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الجمهورية الجزائرية الديمقراطية الشعبية REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET P

الجمهورية الجزائرية الديمقراطية الشعبية REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE وزارة التعليم العالي والبحث العلمي MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE جامعة محمد بوضياف- المسيلة UNIVERSITE MOHAMED BOUDIAF - M’SILA كلية التكنولوجيا FACULTE DE TECHNOLOGIE قسم اإللكتــــرونيك DEPARTEMENT D’ELECTRONIQUE MEMOIRE DE MASTER DOMAINE : SCIENCES ET TECHNOLOGIE FILIERE : Electronique OPTION : Instrumentation et Maintenance Industrielle THEME Proposé et dirigé par : Réalisé par : Dr. GUERMAT Noubeil BARKATI billal N° D’ordre: 2016/IMI11/89/385 PROMOTION: JUIN 2016 Contribution à l’étude de la réponse du capteur d’humidité Je dédie ce fruit de mes années d’études aux plus chers au monde à : A la personne la plus chère pour moi dans ce monde, ma mère qui est la fleur de ma vie, le symbole de l’amour et la tendresse qui s’est sacrifier pour mon bonheur et ma réussite. A mon père qui a fait de moi, ce que je suis aujourd’hui. A mes chers frères A mes sœurs A tous mes amis de la résidence. Sans oublier les étudiants (es) de la promotion 2016. Billal barkati Dédicace Au nom de Dieu clément et miséricorde Dieu le grand merci lui revient, pour son aide et la volonté qu’il nous a donné pour surmonter tous les obstacles et les difficultés durant nos années d’études et de nous avoir éclairé notre chemin afin de réaliser ce modeste travail. Je remercie également les membres de jury d'avoir accepté de juger ce modeste travail. A Monsieur N. Guermat, qu’il me soit permis de le remercier et de lui exprimer ma profonde reconnaissance pour son aide et ses encouragements au cours de ce travail, ses précieux conseils et la confiance dont il a fait preuve à mon égard et surtout pour le sujet intéressant qu’il m’a proposé. Je tiens à exprimer ma gratitude à tous mes Enseignants. Finalement, je tiens à adresser notre très sincère remerciement à tous ceux qui m’aidé à accomplir ce travail. Billal barkati R RE EM ME ER RC CI IE EM ME EN NT T Sommaire SOMMAIRE Introduction générale 1 Chapitre I Les capteurs chimiques : principe de base et Généralités I.1- Introduction 4 I.2- Définition 4 I.2.1- L’élément sensible du capteur 5 a- Les oxydes métalliques 5 b- Les matériaux polymères 6 I.2.2- L’élément physique du capteur chimique (transducteur) 6 a- Transducteur mécanique 7 b- Transducteur thermique 9 c- Transducteur optique 10 d- Capteurs électrochimiques 11 I.3- Caractéristiques métrologiques des capteurs de gaz 16 I.3.1- Sensibilité 16 I.3.2- Sélectivité 16 I.3.3- Réversibilité 17 I.3.4- Stabilité – Fidélité 17 I.3.5- Temps de réponse 17 I.4- Conclusion 18 Chapitre II Etat de l’art : Capteurs d’humidité résistifs et capacitifs II. 1- Introduction 20 II.2- Capteurs d’Humidité 20 II.2.1- Air atmosphérique et air humide : définitions et propriétés 20 a- Air atmosphérique 20 b- Air humide 21 Sommaire II.2.2- Domaines d’utilisation des capteurs humidité 22 II.2.3- Matériaux utilisés dans la détection d’humidité 23 a- Les capteurs d’humidité à base d’un électrolyte 24 b- Les capteurs d’humidité à base de céramique 24 c- Les capteurs d’humidité à base de polymère organique 24 II.3- Elaboration du capteur d’humidité 25 II.3.1- Fabrication de la structure interdigitée 25 II.4 - Capteurs résistifs et capacitifs 25 a- Capteurs d’humidité résistifs 26 b- Capteurs d’humidité capacitifs 29 II.5- Principe de l’adsorption moléculaire 32 II.5.1- Mécanismes d’incorporation d’un gaz dans un solide 32 II.5.1.a- Adsorption, absorption et désorption 32 II.5.1.b- Adsorption à la surface d’un solide 33 a- Adsorption monocouche et adsorption multicouche 33 b- Adsorption physique et adsorption chimique 34 II.5.1.c- Isothermes d’adsorption 37 II.6- Polarisation, permittivité et relaxation diélectrique 39 II.7- Conclusion 41 Chapitre III Résultats et discussions III.1- Introduction 43 III.2- Modélisation de la diffusion : Loi de Fick 43 - Modèle théorique 43 III.3- Résultats 46 III.3.a- Évolution de la concentration des molécules d’eaux au sein de la couche sensible d’un capteur d’humidité 47 III.3.b- Évolution de la concentration des molécules d’eaux à l’intérieur du corps d’épreuve d’un capteur d’humidité en fonction du temps 47 III.3.c- Comparaison entre la cinétique de sorption théorique et la réponse temporelle du capteur 48 Sommaire III.3.d- Evolution de la concentration de molécules d’eau dans le volume de la couche sensible en fonction du taux d’humidité relative 50 III.3.e- Modélisation de la réponse électrique du capteur 51 a- Modélisation de la variation de la capacité 51 b-Modélisation de la variation de la résistance du capteur 54 III.3.f- Etude de l’influence de la longueur de l’interdigité sur la réponse de la capacité 57 III.3.g- Etude de l’influence de la largeur de l’interdigité sur la réponse de la capacité 58 III.4- Conclusion 59 Conclusion générale 61 BIBLIOGRAPHIE 63 Introduction Générale Introduction générale Instrumentation et