EP1390734A1 - Systeme d'electrodes pour capteur electrochimique - Google Patents

Systeme d'electrodes pour capteur electrochimique

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Publication number
EP1390734A1
EP1390734A1 EP02771618A EP02771618A EP1390734A1 EP 1390734 A1 EP1390734 A1 EP 1390734A1 EP 02771618 A EP02771618 A EP 02771618A EP 02771618 A EP02771618 A EP 02771618A EP 1390734 A1 EP1390734 A1 EP 1390734A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
electrode
micro
deposited
conductive layer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02771618A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean Gobet
Philippe Rychen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Adamant Technologies SA
Original Assignee
Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM filed Critical Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Publication of EP1390734A1 publication Critical patent/EP1390734A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/4166—Systems measuring a particular property of an electrolyte
    • G01N27/4168—Oxidation-reduction potential, e.g. for chlorination of water
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies

Definitions

  • the present invention relates to electrochemical sensors intended to measure the concentration of a chemical substance in a liquid. Such devices find a particularly interesting, but not exclusive, application for the detection of chlorine levels in drinking water or swimming pool water.
  • Electrochemical sensors of this type necessarily include a measurement electrode, a reference electrode and a counter electrode.
  • Another type of such sensor is also known, which further comprises a so-called generator electrode and its counter electrode.
  • the addition of these last two electrodes, the effect of which is to create changes in the concentration of species present in solution, makes it possible to locally control the environment of the measurement electrode.
  • the pH of the solution can be changed locally by applying a current to the generator electrode.
  • a cathodic current will cause the production of OH- ions (the pH then becoming more basic) and, conversely, an anodic current will cause the production of H + ions (the pH then becoming more acidic).
  • a counter electrode associated with the generator electrode, a counter electrode associated with the measurement (or working) electrode and a reference electrode are necessary for the production of a complete sensor. These latter electrodes, the dimensions of which need not be microscopic, are well known in the field under consideration and can be mounted separately.
  • the document US Pat. No. 5,597,463 describes, for example, a sensor of this second type, intended for carrying out a titration and with which the measurement carried out is of potentiostatic type.
  • Document GB 2 290 617 proposes a structure with micro-electrodes in which the measurement electrode and the generator electrode are in the form of two combs the fingers of which are interdigitated. For at least one of the combs, the fingers have a width which is less than 25 ⁇ m while their length is 20 times, or more, greater than the width. Typically, these fingers have a length of a few millimeters and a width of 20 ⁇ m, the space between two adjacent fingers of the two combs possibly being 20 ⁇ m.
  • the object of the present invention is to provide an electrode system in which the measurement electrode and the generator electrode also have micro-structures but which, compared to existing embodiments, the efficiency is improved and the production cost reduced.
  • the invention relates to an electrode system for an electrochemical cell, of the type comprising a substrate and, placed on it and close to one another, a measurement electrode. and a generator electrode.
  • This system is characterized in that:
  • the measurement electrode is formed of a plurality of electrically conductive micro-disks regularly distributed over the substrate and electrically joined together;
  • the generator electrode is formed of an electrically conductive plate pierced with circular openings of diameter greater than that of the micro-discs and arranged so that each opening is concentric with a micro-disc.
  • the microdisks have a diameter of approximately 5 to 20 ⁇ m and are spaced from one another by approximately 100 to 400 ⁇ m, while the openings have a diameter which is approximately 10 to 100 ⁇ m greater than the diameter micro-discs.
  • the substrate is electrically conductive
  • an electrically insulating layer is deposited on the substrate and pierced with a plurality of circular openings;
  • the micro-discs forming the measurement electrode are constituted by a conductive layer deposited in these openings in contact with the substrate;
