WO1996031773A1 - High-temperature chemical sensor - Google Patents

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Abstract

A chemical sensor comprising a combination of a sensitive layer (C) and an acoustic wave transducer that is stable at very high temperatures. The acoustic wave transducer includes a piezoelectric GaPO4 crystal, and the sensitive layer (C) may be a semiconductor oxide layer such as an SnO2, TiO2 or ZrO2 layer sensitive to gas molecules such as CO and NOX. Said sensor is useful in motor vehicles for sensing exhaust gases.

Description

CAPTEUR CHIMIQUE HAUTE TEMPERATURE HIGH TEMPERATURE CHEMICAL SENSOR
Le domaine de l'invention est celui des capteurs chimiques résistant à hautes températures (de l'ordre de 500 à 800°C environ). De tels capteurs présentent un intérêt croissant dans plusieurs domaines d'application et en particulier dans le secteur automobile dans lequel on cherche à contrôler directement au niveau des moteurs les émissions de gaz tels que CO, NOx et différents hydrocarbures pour limiter le taux de pollution. Actuellement, le principal capteur de gaz, commercialisé, permettant de régler la carburation repose sur la détermination du rapport air/carburant. Il fonctionne à 800°C à partir d'un électrolyte solide de type (Zrθ2, Y2O3), la détermination du courant mesuré au cours des réactions électrochimiques permet de suivre l'évolution du rapport air/carburant. Parallèlement à ce type de capteur à oxygène, il existe des études portant sur la détection d'autres gaz tels que NOx ou CO. Il s'agit le souvent de capteurs résistifs à base d'oxyde semiconducteurs du type Snθ2, capables de travailler vers 400°C. Certains capteurs utilisant du Tiθ2 ou du Snθ2 dopé avec de l'indium sont en mesure de fonctionner à des températures voisines de 500°C. Néanmoins le problème majeur persistant de tels capteurs est leur dérive dans le temps accompagnée d'une difficulté de reproductibilité.The field of the invention is that of chemical sensors resistant to high temperatures (of the order of 500 to 800 ° C. approximately). Such sensors are of growing interest in several fields of application and in particular in the automotive sector in which it is sought to control directly at the engine level the emissions of gases such as CO, NO x and various hydrocarbons to limit the rate of pollution. . Currently, the main gas sensor, marketed, for adjusting the carburetion is based on the determination of the air / fuel ratio. It operates at 800 ° C from a solid electrolyte of the type (Zrθ2, Y2O3), the determination of the current measured during electrochemical reactions makes it possible to follow the evolution of the air / fuel ratio. In addition to this type of oxygen sensor, there are studies on the detection of other gases such as NO x or CO. These are often resistive sensors based on semiconductor oxide of Sneurs2 type, capable of working around 400 ° C. Some sensors using Tiθ2 or Snθ2 doped with indium are able to operate at temperatures close to 500 ° C. However, the major persistent problem of such sensors is their drift over time accompanied by a difficulty in reproducibility.
Dans ce contexte l'invention propose un nouveau type de capteur particulièrement bien adapté à la détection de gaz à haute température. Il s'agit d'un capteur équipé d'une couche sensible et d'un transducteur acoustique comprenant un matériau piézoélectrique résistant à haute température.In this context, the invention proposes a new type of sensor which is particularly well suited to the detection of gases at high temperature. It is a sensor equipped with a sensitive layer and an acoustic transducer comprising a piezoelectric material resistant to high temperature.
