Cours de physico-chimie. appliquée aux capteurs L1PC. Marcel Carrère

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1 Cours de physico-chimie appliquée aux capteurs L1PC Marcel Carrère Livre support de ce cours «les capteurs en instrumentation industrielle» G. Asch et ses collaborateurs, aux éditions Dunod. Case 241, Equipe Plasma surface, laboratoire Physique des interactions ioniques et moléculaires Faculté des sciences de saint Jérôme Marseille cedex 20

2 PLAN DU COURS DE PHYSICO-CHIMIE DES CAPTEURS Introduction 1) qu est ce qu un capteur? 2) La chaîne de mesure 3) Les capteurs actifs a. Effet thermoélectrique b. Effet pyroélectrique c. Effet piézoélectrique d. Effet Seebeck, Peltier e. Effet d induction électromagnétique f. Effet photovoltaïque g. Effet photo électromagnétique (Hall) 4) les capteurs passifs 5) les erreurs de mesure 6) Etalonnage d un capteur 7) La sensibilité en régime statique 8) La sensibilité en régime dynamique 9) Temps de réponse 10) Conditionneurs de capteurs a. Montages potentiométriques b. Les ponts c. Les oscillateurs d. Le conditionnement en générale 11) Physique des semi-conducteurs a. La liaison chimique b. Notions de bandes d énergie c. Semi-conducteur intrinsèque d. Semi-conducteur extrinsèque type N ou P e. La jonction PN f. Caractéristique de la jonction (capacité de transition) 12) La diode à vide 13) Triode et plus 14) Les capteurs optiques a. Les photons et les équations de maxwell b. Photométrie c. Source de lumière d. Photo diode et photo transistor e. Cellule photovoltaïque f. Capteurs photoémissifs g. Fibre optique 15) Les capteurs de position 16) Les capteurs de déformation 17) Les capteurs de force 18) Les capteurs d accélération, vibration 19) Les capteurs de vitesse et de débit 20) Les capteurs de pression

3 a. Loi des gaz parfait b. Notions de mécanique des fluides c. Tube de pitot et de Bourdon d. Conversion de pression/déformation, force,thermique e. Le vide et le pompage f. Le pompage secondaire g. Jauge pirani h. Jauge Penning i. Jauge Bayard-Alpert j. Jauge Baratron 21) Les capteurs de rayonnement nucléaire a. Radionucléides b. Notions élémentaires de radioactivité c. Effet du rayonnement sur la matière d. Détecteur à ionisation (Geiger Muller) e. Détecteur à scintillation f. Détecteur à semi-conducteur

4 Introduction Ce cours s adressent à des étudiants de master, ce qui signifie que vous êtes motivés et que vos connaissances générales sont plus importantes que celles que vous aviez en Licence, BTS, IUT ou autres formations de premier cycle universitaire. J accepte que l on ne sache pas tout ce qui concerne la physique, l électromagnétisme, la transformée de Fourier, les circuits RLC et les nombres complexe, la thermodynamique et la physique des semi-conducteurs mais je n admets pas que l on ne fasse pas l effort de savoir. Etre en master, c est commencer à prendre de l autonomie intellectuelle, c est surtout prendre du temps afin de combler ses lacunes surtout quand les enseignants les pointent avec patience. Alors bon travail car le cours suivants demande un champ de connaissance très large en physique et chimie, je donnerai un maximum de notions en reprenant toutes les bases voire les fondements, mais rien ne remplacera le travail personnel afin de bien maîtriser tous les outils de ce cours passionnant. Ce support de cours n est pas exhaustif mais il retrace les chapitres essentiels que nous allons aborder et développer, bon travail à tous. 1) qu est ce qu un capteur? Le monde qui nous entoure est rempli de matière et cette matière comme vous le savez est faire d atomes. Pour recueillir des informations vitales chacun de nous a développé des antennes, des capteurs qui permettent de communiquer avec le milieu extérieur. Pour obtenir des informations locales du milieu extérieur, le corps a donc un certain nombre de capteur et il est bon d en faire l inventaire afin de comprendre la multiplicité et la complexité des capteurs. Je trouve que l on peut prendre comme définition «fournir des informations capitales à un système» ou «transformer des grandeurs physiques en signal utile». Observons comment et combien de capteurs nous possédons sans faire un cours de médecine. Les yeux (signaux électromagnétiques dans le domaine du visible) Les oreilles (signaux sonores) Le nez (molécules aromatiques) La peau (chaleur, touché) Langue (chaleur, acidité, amertume, sucré, salé) Dents (chaleur, texture et fonctions mécaniques) 2) La chaîne de mesure Il est évident que du capteur à l ordinateur, il y à une chaîne de mesure. Cette chaîne de mesure est constituée d une multitude de composants. Mais elle est toujours constituée d éléments de conversion (analogique ou numérique). Le capteur va transformer le mesurande en grandeur électrique. Le mesurande est la grandeur physique que nous désirons suivre, cela peut être la température, la pression, la viscosité, la vitesse de rotation, le PH, la radioactivité...ce capteur est alimenté donc il y a toujours une alimentation stabilisée, pour une bonne sensibilité un pont de Wheatstone est souvent utile le conditionnement du capteur est étudié dans un autre cours et donc nous ne nous étendrons pas ici. En électronique vous verrez comment le signal électrique est traité avec des amplis Opérationnels ou des transistors afin d être amplifié. Mais abordons ce capteur afin d en comprendre la dynamique interne

