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RÉPUBLIQUE ALGÉRIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTÈRE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

RÉPUBLIQUE ALGÉRIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTÈRE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITÉ CONSTANTINE 1 FACULTÉ DES SCIENCES DE LA TECHNOLOGIE Département d’Électronique N° d’ordre : Série : THÈSE Présentée pour obtenir le diplôme de Doctorat 3ème cycle LMD en Électronique OPTION Systèmes, procédés et dispositifs pour l’électronique médicale Par Mme. Boutamine Meriem THEME Soutenue le : 25/06/2014 Devant le jury : Professeur à l’Université de Constantine 1 Professeur à l’Université de Constantine 1 Président : S. REBIAI Rapporteur : A. BELLEL Examinateurs : A.TELIA Professeur à l’Université de Constantine 1 S.TOUMI Professeur à l’Université Badji Mokhtar Annaba A.BOULOUFA Professeur à l’Université de Setif 1 Invitée : H. SAIDANI Senior Lecturer and Director of studies abroad University of Bristol, UK ETUDE ET CARACTERISATION D’UN CAPTEUR CHIMIQUE A BASE DE COUCHES MINCES Dédicaces Je dédie cette thèse de doctorat A ma très chère mère source d’amour, de ma réussite et de mon courage que dieu me la garde. A mon cher mari pour son soutien et ces encouragements. A ma grand-mère que Dieu me la garde. A mes très chères frères Mouhamed Abdou et Omar. A ma très chère sœur Linda. A ma belle sœur Imene. A mon oncle Saad Eli A toute ma famille et ma belle famille. A tous mes amis. Remerciements Avant tout, à DIEU tout puissant pour la volonté, la santé et la patience qu’il m’a donné durant toutes ces années d’études afin que je puisse arriver à ce stade. Je tiens à exprimer ma profonde gratitude à Monsieur le Professeur AZZEDINE BELLEL, de l'Université de Constantine 1 pour m’avoir proposé le sujet à l’origine de cette thèse. Je le remercie d’avoir accepté de diriger celle-ci, ainsi que pour ses nombreux conseils et suggestions scientifiques. Je n’oublierai pas de remercier Monsieur SALAH SAHLI, Professeur à l’Université de Constantine 1 pour son aide, son accueil et la confiance qu’il m’a accordé dans son laboratoire, et de m’avoir permis de poursuivre mes travaux de thèse au sein de son laboratoire Microsystèmes et Instrumentations LMI. Mes remerciements vont également à Madame le Professeur SAIDA REBIAI , de l'Université de Constantine 1, pour le grand honneur qu'elle me fait en présidant le jury de cette thèse. Je remercie également Monsieur le Professeur AZZEDINE TELIA, de l’Université de Constantine 1, Monsieur SALAH TOUMI, professeur à l’Université de Badji Mokhtar, Annaba et Monsieur le Professeur ABDESLAM BOULOUFA, de l’Université de Sétif 1, pour avoir accepté de faire partie de mon jury de thèse. Je remercie Madame HIND SAIDANI SCOTT, de l’Université de Bristol, pour son accueil au sein de son laboratoire, je voudrais également remercier Monsieur le Professeur MERVYN MILES, directeur du centre Nanoscience and Quantum Information (NSQI), Université de Bristol de m’avoir permis d’utiliser les différentes techniques de caractérisations morphologiques. En même temps, je veux remercier ALLY STRACHAN et PETER DUNTON pour leurs conseils et leur aide dans l’utilisation de l’AFM et du SEM. Je remercie chaleureusement Monsieur SMAIL MOUISSAT Chargé de Cours au Département d’Electronique, de l’Université de Constantine 1, pour son aide tant appréciable et bénéfique. Je remercie également Mademoiselle ZAHIRA ZIARI Maitre de conférences au Département d’Electronique, de l’Université de Constantine 1, pour précieux conseils. Mes remerciements vont aussi vers tous les membres de l’équipe "Plasma" du LMI qui m’ont beaucoup facilité le travail et qui m’ont merveilleusement accueillie parmi eux. J’adresse enfin ma reconnaissance, à tous ceux qui ont de près ou de loin, contribué à l’élaboration de cette thèse. Sommaire INTRODUCTION GENERALE 1 Références bibliographiques de l’introduction 5 Chapitre I : Etude bibliographique I. Introduction 7 II. Les composés organiques volatils 8 II.1. Définitions hétérogènes 8 II.2. Sources des Composés organiques volatils 9 II.3. Impact des composés organiques volatils 10 II.3.1. Effets sur la santé humaine 10 II.3.2. Effets sur l’environnement 12 II.4. Principales méthodes de détection des composés organiques volatils (COV) 12 II.4.1. Chromatographie en phase gazeuse 12 II.4.2. Spectrométrie de masse 12 II.4.3. Spectrométrie d’absorption 13 II.4.4. Méthodes colorimétriques 13 III. Les capteurs chimiques 13 III.1. Définition 13 III.2. Caractéristiques d’un capteur 13 III.2.1. Sensibilité 14 III.2.2. Sélectivité 14 III.2.3. Stabilité 14 III.2.4. Réversibilité 14 III.2.5. Reproductibilité 14 III.2.6. Limite de détection 15 III.2.7. Temps de réponse et de recouvrement 15 III.3. Structure d’un capteur chimique 15 III.3.1. La couche sensible 16 III.3.2. Les transducteurs 18 III.4. Les différents types des capteurs 19 III.4.1. Capteurs électrochimiques 19 III.4.2. Capteurs optiques 21 III.4.3. Capteurs mécaniques 23 III.4.3.1. Principe de génération d’ondes élastiques 23 III.4.3.2. Principe de détection 24 III.4.3.3. Capteurs à