Plus précisément, l'invention a pour objet un capteur chimique comprenant une couche sensible et un transducteur à ondes acoustiques caractérisé en ce que le transducteur comprend un cristal piézoélectrique de GaPOMore specifically, the subject of the invention is a chemical sensor comprising a sensitive layer and an acoustic wave transducer characterized in that the transducer comprises a piezoelectric crystal of GaPO
L'association d'une couche sensible au gaz que l'on cherche à détecter et d'un transducteur à ondes acoustiques permet d'élaborer un capteur particulièrement performant dans la mesure où une variation des propriétés mécaniques (masse), élastiques ou électriques (conductivité), même faibles, induit nécessairement une variation au niveau de la propagation des ondes acoustiques et donc une information liée à la présence de molécules spécifiques dans l'environnement. Le choix du matériau piézoélectrique GaPθ4 rend quant à lui possible l'élaboration de capteurs chimiques résistant à très haute température. En effet, les capteurs actuels comprenant un transducteur à ondes acoustiques reposent sur l'utilisation de cristaux tels que le quartz qui présente une transition de phase vers 560°C, interdisant par là même toute application en tant que piézoélectrique à des températures supérieures. Alors que le cristal de phosphate de gallium GaPÛ tout en présentant des qualités comparables à celles du quartz, ne subit pas de transition de phase à haute température.The association of a layer sensitive to the gas which it is sought to detect and of an acoustic wave transducer makes it possible to develop a particularly efficient sensor insofar as a variation of the mechanical (mass), elastic or electrical properties ( conductivity), even low, necessarily induces a variation in the propagation of acoustic waves and therefore information related to the presence of specific molecules in the environment. The choice of GaPθ4 piezoelectric material makes it possible to develop chemical sensors resistant to very high temperatures. Indeed, current sensors comprising an acoustic wave transducer are based on the use of crystals such as quartz which has a phase transition towards 560 ° C, thereby prohibiting any application as piezoelectric at higher temperatures. While the gallium phosphate crystal GaPÛ while having qualities comparable to those of quartz, does not undergo phase transition at high temperature.
De préférence, le capteur chimique selon l'invention comprend une couche sensible résistant à des températures supérieures à environ 500°C et adaptée à la détection de molécules type NOx ou CO.Preferably, the chemical sensor according to the invention comprises a sensitive layer resistant to temperatures above about 500 ° C. and adapted to the detection of molecules of the NO x or CO type.
Cette couche sensible peut avantageusement être réalisée à partir d'un oxyde semiconducteur simple tel que Snθ2, Tiθ2, Zrθ2, Ceθ2, lr>2θ3, Ga2θ3, Sb2Û5 ou bien encore à partir d'un oxyde semiconducteur ternaire de type oxyde titanate molybdate.This sensitive layer can advantageously be produced from a simple semiconductor oxide such as Snθ2, Tiθ2, Zrθ2, Ceθ2, lr> 2θ3, Ga2θ3, Sb2Û5 or even from a ternary semiconductive oxide of the titanate molybdate oxide type.
Le transducteur utilisé dans le capteur chimique selon l'invention peut être un transducteur à ondes de volume. Il peut comprendre dans ce cas, un élément de GaPθ , dont deux faces opposées sont recouvertes au moins en partie d'électrodes, la couche sensible étant déposée sur au moins l'une des électrodes.The transducer used in the chemical sensor according to the invention can be a volume wave transducer. In this case, it may include a GaPθ element, two opposite faces of which are covered at least in part with electrodes, the sensitive layer being deposited on at least one of the electrodes.
Le transducteur utilisé dans le capteur chimique selon l'invention peut également être un transducteur à ondes de surface. Dans ce cas, il peut comprendre un élément de GaP04 sur lequel sont déposées deux séries d'électrodes interdigitées, séparées par une surface (S), la couche sensible étant déposée au niveau de la surface (S) pour réaliser le capteur chimique visé.The transducer used in the chemical sensor according to the invention can also be a surface wave transducer. In this case, it may comprise a GaPO 4 element on which two series of interdigitated electrodes are deposited, separated by a surface (S), the sensitive layer being deposited at the level of the surface (S) to produce the targeted chemical sensor.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et des figures annexées parmi lesquelles :The invention will be better understood and other advantages will appear on reading the description which follows and the appended figures among which:
- la figure 1 illustre un exemple de capteur selon l'invention, utilisant un transducteur à ondes de volume ;- Figure 1 illustrates an example of a sensor according to the invention, using a volume wave transducer;
- la figure 2 illustre un exemple de capteur selon l'invention, utilisant un transducteur à ondes de surface, type ondes de Rayleigh ; - la figure 3 illustre un exemple de capteur selon l'invention, utilisant un transducteur à ondes de surface, type ondes de Lamb ;- Figure 2 illustrates an example of a sensor according to the invention, using a surface wave transducer, Rayleigh wave type; - Figure 3 illustrates an example of a sensor according to the invention, using a surface wave transducer, type Lamb waves;
- la figure 4 illustre un exemple de capteur selon l'invention, utilisant un transducteur à ondes de surface, type ondes de Love ; - la figure 5 illustre un exemple de capteur selon l'invention associant un ensemble (transducteur acoustique, couche sensible) avec un ensemble (transducteur acoustique, milieu ambiant).- Figure 4 illustrates an example of a sensor according to the invention, using a surface wave transducer, Love wave type; - Figure 5 illustrates an example of a sensor according to the invention associating an assembly (acoustic transducer, sensitive layer) with an assembly (acoustic transducer, ambient environment).