5 3) Les capteurs actifs Le principe du capteur actif est qu il fonctionne comme un petit générateur. Il est opposé au capteur passif dont le principe de fonctionnement est de type récepteur : résistif, capacitif ou inductif. Le capteur va donc opérer une conversion de l énergie, c'est-à-dire qu il transforme l énergie du mesurande : thermique, mécanique ou électromécanique en signal électrique. Nous allons décrire quelques propriétés des capteurs actifs. a. Effet thermoélectrique Un circuit formé de deux conducteurs de nature physico-chimique différente, dont les températures de jonctions T1 et T2 sont différentes. b. Effet pyro-électrique Certains cristaux, comme le sulfate de triglycine ont une polarisation électrique spontanée qui dépend de la température. Ils portent en surface des charges opposées, ce qui leur donne l aspect d un condensateur dont la polarisation est une fonction de la température c. Effet piézoélectrique L application d une contrainte sur un cristal va modifier ses propriétés microscopiques, sa maille cristalline et donc ses propriétés diélectriques. En faisant apparaître une f.e.m. donc des charges de signes opposées sur les faces contraintes, un des exemples de ce type de cristal est le quartz. d. Effet Seebeck, Peltier C est Seebeck (1820) qui découvert que le contact entre deux conducteurs donné une f.e.m. en fonction de la température de jonction. C est cet effet qui va nous donner les capteurs de température de type thermocouple. Une extension de cet effet est faite quelques années plus tard par un français Peltier qui utilise un courant afin de produire ou de capter de la chaleur. C est ce dernier qui a permis la fabrication de réfrigérateur (frigidaire). e. Effet d induction électromagnétique Tout conducteur plongé dans un champ magnétique va se voir affecté d une fem qui est proportionnelle à la variation de flux au cours du temps. Cet effet est très présent en hyperfréquence. f. Effet photovoltaïque L effet photoélectrique consiste à collecter des électrons éjecter par une électrode par des photons, nous avons donc un courant électrique proportionnel au flux de lumière. Nous voyons qu il s agit d un semi-conducteur en présence d un champ électrique (photo courant) ou une jonction PN dans laquelle des paires électrontrou sont créées puis collectées. La collection des paires va donner lieu à un courant proportionnel au flux lumineux. Remarque : Comme pour le premier effet que nous avons décris ce mécanisme est à effet de seuil. g. Effet photo électromagnétique (Hall) L effet Hall est la déviation de charges électriques, soumis à un champ magnétique statique transverse (force de Lorentz). Cette déviation s équilibre avec le champ

6 électrique et donne donc naissance à une différence de potentiel (ddp) proportionnel au courant et à l induction magnétique. 4) les capteurs passifs Il s agit principalement d impédances (complexe). Une impédance se décompose en contribution RL ou C et l une de ces contributions sera sensible au mesurande. Par exemple nous avons pour la résistance le facteur géométrique L/S et la résistivité intrinsèque du matériau. Nous allons devoir distinguer entre la déformation du capteur et la modification de sa résistivité. On voit apparaître la notion de corps d épreuve ou de capteurs composites. Le capteur (la partie sensible) ne représente qu une infime partie de l ensemble. Par exemple l allongement d une barre sera lié au capteur collé sur cette barre et dont son impédance est directement une fonction de son allongement et vise versa. Le capteur est lié à la barre qui est le corps d épreuve, l ensemble présente la technique de mesure même si parfois on peut considérer que le seul capteur est le dispositif, sur un arbre de bateau 5 mètres de long et 1 m de diamètre le capteur collé semblera tout petit. Le cas précédent semble évident mais pour la mesure de la pression il faut coller un capteur sur une membrane qui se déforme, l ensemble du capteur est donc la membrane plus le dispositif collé permettant de mesurer la déformation. Ensuite il faut bien sur étalonner la relation entre pression et déformation. 5) les erreurs de mesure 6) Etalonnage d un capteur 7) La sensibilité en régime statique 8) La sensibilité en régime dynamique 9) Temps de réponse 10) Conditionneurs de capteurs a. Montages potentiométriques b. Les ponts c. Les oscillateurs d. Le conditionnement en générale 11) Physique des semi-conducteurs a. La liaison chimique b. Notions de bandes d énergie c. Semi-conducteur intrinsèque d. Semi-conducteur extrinsèque type N ou P e. La jonction PN f. Caractéristique de la jonction (capacité de transition) 12) La diode à vide 13) Triode et plus

7 14) Les capteurs optiques a. Les photons et les équations de maxwell b. Photométrie c. Source de lumière d. Photo diode et photo transistor e. Cellule photovoltaïque f. Capteurs photoémissifs g. Fibre optique 15) Les capteurs de position 16) Les capteurs de déformation 17) Les capteurs de force 18) Les capteurs d accélération, vibration 19) Les capteurs de vitesse et de débit 20) Les capteurs de pression a. Loi des gaz parfait b. Notions de mécanique des fluides c. Tube de Pitot et de Bourdon d. Conversion de pression/déformation, force,thermique e. Le vide et le pompage f. Le pompage secondaire g. Jauge pirani h. Jauge Penning i. Jauge Bayard-Alpert j. Jauge Baratron 21) Les capteurs acoustiques a. Vitesse du son dans les solides b. Vitesse du son dans les liquides c. Vitesse du son dans les gaz parfaits d. Les microphones 22) Les capteurs de rayonnement nucléaire a. Radionucléides b. Notions élémentaires de radioactivité c. Effet du rayonnement sur la matière d. Détecteur à ionisation (Geiger Muller) e. Détecteur à scintillation f. Détecteur à semi-conducteur 23) Les capteurs électrochimiques 24) Les capteurs d humidité 25) Les capteurs de composition gazeuse