Humidity effect on the response to ammonia of conductimetric sensors made of molecular materials
Effet de l'humidité sur la réponse à l'ammoniac de capteurs conductimétriques à base de matériaux moléculaires
Résumé
Many ammonia sensors are available but the consideration of the humidity effect is scarcely insured even by manufacturers. The aim of this thesis is to propose a conductimetric transducer capable tomeasure ammonia selectively, with enough accuracy for air quality control, in a variable humidity environment. To reach this goal, we used thin film resistors made of cobalt phthalocyanines as semiconductor. This study deals with thin films processing made by vacuum evaporation, solventcast and electrodeposition. Automated workbenches were developed to perform electrical measurements under argon and to study the response of sensors to dry or humid ammonia by meansof 1 min / 4 min-long exposure / recovery cycles. From those cycles, relative responses are calculated to obtain values proportional to ammonia concentrations. The humidity and ozone effects are also studied independently as well. Ammonia / humidity cross sensitivity tests are made with four different resistors exposed to ammonia concentration in a 25-90 ppm range and in a 0-80%relative humidity range, under ambient temperature. Two of them, a cobalt phthalocyanine (CoPc)resistor and a hybrid resistor made of sulfonated cobalt phthalocyanine / polypyrrole (s-CoPc/PPy)gave interesting results.CoPc allows to discriminate 25, 45 and 90 ppm ammonia concentrations under 20-60% RH range,with a relative response of 40% at 45 ppm. Moreover, even if the RRs at 80% RH shift slightly, it isstill possible to discriminate the different concentrations.s-CoPc / PPy is less sensitive to ammonia but its study allowed to show that adding phthalocyaninein a PPy matrix enhances the sensitivity of this material and gives a RR of 3.3% at 45 ppm.However, the covered humidity range is larger, from 20 to 80% RH. Thus, this study allows to compare molecular materials and estimate their potential for air quality control applications with different humidity levels
De nombreux capteurs d'ammoniac existent, mais la prise en compte de l'effet de l'humidité sur la mesure capteur est rarement assurée, y compris chez les fabricants. L'objectif de cette thèse est de proposer un transducteur conductimétrique capable de mesurer le taux d'ammoniac de façon sélective, avec une précision suffisante, pour une application au contrôle de la qualité de l'air dans un environnement à taux d'humidité variable. Le moyen employé pour atteindre cet objectif est l'utilisation de résistors à base de phtalocyanines de cobalt, sous forme de films minces, comme matériaux semi-conducteurs. L'étude porte sur la mise en forme de ces films minces réalisés par évaporation sous vide, évaporation de solvant et électrodéposition. Des bancs de mesures automatisés ont été mis en place pour effectuer les mesures électriques sous argon et pour étudierles réponses à l'ammoniac sec ou humide en appliquant des cycles exposition / repos. A partir de ces cycles de 1 min et 4 min, des réponses relatives sont calculées pour obtenir des valeurs proportionnelles aux concentrations d'ammoniac. Les effets de l'humidité seule et de l'ozone ont également été étudiés. Des tests sur la sensibilité croisée ammoniac / humidité ont été réalisés sur quatre résistors différents, dans des gammes de concentration allant de 25 à 90 ppm et dans des gammes d'humidité allant de 0 à 80% d'HR, à température ambiante. Deux d'entre eux, un résistor de phtalocyanine de cobalt (PcCo) et un résistor hybride de phtalocyanine de cobalt sulfonée /polypyrrole (s-PcCo/PPy), ont donné des résultats particulièrement intéressants.PcCo permet de discriminer des concentrations de 25, 45 et 90 ppm d'ammoniac dans une gammede 20 à 60% d'HR, avec une réponse relative de 40% à 45 ppm. De plus, mêmes si les RRs à 80%d'HR divergent légèrement, la discrimination est toujours possible entre les différentesconcentrations de NH3.s-PcCo / PPy est moins sensible à l'ammoniac, mais son étude a permis de démontrer que l'ajout dephtalocyanine dans une matrice polypyrrole augmente la sensibilité de ce matériau. Il donne uneréponse relative de 3,3% à 45 ppm. Cependant, la gamme d'humidité couverte est plus large, allant de 20 à 80% d'HR.Cette étude a donc permis de comparer des matériaux et d'estimer leur potentiel pour des applications au contrôle de la qualité de l'air avec différents taux d'humidité
Origine : Version validée par le jury (STAR)