Dans le capteur chimique selon l'invention, le cristal de GaPθ4 est recouvert d'une couche sensible (C) adaptée à la détection de gaz ciblés.In the chemical sensor according to the invention, the GaPθ4 crystal is covered with a sensitive layer (C) suitable for the detection of targeted gases.
De manière générale, la couche sensible (C) utilisée dans le capteur chimique selon l'invention est choisie pour sa grande interaction avec le gaz visé et pour sa tenue en température.In general, the sensitive layer (C) used in the chemical sensor according to the invention is chosen for its great interaction with the target gas and for its temperature resistance.
Typiquement, une couche de type Snθ2 pouvant être dopée à l'indium ou au platine est particulièrement bien adaptée à la détection de différents types de gaz, alors qu'une couche de Tiθ2 est plus spécifiquement adaptée à la détection de NOx.Typically, a layer of Snθ2 type which can be doped with indium or platinum is particularly well suited to the detection of different types of gas, while a layer of Tiθ2 is more specifically adapted to the detection of NO x .
Cette couche sensible (C) peut être déposée sur le cristal de GaPθ4 selon différents procédés et notamment par procédé classique type sol-gel ou bien encore par pulvérisation cathodique.This sensitive layer (C) can be deposited on the GaPθ4 crystal according to various methods and in particular by conventional sol-gel type method or even by sputtering.
Quelque soit le type d'oxyde semiconducteur utilisé, des processus analogues d'adsorption ont lieu lors de la capture de molécules de gaz, il s'ensuit une variation des propriétés mécaniques (masse), élastiques ou électriques (conductivité) qui influence la propagation des ondes acoustiques générées via des électrodes, au niveau du cristal de GaP04.Whatever the type of semiconductor oxide used, analogous adsorption processes take place during the capture of gas molecules, it follows a variation in mechanical (mass), elastic or electrical properties (conductivity) which influences the propagation acoustic waves generated via electrodes, at the level of the GaP04 crystal.
Dans une première variante de l'invention, le capteur comprend un transducteur à ondes de volume constitué d'un élément de GaP04, muni de deux électrodes comme l'illustre la figure 1. La couche sensible (C) est disposée sur l'une des électrodes, ou même les deux. Le dispositif ainsi élaboré constitue un résonateur dont la fréquence peut être mesurée. L'adsorption des molécules de gaz que l'on cherche à détecter, se traduit par une augmentation de masse Δm et conduit à une variation de fréquence de résonance du résonateur ainsi constitué. Cette variation de fréquence est donnée en première approximation par l'équation de Sauerbrey suivante :In a first variant of the invention, the sensor comprises a volume wave transducer consisting of a GaPO4 element, provided with two electrodes as illustrated in FIG. 1. The sensitive layer (C) is placed on one electrodes, or even both. The device thus developed constitutes a resonator whose frequency can be measured. The adsorption of the gas molecules that one seeks to detect, results in an increase in mass Δm and leads to a variation in resonant frequency of the resonator thus formed. This frequency variation is given as a first approximation by the following Sauerbrey equation:
Δf = -2F2 Δm/pq vq A avec F fréquence du résonateur (Hz) pq densité du matériau piézoélectriqueΔf = -2F 2 Δm / pq v q A with F frequency of the resonator (Hz) pq density of the piezoelectric material
Vq vitesse de propagation des ondes acoustiques (m/s)Vq propagation speed of acoustic waves (m / s)
A aire de la surface sensible (m2)Area of sensitive surface (m 2 )
Dans une seconde variante de l'invention, le capteur chimique comprend un transducteur à ondes de surface constitué d'un élément GaPÛ4 sur lequel sont déposées deux séries d'électrodes interdigitées SE-j et SE2 entre lesquelles est déposée la couche sensible (C).In a second variant of the invention, the chemical sensor comprises a surface wave transducer consisting of a GaP04 element on which are deposited two series of interdigitated electrodes SE-j and SE2 between which the sensitive layer (C) is deposited .