  • the generator electrode consists of a conductive layer deposited on the insulating layer.
  • the substrate is advantageously made of silicon made conductive by doping and an electrically conductive layer is deposited under it.
  • the measurement electrode consists of a conductive layer deposited on the substrate
  • an electrically insulating layer is deposited on the conductive layer and pierced with a plurality of circular openings delimiting the micro-discs of the measurement electrode; and - the generator electrode consists of a conductive layer deposited on the insulating layer.
  • the substrate can be either glass or quartz, or silicon covered with an insulating layer, or silicon made conductive by doping with, then, an electrically conductive layer deposited under it.
  • Another object of the present invention is to provide a method for determining the pH of chlorinated water using the sensor having the above characteristics.
  • FIG. 1 is a plan view of a micro-electrode system according to the invention.
  • FIG. 2 is a partial sectional view on a large scale of a first embodiment of the system of Figure 1;
  • - Figure 3 is a diagram showing the effect provided by such an electrode structure;
  • FIG. 4 is a partial sectional view on a large scale of a second embodiment of the system of Figure 1; and FIG. 5 shows the variation of the chlorinated species in the water as a function of the value of its pH.
  • FIGS. 1 and 2 in which an electrically conductive substrate has been shown at 10 which is in the form of a square plate, typically 2 to 10 mm in side and 0.5 mm thick.
  • This plate is advantageously made of silicon made conductive by doping according to techniques well known to those skilled in the art.
  • the underside of the substrate 10 is covered with a conductive layer 12 made, for example, of titanium or aluminum or formed of a stack of three sublayers of titanium, platinum and gold.
  • the thickness of this layer, deposited according to any known metallization process, is approximately 0.2 to 0.3 ⁇ m.
  • the substrate 10 can be a simple metal plate. In this case, the conductive layer 12 is removed.
  • the upper face of the substrate 10 is covered with an insulating layer 14 formed, for example, by a stack of two sublayers of Si0 2 and Si 3 N 4 known to have excellent stability in an aqueous medium.
  • the thickness of this layer is approximately 0.1 to 0.2 ⁇ m.
  • the insulating layer 14 is pierced, for example by etching in a fluorinated plasma, a regular network of circular through openings 16 having, typically, a diameter of about 2 to 20 ⁇ m and spaced from each other by about 100 at 400 ⁇ m. In the example shown in Figure 1, the spacing is 300 ⁇ m.
  • This layer 18 is formed, for example, of a stack of a adhesion layer, a diffusion barrier layer and a layer of the desired electrode material.
  • This stack for example of titanium, platinum and gold, is deposited all at once, according to any known metallization process, and has a single thickness of approximately 0.2 to 0.3 ⁇ m.
  • the layer 18 deposited on the insulating layer 14 is pierced, by chemical etching, by plasma etching or according to the so-called "lift-off" process, with a network of annular openings 24 each surrounding one of the micro-discs 22 and having an outside diameter of about 30 to 120 ⁇ m.
  • the annular space thus cleared around the microdisks has a typical width of 5 to 50 ⁇ m. It will be noted that the etching of the layer 18 is done so that the microdisks 22 have a diameter slightly greater than that of the openings 16 and this, in order to avoid any contact of the solution to be measured with the substrate 10.
  • microstructure for an electrochemical sensor in which:
  • the conductive layer 20 constitutes the generator electrode which can be connected directly to an energy source by a link
  • All of the conductive micro-disks 22 constitute the measurement electrode which can be connected to the energy source through the substrate 10 and the layer 12, both conductors, by a link 28 connected to the latter.
  • the generator electrode 20 has the effect of creating, in its vicinity, H + or OH " ions according to the applied polarizations.
  • FIG. 3 shows, diagrammatically, that this electrode establishes, in the liquid 30 where the structure according to the invention is immersed, a diffusion zone 32 having, typically, a thickness of 50 to 500 ⁇ m depending on the conditions hydrodynamics, and in which the ions created have a concentration gradient.
  • the environment of the measurement electrode 22 can thus be modified (increase or decrease in pH) so as to be optimal for the analysis of the detected species.
