[Photo : © CNRS]
Les technologies Microsystèmes, issues des procédés de la microélectronique, se développent à grande échelle dans de nombreux secteurs industriels, techniques et scientifiques. Les composants originaux provenant de ces développements possèdent de plus en plus d'intelligence associée tout en réduisant leur taille et dimensions. Les procédés de fabrication, en technologie collective, permettent également de produire à grand volume tout en assurant qualité et reproductibilité.
Les technologies Microsystèmes au service de la mesure physico-chimique
Dans le domaine de la mesure physico-chimique, NéoSENS, en collaboration étroite avec les équipes du LAAS-CNRS à Toulouse, a développé et acquis un savoir-faire technologique.
[Photo : Sonde numérique RS232 d'oxygène dissous (MDO) intégrant la puce-capteur néoxy™ développée en technologies Microsystèmes. Produit haut de gamme avec l’électronique de mesure et de transmission embarquée dans le corps de sonde (en inox 316L et IP68).]
Logique particulier dans le domaine des capteurs.
La première réalisation issue de ce savoir-faire, est une “puce-capteur” intelligente dédiée à la mesure de l’oxygène dissous pour des applications principalement environnementales et industrielles.
Les microsystèmes et la mesure de l’oxygène dissous
En s'appuyant sur les principes éprouvés de la détection électrochimique (forte sensibilité, forte sélectivité, capacité de mesure dans le domaine des traces et ultra-traces) et en résolvant les problèmes de fiabilité de production, de complexité d'utilisation et de maintenance, NéoSENS a développé et commercialise une nouvelle gamme de capteurs d'oxygène dissous issus d'une véritable rupture technologique.
La “puce-capteur” d’oxygène dissous développée par NéoSENS, baptisée néoxy™, repose sur un principe de mesure électrochimique de type galvanique (pile de Hersch) où l'oxygène dissous, présent dans le milieu de mesure, est spontanément réduit à la surface de la cathode provoquant ainsi la création d’un courant directement proportionnel à la teneur en oxygène.
La forte innovation et la rupture technologique reposent sur l’emploi et la mise en œuvre des technologies Microsystèmes pour assurer la fabrication et la production des puces néoxy™. Les nombreux avantages qui en découlent résident principalement dans l'obtention d’un composant de mesure interchangeable (pas de régénération donc une maintenance ultra-allégée), fiable et précis (durée de vie de 6 à 12 mois selon les applications et capacité de détection dans le domaine des traces et ultra-traces).
Principe et concept de maintenance ultra-allégée et simplifiée
L’apport des technologies Microsystèmes dans le développement de capteurs en général et des capteurs électrochimiques en particulier concerne, principalement, la maintenance. Ce qui constituait une limite forte et parfois un frein à l'utilisation des systèmes électrochimiques est résolu à présent par le développement du concept de capteur intelligent et interchangeable. Le capteur devient un composant qui se consomme et qui se change très simplement, en quelques secondes, quand il arrive en fin de vie (durée de vie variable selon les conditions d'utilisation et types d’applications).
Concernant la mesure d’oxygène dissous, le capteur néoxy™ est intégré dans une capsule en inox (tête de mesure) qui se visse et se dévisse en quelques secondes. Le remplacement d'un capteur usé est donc ultra-simplifié et le système est immédiatement opérationnel (pas de temps de polarisation).
Principe et concept de traçabilité totale
Le capteur est également doté d'une électronique spécifique de proximité lui conférant une capacité de mémorisation (non volatile) de numéros de série, de date de première mise en service et de l'historique complet et horodaté des 30 derniers étalonnages. Cette intelligence associée et spécifique à chaque capteur permet d’atteindre un niveau de traçabilité totale indispensable dans un processus rigoureux de qualité et/ou dans la nécessité de performances élevées (domaine des traces et ultra-traces).
D'autre part, selon les systèmes proposés, la détection du changement de capteur est automatique (pas de pertes ni d’aberrations dans le flux de données et de mesure). Enfin, chaque capteur est automatiquement reconnu et identifié par le système, toute opération peut être ainsi parfaitement suivie et tracée.
Procédé de fabrication de la “puce-capteur” d’oxygène dissous néoxy™
La puce néoxy est intégrée sur silicium et sa fabrication et production s’effectuent, par conséquent, en salle blanche. La puce est composée de deux ensembles :
* Partie inférieure comportant les électrodes métalliques (cathode en or et anode en plomb), la cavité électrolytique et les connections électriques.
* Partie supérieure comportant la membrane semi-perméable et qui constitue donc l'interface de contact avec le milieu de mesure.
Il est à noter que, du fait de l'emploi de silicium (avec traitement nitrure), les structures...
[Photo : Dévisser.]
[Photo : Remplacer.]
[Photo : Revisser.]
tures obtenues sont particulièrement résistantes à tout type d’attaque chimique et sont donc particulièrement adaptées pour toute application aux conditions sévères (milieux industriels hostiles et/ou agressifs) comme le domaine pétrochimique par exemple.
Les dimensions globales du composant sont de 1 cm², la surface de la cathode varie de 0,03 à 0,80 mm² selon les modèles pour répondre à toutes les applications. En effet, les cathodes de faibles dimensions sont destinées aux applications à haute teneur et les cathodes de grande dimension sont préférées pour la mesure et la détection des traces et ultra-traces d’oxygène dissous.
Le substrat de base est un wafer (disque) de silicium 4 pouces (poli simple face d’épaisseur 525 µm). Dans ces conditions, il est ainsi possible d’intégrer et de réaliser sur le même wafer 50 puces-capteurs.