L'ensemble constitue une ligne à retard, les ondes acoustiques émises par la première série d'électrodes SE-| se propagent jusqu'à la seconde série d'électrodes SE2 avec un certain retard, se traduisant par une variation de phase. En recombinant le signal de sortie avec le signal d'entrée, le signal de sortie étant amplifié et mis en phase avec le signal d'entrée, on réalise un circuit oscillant ayant une fréquence de résonance caractéristique f-j . Lorsque les conditions de propagation des ondes acoustiques de surface sont modifiées entre les deux séries d'électrodes, la variation de phase induite n'est plus la même et le circuit oscillant ne résonne plus à la fréquence f| mais résonne à la fréquence f-j . Un tel dispositif à ondes de surface type ondes de Rayleigh se propageant à l'interface couche sensible/GaP04 dans un plan perpendiculaire au plan des couches est illustré en figure 2. Lorsque le matériau GaPU4 présente une faible épaisseur on est capable de réaliser un transducteur à ondes de surface type ondes deThe whole constitutes a delay line, the acoustic waves emitted by the first series of electrodes SE- | propagate to the second set of electrodes SE2 with a certain delay, resulting in a phase variation. By recombining the output signal with the input signal, the output signal being amplified and put in phase with the input signal, an oscillating circuit is produced having a characteristic resonant frequency f-j. When the conditions of propagation of the surface acoustic waves are modified between the two series of electrodes, the induced phase variation is no longer the same and the oscillating circuit no longer resonates at the frequency f | but resonates at the frequency f-j. Such a Rayleigh wave type surface wave device propagating at the sensitive layer / GaP04 interface in a plane perpendicular to the plane of the layers is illustrated in FIG. 2. When the GaPU4 material has a small thickness, it is possible to produce a transducer with surface waves such as
Lamb. La couche sensible (C) peut être déposée à la surface du film mince de GaPθ4 côté séries d'électrodes ou bien côté opposé aux séries d'électrodes. Cette dernière variante présente l'avantage de permettre d'encapsuler l'ensemble du dispositif de façon que seule la couche (C) soit en contact avec le milieu à analyser. Ainsi les électrodes métalliques, le matériau GaPθ4 et éventuellement l'électronique associée sont protégés.Lamb. The sensitive layer (C) can be deposited on the surface of the thin film of GaPθ4 on the electrode series side or on the opposite side to the electrode series. This last variant has the advantage of making it possible to encapsulate the entire device so that only the layer (C) is in contact with the medium to be analyzed. Thus the metal electrodes, the GaPθ4 material and possibly the associated electronics are protected.
La figure 3 illustre un exemple de dispositif obtenu par gravure anisotrope en face arrière d'un substrat de silicium sur lequel on a préalablement déposé une couche d'arrêt d'attaque de nitrure et une couche de GaPU4. L'épaisseur de la membrane ainsi réalisée peut être de l'ordre de quelques microns.FIG. 3 illustrates an example of a device obtained by anisotropic etching on the rear face of a silicon substrate on which a nitride etching stop layer and a GaPU4 layer have previously been deposited. The thickness of the membrane thus produced can be of the order of a few microns.
Dans une quatrième variante de l'invention, le capteur chimique comprend un transducteur à ondes acoustiques de surface type ondes de Love, se propageant au sein d'un matériau intermédiaire (couche C-| ) situé entre le matériau piézoélectrique GaPÛ4 et la couche sensible (C), matériau intermédiaire dans lequel la vitesse de propagation des ondes acoustiques est inférieure à celle des ondes acoustiques dans le matériau piézoélectrique. Ce matériau intermédiaire peut typiquement être de la silice, de l'or ou bien encore de l'aluminium. Ce type de capteur est illustré en figure 4.In a fourth variant of the invention, the chemical sensor comprises a Love wave type surface acoustic wave transducer, propagating within an intermediate material (layer C- |) located between the piezoelectric material GaPÛ4 and the sensitive layer (C), intermediate material in which the propagation speed of the acoustic waves is lower than that of the acoustic waves in the piezoelectric material. This intermediate material can typically be silica, gold or even aluminum. This type of sensor is illustrated in Figure 4.