  • These ions then react with the desired substances in the liquid and the resulting changes in the ion concentration are detected thanks to the set of micro-discs 22 forming the measurement electrode.
  • micro-disks having two dimensions (length and width) that are small compared to the thickness of the diffusion layer, are micro-electrodes in the strict sense of the term.
  • the micro-lines described in the aforementioned document have only one micrometric dimension; they can, therefore, be considered as micro-electrodes only with respect to a single direction of the flow of the solution.
  • the structure of the invention has, among others, the following advantages.
  • the proposed structure is compatible with batch manufacturing techniques and allows, according to one of its variants, the electrical connection via the rear face of the measurement electrode.
  • FIG. 4 represents an alternative embodiment of the structure previously described.
  • the conductive substrate 10 of Figure 2 is replaced by an insulating substrate 34, for example, glass or quartz.
  • the upper face of the substrate 34 is covered with a conductive layer 36 which, like the layer 18, is made, for example, of titanium or formed of a stack of three sublayers of titanium, platinum and gold. It is deposited according to any known metallization process and has a thickness of approximately 0.2 to 0.3 ⁇ m.
  • the upper face of the conductive layer 36 is covered with an insulating layer 38 which, like layer 14, is formed, for example, of a layer of non-stoichiometric silicon nitride (SiNx) which can be deposited using a low temperature process (PECVD).
  • the thickness of this layer is typically about 0.1 to 0.2 ⁇ m.
  • a photosensitive organic polymer, of the epoxy or polyimide type with a typical thickness of 1 to 2 ⁇ m can also be used in place of silicon nitride.
  • the insulating layer 38 is pierced, by chemical etching, with a regular network of circular through openings 40 having, typically, like the openings 16, a diameter of approximately 2 to 20 ⁇ m and spaced apart by approximately 300 ⁇ m.
  • the upper face of the insulating layer 38 is covered with a conductive layer 42 of the same composition and the same thickness as the layer 36.
  • This layer 42 is pierced, by chemical etching, with a network of circular openings 44 each surrounding l 'one of the openings 40 of the layer 38.
  • the annular space thus released around the openings 40 is, typically, from 5 to 50 ⁇ m.
  • a microstructure for an electrochemical sensor is produced, in which: the conductive layer 42 constitutes the generator electrode which can be connected directly to an energy source by a link not shown, and
  • the conductive layer 36 constitutes the measurement electrode, active only by its portions 46 uncovered by the openings 40, which can be connected directly to the energy source by a link not shown.
  • the variant embodiment of FIG. 4 can itself give rise to a first variant in which the substrate 34 is formed from a non-specially doped silicon wafer covered with an insulating layer and to a second variant in which the substrate is formed, as in Figure 2, a highly doped silicon wafer whose rear face is covered with a conductive layer for connection.
  • FIG. 5 Reference will now be made to FIG. 5 to describe an advantageous application of a sensor provided with a generator electrode according to the present invention.
  • chlorine is widely used for the disinfection of swimming pool water or drinking water distribution circuits.
  • the chlorine added to the water is in the form of hypochlorous acid (HOCI) or in the form of hypochlorite (OCI " ), their respective concentrations depending on the pH value, as indicated by the curves of Figure 5.
  • the generator electrode being inactive, the A concentration of hypochlorous acid is first measured. Then, the generator electrode is activated so as to modify, locally at the level of the microdisks, the solution by making it more acidic (pH ⁇ 5.5) and the concentration B of hypochlorous acid is measured. The pH of the solution is then determined by the value of the A / B ratio. In order to make this determination as accurate as possible, however, the following precautions should be taken.
  • the material of the electrode measurement should be very sensitive to hypochlorous acid and very little sensitive to hypochlorite. A material such as carbon can, in this regard, be considered satisfactory.
  • an anionic membrane for example of a material sold under the name of Nafion, which does not allow anions to pass (such as OCI anions " ) makes it possible to guarantee that only hypochlorous acid will be taken into account.
  • OCI anions such as OCI anions "