Les principales étapes du procédé de fabrication de la partie inférieure sont :
- la création de la cavité électrolytique par gravure KOH,
- la réalisation des pistes électriques enfouies par dépôt CVD de polysilicium,
- la réalisation de la cathode (Au) par pulvérisation cathodique,
- et la réalisation de l’anode (Pb) par dépôt électrochimique en milieux aqueux.
Les principales étapes du procédé de fabrication de la partie supérieure sont :
- la réalisation de l’ouverture par gravure KOH,
- le report et le collage de la membrane semi-perméable.
À la fin du procédé, les parties inférieures et supérieures sont découpées avec une scie diamantée et sont stockées sous flux inerte d’azote avant de procéder à l’assemblage final et à l’intégration.
Le dépôt électrochimique de plomb a été spécifiquement développé et adapté à notre besoin afin de répondre aux exigences. Le plomb déposé est parfaitement adhérent, compact et d’une grande pureté assurant ainsi un fonctionnement idéal de la pile et du capteur.
[Photo : Partie inférieure (1 cm²).]
[Photo : Partie supérieure.]
[Photo : Puce assemblée (avant intégration).]
Capteurs, sondes et systèmes de mesure de l’oxygène dissous
Autour du développement de la puce-capteur d’oxygène dissous néoxy™, NéoSENS a développé un ensemble complet de sondes et systèmes de mesure afin de répondre aux besoins des utilisateurs :
Toutes ces solutions de mesure, standard ou spécifiquement développées, retiennent le même principe de maintenance allégée et d’utilisation simplifiée. Les sondes sont de construction robuste en inox 316L ou 258SMO pour assurer un fonctionnement en conditions sévères et/ou subissant de nombreuses manipulations. Dans la plupart des cas, l’absence de transmetteur (intégration de l’électronique de mesure et de traitement dans le corps de sonde, au plus près du capteur) facilite l’installation et la mise en route. L’ensemble des protocoles de communication reste parfaitement compatible avec l’en-
[Photo : Images microscope à balayage (MEB) – Caractérisation du plomb – Vue de dessus.]
[Photo : Images microscope à balayage (MEB) – Caractérisation du plomb – Vue en coupe.]
FLOW-PROCESS SIMPLIFIÉ – Partie inférieure
La cavité électrolytique
- Nitruration 1000 Å
- Photolithographie
- Gravure humide du nitrure
- Gravure KOH
- Photolithographie
- Gravure humide du nitrure
- Gravure KOH
Les pistes électriques enfouies (amenées de courant)
- Oxydation 5000 Å
- Dépôt de polysilicium
- Photolithographie
- Gravure sèche du polysilicium
Cathode et plots de contacts
- Nitruration 1000 Å
- Photolithographie contacts
- Dépôt métallique Au
- Photolithographie
- Gravure humide de l’or
- Dépôt de la résine « structurelle »
Anode
- Photolithographie cathode
- Dépôt électrochimique de plomb
Légende : Oxyde – Or – Nitrure – Résine – Polysilicium – Plomb
Les sondes de mesures (analogiques et numériques) peuvent être entièrement immergées, adaptées en chambre de circulation mais également insérées sur les circuits hydrauliques.
Au-delà des innovations technologiques pour le développement de l’élément sensible, NéoSENS a également innové dans le domaine des fonctionnalités des systèmes proposés en étant et restant toujours à l’écoute des besoins du marché.
La gamme néolys™, pour la mesure portable de la teneur en oxygène dissous, repose sur l’utilisation d’un PalmPilot® (PDA durci et renforcé pour la gamme néolys-R™) doté d’un logiciel spécifiquement développé afin de représenter graphiquement les variations de la teneur en oxygène dissous et de température lors d’une campagne de mesure. Les données et mesures peuvent être également annotées et intégralement enregistrées sur le PDA.
Une synchronisation avec l’ordinateur de bureau permet alors d’éditer un rapport automatisé des campagnes et audits effectués. D’autre part, la possibilité d’exporter sous tout autre format les données reste entière. Ainsi, la préparation, l’analyse, la rédaction et l’archivage de rapports de mesure s’en trouvent simplifiés et deviennent beaucoup plus conviviaux et rapides. Les produits NéoSENS trouvent leurs applications aussi bien dans le domaine de l’Environnement (milieux naturels, eau potable, stations d’épuration, assainissement) que dans le domaine industriel pour le contrôle de la corrosion (énergie), la surveillance et le pilotage des procédés (pétrochimie) et agroalimentaire (vins, bière).
Puce-capteur néolys™ Sonde numérique Système fixe
Sonde analogique Système autonome – Système de télétransmission (IP, Web)
Synthèse et conclusion
Les technologies Microsystèmes constituent une voie nouvelle de développement technique pour la réalisation de capteurs physico-chimiques. Elles permettent, à la fois, d’en réduire les coûts et d’en améliorer les performances.
NéoSENS se spécialise, à la croisée des domaines de l’instrumentation physico-chimique et des technologies Microsystèmes, dans la production et le développement de nouveaux capteurs. Les innovations sont technologiques et fonctionnelles.
La mesure de l’oxygène dissous constitue un domaine d’activité fort de NéoSENS qui développe actuellement les nouveaux capteurs de demain pour la mesure et la détection des biofilms, des pesticides, des nitrates et des ions avec un niveau de performance et de coût en rupture avec l’existant.
[Photo : Vue d’ensemble du système néolys™]
[Photo : Sur le terrain comme au laboratoire, l’analyseur portable d’oxygène dissous et de température permet de réaliser un ensemble complet de sessions de mesure immédiatement exploitables sur son ordinateur de bureau.]
