Conception et élaboration d'un capteur optique à ondes guidées pour la détection d'espèces chimiques

par Thomas Mazingue

Thèse de doctorat en Optique, électromagnétique et image

Sous la direction de François Flory et de Ludovic Escoubas.

Soutenue en 2005

à Aix-Marseille 3 .

mots clés

• Guides d'ondes optiques
• Réfractométrie
• Adsorption
• Absorption
• Capteurs optiques

Résumé

Le travail de thèse a consisté à élaborer un nouveau type de capteur utilisant la technique des "m-lines" pour détecter la variation d'indice de matériaux sensibles aux gaz déposés en couches minces. En effet, la variation de conductivité d'un matériau sensible utilisé dans les capteurs à oxyde métallique s'accompagne d'une modification de son indice de réfraction lorsqu'il est exposé à un gaz. La littérature a permis d'identifier certains matériaux susceptibles d'être sensibles au butane, au propane et à l'ozone. Ces matériaux ont été déposés et caractérisés afin d'optimiser leurs propriétés optiques, morphologiques et leur sensibilité au gaz. Un banc de test a été réalisé pour la mesure de la sensibilité aux gaz en fonction de la concentration de gaz et de la température (jusqu'à 100°C). Un démonstrateur de principe de capteur a été développé à l'aide d'un réseau coupleur. La détection optique du butane et du propane, dans la gamme 100 à 1000 ppm a été validée.

Titre traduit

Conception and elaboration of an optical waveguide sensor for chemical species detection

Résumé

Metal oxide sensors are widely used for chemical species detection. They are based on the electric conductivity variation measurement of a thin semiconductor layer subjected to the target gas exposure. It has been proved that the conductivity variation is linked to a modification of the refractive index of the material. This work deals with the study of a new type of gas sensor based on the measurement of refractive index variations of a sensitive film. Sensitive materials for specific gas detection (butane and ozone) have been identified in the literature. They have been deposited and characterised by various methods to enhance their optical and morphological properties for an optimal gas sensitivity. Sensitivity and selectivity to other gases as function of gas concentration and working temperature have been studied. Integration of optical elements has lead to the realisation of an industrial demonstrator.