Maintenance Industrielle : Master 2 Page 1 Introduction générale Les performances d’un capteur sont trop souvent basées, au niveau de la recherche académique, sur les seuls critères de sensibilité, sélectivité et stabilité. Cependant le temps de réponse à une augmentation de concentration de l’espèce cible et le temps de réponse à une diminution symétrique de concentration de celle-ci, encore appelé temps de recouvrement ou temps de retour à la ligne de base, sont des paramètres qui peuvent s’avérer tout aussi critiques dans l’évaluation globale des caractéristiques d’un capteur, notamment pour des applications commerciales. Les temps de réponse et de recouvrement publiés dans la littérature et dans les notices commerciales sont des données expérimentales qui incluent automatiquement les retards liés aux systèmes de distribution des gaz notamment le débit et le volume de la cellule de mesures dans laquelle est situé le capteur. Même si ces retards peuvent dans des cas très particuliers être réduits à quelques millisecondes, ils ne peuvent jamais être totalement supprimés. Il est donc primordial de pouvoir estimer quelle part du temps de réponse/recouvrement provient du système de distribution avant de tirer des conclusions souvent trop hâtives sur ce que nous appellerons dans cette mémoire le temps de réponse d’un capteur d’humidité, dépendant des conditions expérimentales et gouverné par des considérations essentiellement cinétiques d’absorption/désorption et de diffusion du gaz dans la couche sensible du capteur. Pour cela, la détection ainsi que l’évaluation de l’activité d’une espèce chimique ou/et biochimique, présente dans les milieux biologiques ou dans l'environnement, nécessite au début de cette étude une proposition d’un modèle mathématique qui simule la diffusion des molécules d’eaux à l’intérieur du volume de la couche sensible. Le modèle mathématique tient en compte tout les paramètres influents sur le phénomène de diffusion. L’objectif de cette étude c’est d’élaborer un modèle mathématique à base de la loi de Fick qui régit l’évolution de la concentration des molécules d’eaux en fonction du temps et de la profondeur de la couche sensible lié aux conditions de distribution du gaz, essentiellement le débit et le volume de l’enceinte de mesure, qui sont fournie à partir des résultats pratique. Cette mémoire est structurée en trois chapitres et une conclusion générale. Dans le premier chapitre, nous commencerons par les généralité sur les capteurs chimiques, nous présenterons ensuite les différents composants d’un capteur chimique et son principe de fonctionnement. Puis nous décrivons les capteurs de gaz, les technologies du capteur de gaz disponibles et ses applications. Introduction générale Instrumentation et Maintenance Industrielle : Master 2 Page 2 Dans le deuxième chapitre, nous présentons quelques notions sur les capteurs d’humidité. Des généralités sur les différents types des couches sensibles utilisées pour la détection des molécules d’eau . les différents principes d’absorption des molécules de gaz seront également présentées. Dans le troisième chapitre, nous essayerons de présenter les résultats de la modélisation de la structure développée afin de prédire son fonctionnement et à posteriori d’optimiser son efficacité. Nous nous sommes d’abord intéressés à la problématique de l’évolution temporelle de la diffusion des molécules d’eau dans la couche sensible. Finalement nous présentons les résultats théoriques issus d’un modèle existant dans la littérature. Nous terminerons se mémoire par une conclusion générale et quelques perspectives. Généralités sur les capteurs chimiques Chapitre I Chapitre I Généralités sur les capteurs chimiques Instrumentation et Maintenance Industrielle : Master 2 Page 4 I.1- Introduction Ces dernières années, la demande en méthodes de détection d’espèces chimiques et plus particulièrement d’espèces gazeuses a considérablement augmentée. Cet intérêt est essentiellement dû aux considérations environnementales, de sécurité, de contrôle de procédés ou de rejets industriels. Les capteurs chimiques sont destinés à entrer en jeu au sein des dispositifs permettant le contrôle et la régulation de processus industriels, le contrôle sécurité et la surveillance de la qualité de l’air. De plus, leur petite taille, leur facilité d’utilisation ou encore la possibilité qu’ils offrent de réaliser des mesures sur site en font des outils particulièrement intéressants. Ce chapitre commencera par une généralité sur les capteurs chimiques ainsi que les différentes méthodes de transduction utilisées dans la conception des capteurs chimiques, nous présentons ensuite les différents composants d’un capteur chimique et son principe de fonctionnement. Puis nous décrivons le principe de fonctionnement des capteurs à base des structures interdigités (IDS). I.2- Définition Nous avons plusieurs définitions et terminologies concernant le capteur chimique; d’une façon générale, un capteur chimique est un outil analytique qui uploads/Geographie/ memoire-de-master-theme.pdf