Afin de s'affranchir d'effets parasites, liés par exemple à des fluctuations de température, ou à des problèmes de vieillissement, il est possible d'intégrer une référence interne au niveau du capteur selon l'invention. Comme l'illustre la figure 5, on dépose sur le cristal de GaP04, deux séries d'électrodes (SE-j ) et (SE2) en parallèle desquelles on dépose également deux autres séries d'électrodes (SE'-j ) et (SE'2), la surface (S) séparant (SE-| ) de (SE2) étant recouverte d'une couche sensible (C), la surface (S') située entre (SE'-] ) et (SE'2) restant en contact avec le milieu environnant. In order to avoid parasitic effects, linked for example to temperature fluctuations, or to aging problems, it is possible to integrate an internal reference at the level of the sensor according to the invention. As illustrated in FIG. 5, two sets of electrodes (SE-j) and (SE2) are deposited on the crystal of GaPO4, in parallel with which two other sets of electrodes (SE'-j) and ( SE'2), the surface (S) separating (SE- |) from (SE2) being covered with a sensitive layer (C), the surface (S ') located between (SE'-]) and (SE'2 ) remaining in contact with the surrounding environment.

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur chimique comprenant une couche sensible (C) et un transducteur à ondes acoustiques, caractérisé en ce que : - le transducteur comprend un cristal piézoélectrique de GaPθ4 ;1. Chemical sensor comprising a sensitive layer (C) and an acoustic wave transducer, characterized in that: - the transducer comprises a piezoelectric crystal of GaPθ4;
- la source sensible (C) résiste à des températures supérieures à environ 500°C et est adaptée à la détection de molécules de gaz de type CO, NOx.- the sensitive source (C) withstands temperatures above about 500 ° C and is suitable for the detection of gas molecules of the CO, NO x type .
2. Capteur chimique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la couche sensible (C) est de type oxyde semiconducteur simple tel que2. Chemical sensor according to claim 1, characterized in that the sensitive layer (C) is of the simple semiconductor oxide type such that
Snθ2, Tiθ2, ZrC>2, CeC>2, ln2θ3, Ga2θ3, SD2O5 ou oxyde semiconducteur ternaire de type oxyde mixte titaπate, molybdate.Snθ2, Tiθ2, ZrC> 2, CeC> 2, ln2θ3, Ga2θ3, SD2O5 or ternary semiconductor oxide of the mixed oxide type titaπate, molybdate.
3. Capteur chimique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le transducteur à ondes acoustiques comprend un élément de GaPθ4 dont deux faces opposées sont recouvertes au moins en partie d'électrodes, la couche sensible étant déposée sur au moins l'une des électrodes.3. Chemical sensor according to one of claims 1 or 2, characterized in that the acoustic wave transducer comprises a GaPθ4 element of which two opposite faces are covered at least in part with electrodes, the sensitive layer being deposited on at least one of the electrodes.
4. Capteur chimique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le transducteur est un transducteur à ondes de surface, comprenant un élément de GaPθ4 sur lequel sont déposées deux séries d'électrodes interdigitées, séparées par une surface (S) sur laquelle est déposée la couche sensible.4. Chemical sensor according to one of claims 1 or 2, characterized in that the transducer is a surface wave transducer, comprising an element of GaPθ4 on which are deposited two series of interdigitated electrodes, separated by a surface (S ) on which the sensitive layer is deposited.
5. Capteur chimique selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un film mince de GaPθ4, la couche sensible étant déposée à la surface du film, de manière à générer des ondes acoustiques type ondes de Lamb.5. Chemical sensor according to claim 4, characterized in that it comprises a thin film of GaPθ4, the sensitive layer being deposited on the surface of the film, so as to generate acoustic waves like Lamb waves.
6. Capteur chimique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le transducteur comprend une couche intermédiaire (C-| ) entre la couche sensible (C) et le cristal de GaPθ4, couche (C-| ) dans laquelle sont confinées les ondes acoustiques.6. Chemical sensor according to claim 4, characterized in that the transducer comprises an intermediate layer (C- |) between the sensitive layer (C) and the GaPθ4 crystal, layer (C- |) in which the acoustic waves are confined .
7. Capteur chimique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend en parallèles, sur le cristal de GaPθ :7. Chemical sensor according to one of claims 1 or 2, characterized in that it comprises, in parallel, on the GaPθ crystal:
- deux séries d'électrodes (SE-i ) et (SE2) séparées par une surface (S) sur laquelle est déposée la couche sensible (C) ; - deux séries d'électrodes (SE'-| ) et (SE'2) séparées par une surface (S') identique à (S) en contact avec le milieu ambiant. - two sets of electrodes (SE-i) and (SE2) separated by a surface (S) on which the sensitive layer (C) is deposited; - two sets of electrodes (SE'- |) and (SE'2) separated by a surface (S ') identical to (S) in contact with the ambient medium.
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