ondes de surface SAW 25 III.4.3.4. Capteur a onde de volume BAW 26 III.4.3.5. Modèle de Sauerbrey d'un QCM oscillant 29 III.4.3.6. Couches sensibles et gaz 31 III.4.3.7. Mécanisme d’incorporation d’un gaz 33 Conclusion 34 Références bibliographiques du chapitre I 35 Chapitre II : Techniques Expérimentales I. Introduction 44 II. Elaboration du capteur a gaz 44 II.1. Réactifs et matériels utilisés 44 II.2. Recouvrement des électrodes du QCM par la technique PECVD 45 II.2.1. La polymérisation par plasma 45 II.2.2. Principe de la PECVD 45 II.2.3. Dispositif expérimental de dépôt des films étudiés 46 II.2.4. Différents monomères utilisés pour le dépôt des films étudiés 48 III. Système de détection de molécules organiques volatiles 49 III.1. Dispositif expérimental 49 IV. Techniques de caractérisation des couches déposées 50 IV.1. Spectroscopie Infrarouge a Transformé de Fourrier « FTIR » 50 IV.1.1. Principe de la spectroscopie infrarouge 51 IV.2. Angle de contact 54 IV.2.1. Principe 54 IV.3. Le microscope à force atomique (AFM) 55 IV.3.1.Principe de l’AFM 57 IV.3.2. Les forces mises en jeux entre la sonde et la surface d’un échantillon 58 IV.3.3. Les différents modes utilisés 58 IV.4. Le microscope électronique à balayage (MEB) 59 IV.4.1. Principe de fonctionnement 59 Conclusion 62 Références bibliographiques du chapitre II 63 Chapitre III : Résultats expérimentaux I. Introduction 65 II. Etude de l’effet du mélange monomère/ oxygène sur les caractéristiques du capteur 66 II.1.Les cinétiques des réponses des capteurs envers la présence des VOCs 66 II.2.Etude de la sélectivité et de la reproductibilité des capteurs élaborés 69 II.3.Etude du temps de réponse et de recouvrement 72 II.4. Stabilité de capteur 73 II.5. Influence de l’humidité sur la réponse des capteurs 74 II.6.Analyse structurale et morphologique des films élaborés à partir du mélange HMDSO/O2 75 II.5.1. Variation de l’angle de contact en fonction du taux d’oxygène 76 II.5.2. Analyse Structurale 77 II.5.3. Analyse AFM 82 II.5.4. Analyse SEM 84 II.5.5. Discussions des résultats 86 III. Etude de l’effet de la pression du monomère sur les caractéristiques du capteur 87 III.1. Les cinétiques des réponses des capteurs envers la présence des VOCs 87 III.2. Sélectivité et reproductibilité des capteurs élaborés 89 III.3.Etude du temps de réponse et de recouvrement 91 III.4. Stabilité des capteurs élaborés 92 III.5. Influence de l’humidité sur la réponse des capteurs 93 III.6. Analyse structurale et morphologique des films élaborés 95 III.6.1. Variation de l’angle de contact en fonction de la pression partielle du précurseur 95 III.6.2. Analyse FTIR 96 III.6.3. Analyse AFM 98 III.6.4. Analyse SEM 100 IV. Etude de l’effet de la nature du monomère sur les caractéristiques du capteur 102 IV.1. Variations de la réponse maximale en fonction de la concentration pour différents types de monomère 102 IV.2. Analyse FTIR 104 IV.3. Analyse morphologique 105 Conclusion 108 Références bibliographiques du chapitre III 109 CONCLUSION GENERALE 112 INTRODUCTION GENERALE Introduction générale Introduction générale Les Composés organiques volatils (COV) constituent une famille de substances très vaste qui s'évaporent facilement dans des conditions normales de température et de pression et se trouvant par conséquent souvent à l'état gazeux. Ce sont, en majeure partie, des hydrocarbures, des solvants et des composés organiques divers d'origine naturelle ou humaine (industrielle ou agricole)[1-2]. L'extrême volatilité des COV leur confère l'aptitude à diffuser à distance de leur source d'émission, entraînant ainsi des impacts directs et indirects sur les écosystèmes et la santé humaine. Les impacts directs des COV sur la santé font principalement suite à leur inhalation [3]. Les COV peuvent provoquer des irritations cutanées, oculaires, respiratoires, des maux de tête, des troubles cardiaques, digestifs, rénaux, hépatiques et du système nerveux central comme des troubles de la vision et de la parole, des problèmes de concentration ou de mémoire. Certains COV ont également des propriétés cancérigènes (benzène, formaldéhyde) [4-5]. La détection ainsi que l'évaluation de l’activité d’une espèce chimique présente dans l'environnement, nécessite de disposer des moyens d'analyses très performants et souvent couteux [6-7]. Une alternative consiste à concevoir des dispositifs possédant des caractéristiques équivalentes en termes de fiabilité, simplicité, rapidité, sélectivité ceci à moindre cout.La convergence de différentes disciplines telles que la chimie, la physique et la microélectronique, a mis en valeur un nouvel espace scientifique en plein essor ces dernières années, c'est le domaine des capteurs chimiques. C'est un champ de connaissance et d'application très vaste ouvrant de nouvelles voies dans la recherche fondamentale et appliquée. Les capteurs chimiques, issus des techniques de la microélectronique permettent d'envisager des productions massives pouvant ainsi constituer une alternative prometteuse.Les capteurs chimiques sont des dispositifs souvent simples et compacts transformant la réaction chimique uploads/Litterature/ bou6576.pdf