'initialisation, de connaître rapidement In both cases, a prior calibration then allows, by a measurement at a given date close to initialization, to quickly know
le taux de gaz recherché.the desired gas rate.
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