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Electrochemical sensors are one of the most direct ways to convert the chemical composition of a gas into measurable electric signals. As such, they have been widely investigated and are now one of the most common detection solutions. However, they are often based on YSZ electrolyte, which implies high working temperatures (600°C).In order to build a sensor cell which could operate at lower temperature (300°C), deposition parameters of Bi4V2O11 and BITAVOX (Bi2TaxV1-xO5.5) electrolytes by the mean of reactive magnetron sputtering (PVD) were investigated. The impact of film thickness and that of tantalum substitution rate on the V site on structural and conduction properties were determined.Then, two different kinds of cells were realised by depositing electrodes onto the electrolyte surface. The first one used dense platinum and LASCO (La1-x-yAgxSryCoO3) nanowires electrodes. Nevertheless, this sensor exhibited a rather complex behaviour at lowest temperatures. Then, gold and platinum electrodes were investigated, which led to a more simple response of the sensor. Furthermore, this response started at 200°C., Les capteurs de gaz électrochimiques sont l’un des moyens les plus directs pour convertir la composition chimique d’un gaz en signal électrique mesurable. A ce titre, ils ont été largement étudiés et font aujourd’hui partie des solutions de détection les plus courantes. Toutefois, ils sont souvent basés sur un électrolyte YSZ, ce qui implique des températures de travail élevées (600°C).Afin de pouvoir réaliser une cellule de capteur fonctionnant à plus basse température (300°C), les conditions de dépôt des électrolytes Bi4V2O11 et BITAVOX (Bi2TaxV1-xO5,5) par pulvérisation cathodique magnétron en conditions réactives (PVD) ont été étudiées. L’impact de l’épaisseur des films ainsi que celui du taux de substitution du vanadium par le tantale sur les propriétés structurale et de conduction ont été déterminés.Par la suite, deux types de cellules ont été réalisés en déposant des électrodes à la surface de l’électrolyte par PVD. Le premier utilise des électrodes de platine dense et de nanofils de LASCO (La1-x-yAgxSryCoO3). Néanmoins, le comportement de ce capteur aux plus basses températures est assez complexe. Aussi, des électrodes de platine et d’or ont ensuite été étudiées, amenant à une réponse plus simple et apparaissant dès 200°C.

In order to monitor the total NOx emission in car exhausts, a potentiometric gas sensor based on yttria-stabilized zirconia (YSZ) has been developed by screen-printing technology. It is shown that the use of a catalytic filter directly deposited on the sensing element can successfully eliminate the interferences coming from other reducing gas species in the automotive exhaust such as carbon monoxide (CO), hydrogen (H2), hydrocarbons (CxHy) and ammoniac (NH3). Furthermore, another advantage of the catalytic filter is its capacity to fix the NO/NO2 ratio according to the thermodynamic equilibrium. In that way, the sensor response is no longer dependent on the NO/NO2 ratio in the exhaust, but only dependent on the temperature. Finally, the application of a polarisation current can enhance considerably the selectivity and sensitivity of the sensor towards NO2.; Afin de contrôler l’émission totale des NOx dans l’échappement automobile, un capteur potentiométrique à base de zircone stabilisée à l’yttrium a été développé par la technique de sérigraphie. Il est montré que l’utilisation d’un filtre catalytique, déposé directement sur l’élément sensible, permet d’éliminer les interférences venant d’autres gaz réducteurs dans l’échappement, en particulier monoxyde de carbone (CO), hydrogène (H2), hydrocarbures (CxHy) et ammoniac (NH3). En plus, il est possible de fixer avec le filtre catalytique le rapport NO/NO2 correspondant à l’équilibre thermodynamique. Par conséquent la réponse du capteur n’est plus dépendante du rapport NO/NO2, mais seulement de la température. De plus, la sensibilité et la sélectivité du capteur à NO2 peut considérablement être améliorée en appliquant un courant de polarisation.

In order to monitor the total NOx emission in car exhausts, a potentiometric gas sensor based on yttria-stabilized zirconia (YSZ) has been developed by screen-printing technology. It is shown that the use of a catalytic filter directly deposited on the sensing element can successfully eliminate the interferences coming from other reducing gas species in the automotive exhaust such as carbon monoxide (CO), hydrogen (H2), hydrocarbons (CxHy) and ammoniac (NH3). Furthermore, another advantage of the catalytic filter is its capacity to fix the NO/NO2 ratio according to the thermodynamic equilibrium. In that way, the sensor response is no longer dependent on the NO/NO2 ratio in the exhaust, but only dependent on the temperature. Finally, the application of a polarisation current can enhance considerably the selectivity and sensitivity of the sensor towards NO2., Afin de contrôler l’émission totale des NOx dans l’échappement automobile, un capteur potentiométrique à base de zircone stabilisée à l’yttrium a été développé par la technique de sérigraphie. Il est montré que l’utilisation d’un filtre catalytique, déposé directement sur l’élément sensible, permet d’éliminer les interférences venant d’autres gaz réducteurs dans l’échappement, en particulier monoxyde de carbone (CO), hydrogène (H2), hydrocarbures (CxHy) et ammoniac (NH3). En plus, il est possible de fixer avec le filtre catalytique le rapport NO/NO2 correspondant à l’équilibre thermodynamique. Par conséquent la réponse du capteur n’est plus dépendante du rapport NO/NO2, mais seulement de la température. De plus, la sensibilité et la sélectivité du capteur à NO2 peut considérablement être améliorée en appliquant un courant de polarisation.

Sensors based on NASICON functions out of differential between an electrode sensitive to O2 and another sensitive to CO2 and O2. The response does not depend any more of the oxygen partial pressure.Each element of the sensor (reference electrode, solid electrolyte and sensing electrode) was separately studied with physical and electrical characterizations to select best materials.Screen-printing method was retained among several electrode deposit to test the influence on the response of the sensors.For the sensing electrode (Na2CO3/BaCO3), the compositions having a barium carbonate rate of 25% or 0% ended in satisfactory results on sensitivity.The influence of the reference electrode composition was studied for differents values of the Na2Ti3O7/Na2Ti6O13 ratio. Only the composition 55%-45% in mass gave place to a sensor with thermodynamic behavior, with experimental slopes and standard potentials close to the theoretical values until partial pressures of about 100 Pa.The oxygen has an influence on the response only for the low temperatures. An interference of the water vapor was observed on the standard potential value whatever the temperature, without modification of the sensitivity. The nitric oxyde did not change the response of the sensor.A model of response time limited by the gas diffusion in electrode material was proposed.The planar technology led to thermodynamic sensors only for partial pressure above 10-3 bar.; Le capteur étudié est à base de NASICON et fonctionne en différentiel entre une électrode sensible à O2 et une électrode sensible à CO2 et à O2. La réponse ne dépend plus de la pression partielle d'oxygène.Chaque élément du capteur (électrode de référence, électrolyte solide et électrode de travail) a été étudié séparément, par les techniques de caractérisations physiques et électriques, pour sélectionner les meilleurs matériaux.La sérigraphie a été retenue parmi plusieurs techniques de dépôt d'électrodes testées pour noter l'influence sur la réponse des capteurs.Au niveau de l'électrode de travail (Na2CO3/BaCO3), les compositions présentant un taux de carbonate de baryum de 25% ou de 0% ont abouti à des résultats satisfaisants au niveau de la sensibilité.L'influence de la composition de l'électrode de référence a été étudiée pour différentes valeurs du rapport Na2Ti3O7/Na2Ti6O13. Seule la composition 55%-45% en masse a donné lieu à un capteur à comportement thermodynamique, avec des pentes expérimentales et des potentiels standards proches des valeurs théoriques jusqu'à des pressions partielles de l'ordre de 100 Pa.L'étude des interférents a montré que l'oxygène présentait une influence sur la réponse du capteur seulement pour les faibles températures. Une interférence de la vapeur d'eau a été observée sur la valeur du potentiel standard quelle que soit la température, sans modification de la sensibilité. Le monoxyde d'azote ne modifie en rien la réponse du capteur.Un modèle de temps de réponse limitée par la diffusion dans le matériau d'électrode a été proposé.Le passage en technologie planaire a abouti à des capteurs thermodynamiques uniquement au-dessus de 10-3 bar.

Sensors based on NASICON functions out of differential between an electrode sensitive to O2 and another sensitive to CO2 and O2. The response does not depend any more of the oxygen partial pressure.Each element of the sensor (reference electrode, solid electrolyte and sensing electrode) was separately studied with physical and electrical characterizations to select best materials.Screen-printing method was retained among several electrode deposit to test the influence on the response of the sensors.For the sensing electrode (Na2CO3/BaCO3), the compositions having a barium carbonate rate of 25% or 0% ended in satisfactory results on sensitivity.The influence of the reference electrode composition was studied for differents values of the Na2Ti3O7/Na2Ti6O13 ratio. Only the composition 55%-45% in mass gave place to a sensor with thermodynamic behavior, with experimental slopes and standard potentials close to the theoretical values until partial pressures of about 100 Pa.The oxygen has an influence on the response only for the low temperatures. An interference of the water vapor was observed on the standard potential value whatever the temperature, without modification of the sensitivity. The nitric oxyde did not change the response of the sensor.A model of response time limited by the gas diffusion in electrode material was proposed.The planar technology led to thermodynamic sensors only for partial pressure above 10-3 bar., Le capteur étudié est à base de NASICON et fonctionne en différentiel entre une électrode sensible à O2 et une électrode sensible à CO2 et à O2. La réponse ne dépend plus de la pression partielle d'oxygène.Chaque élément du capteur (électrode de référence, électrolyte solide et électrode de travail) a été étudié séparément, par les techniques de caractérisations physiques et électriques, pour sélectionner les meilleurs matériaux.La sérigraphie a été retenue parmi plusieurs techniques de dépôt d'électrodes testées pour noter l'influence sur la réponse des capteurs.Au niveau de l'électrode de travail (Na2CO3/BaCO3), les compositions présentant un taux de carbonate de baryum de 25% ou de 0% ont abouti à des résultats satisfaisants au niveau de la sensibilité.L'influence de la composition de l'électrode de référence a été étudiée pour différentes valeurs du rapport Na2Ti3O7/Na2Ti6O13. Seule la composition 55%-45% en masse a donné lieu à un capteur à comportement thermodynamique, avec des pentes expérimentales et des potentiels standards proches des valeurs théoriques jusqu'à des pressions partielles de l'ordre de 100 Pa.L'étude des interférents a montré que l'oxygène présentait une influence sur la réponse du capteur seulement pour les faibles températures. Une interférence de la vapeur d'eau a été observée sur la valeur du potentiel standard quelle que soit la température, sans modification de la sensibilité. Le monoxyde d'azote ne modifie en rien la réponse du capteur.Un modèle de temps de réponse limitée par la diffusion dans le matériau d'électrode a été proposé.Le passage en technologie planaire a abouti à des capteurs thermodynamiques uniquement au-dessus de 10-3 bar.