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Abstract

L'invention se rapporte à un système d'électrodes pour capteur électrochimique. Le système d'électrodes comprend, disposées sur un substrat conducteur (10), une pluralité de micro-disques (22) électriquement connectés au substrat et une électrode génératrice (20) isolée du substrat par une couche isolante (14) et présentant une pluralité d'ouvertures (24) concentriques avec lesdits micro-disques. Une couche conductrique (12) et des connexions (26, 28) permettent la connexion des électrodes à des sources d'énergie. L'électrode génératrice permet de modifier localement, au niveau de micro-disques, les concentrations d'espèces présentes en solution en regard desdites électrodes.

Description

SYSTEME D'ELECTRODES POUR CAPTEUR ELECTROCHIMIQUE
La présente invention se rapporte aux capteurs électrochimiques destinés à mesurer la concentration d'une substance chimique dans un liquide. De tels dispositifs trouvent une application particulièrement intéressante, mais non exclusive, à la détection des niveaux de chlore dans l'eau potable ou l'eau des piscines.
Les capteurs électrochimiques de ce type comportent nécessairement une électrode de mesure, une électrode de référence et une contre-électrode. On connaît également un autre type de tels capteurs qui comportent, en outre, une électrode dite génératrice et sa contre-électrode. L'ajout de ces deux dernières électrodes, dont l'effet est de créer des modifications de concentration d'espèces présentes en solution, permet de contrôler localement l'environnement de l'électrode de mesure. Par exemple, le pH de la solution peut être modifié localement par l'application d'un courant à l'électrode génératrice. Un courant cathodique entraînera la production de ions OH- (le pH devenant alors plus basique) et, inversement, un courant anodique entraînera la production de ions H+ (le pH devenant alors plus acide). Une contre-électrode associée à l'électrode génératrice, une contre- électrode associée à l'électrode de mesure (ou de travail) et une électrode de référence sont nécessaires à la réalisation d'un capteur complet. Ces dernières électrodes, dont les dimensions n'ont pas besoin d'être microscopiques, sont bien connues dans le domaine considéré et peuvent être montées séparément. Le document US 5 597 463 décrit, par exemple, un capteur de ce second type, destiné à effectuer un titrage et avec lequel la mesure effectuée est de type potentiostatique.
On comprendra aisément qu'il est particulièrement avantageux d'utiliser, comme électrode de mesure, des électrodes de très petites dimensions, non seulement parce que cela permet de réduire l'espace entre l'électrode de mesure et l'électrode génératrice, mais aussi parce que les effets de la turbulence du liquide dans la cellule s'en trouvent minimisés. Le document GB 2 290 617 propose une structure à micro-électrodes dans laquelle l'électrode de mesure et l'électrode génératrice se présentent sous la forme de deux peignes dont les doigts sont interdigités. Pour l'un des peignes au moins, les doigts ont une largeur qui est inférieure à 25 μm alors que leur longueur est 20 fois, ou plus, supérieure à la largeur. Typiquement, ces doigts ont une longueur de quelques millimètres et une largeur de 20 μm, l'espace entre deux doigts adjacents des deux peignes pouvant être de 20 μm.
La présente invention a pour but de fournir un système d'électrodes dans lequel l'électrode de mesure et l'électrode génératrice possèdent aussi des micro-structures mais dont, par rapport aux réalisations existantes, l'efficacité est améliorée et le coût de production réduit.
De façon plus précise, afin d'atteindre ce but, l'invention concerne un système d'électrodes pour une cellule électrochimique, du type comportant un substrat et, disposées sur lui et proches l'une de l'autre, une électrode de mesure et une électrode génératrice. Ce système est caractérisé en ce que:
- l'électrode de mesure est formée d'une pluralité de micro-disques électriquement conducteurs régulièrement répartis sur le substrat et réunis électriquement entre eux; et
- l'électrode génératrice est formée d'une plaque électriquement conductrice percée d'ouvertures circulaires de diamètre supérieur à celui des micro-disques et disposée de manière à ce que chaque ouverture soit concentrique à un micro-disque.
De manière avantageuse, les micro-disques ont un diamètre d'environ 5 à 20 μm et sont espacés les uns des autres d'environ 100 à 400 μm, alors que les ouvertures ont un diamètre supérieur d'environ 10 à 100 μm au diamètre des micro-disques.
Selon un premier mode de réalisation préféré:
- le substrat est électriquement conducteur;
- une couche électriquement isolante est déposée sur le substrat et percée d'une pluralité d'ouvertures circulaires; - les micro-disques formant l'électrode de mesure sont constitués par une couche conductrice déposée dans ces ouvertures au contact du substrat; et
- l'électrode génératrice est constituée par une couche conductrice déposée sur la couche isolante.
Dans cette première réalisation, le substrat est, avantageusement, en silicium rendu conducteur par dopage et une couche électriquement conductrice est déposée sous lui.
Selon un deuxième mode de réalisation préféré: - l'électrode de mesure est constituée par une couche conductrice déposée sur le substrat;
- une couche électriquement isolante est déposée sur la couche conductrice et percée d'une pluralité d'ouvertures circulaires délimitant les micro-disques de l'électrode de mesure; et - l'électrode génératrice est constituée par une couche conductrice déposée sur la couche isolante.
Dans cette deuxième réalisation, le substrat peut être indifféremment soit en verre ou en quartz, soit en silicium recouvert d'une couche isolante, soit en silicium rendu conducteur par dopage avec, alors, une couche électriquement conductrice déposée sous lui.
Un autre but de la présente invention est de fournir une méthode de détermination du pH d'une eau chlorée à l'aide du capteur ayant les caractéristiques précitées.
D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard du dessin annexé, sur lequel:
- la figure 1 est une vue en plan d'un système à micro-électrodes selon l'invention;
- la figure 2 est une vue partielle en coupe à grande échelle d'une première forme de réalisation du système de la figure 1 ; - la figure 3 est un schéma montrant l'effet procuré par une telle structure d'électrodes;
- la figure 4 est une vue partielle en coupe à grande échelle d'une deuxième forme de réalisation du système de la figure 1 ; et - la figure 5 montre la variation des espèces chlorées dans l'eau en fonction de la valeur de son pH.
On se référera, tout d'abord, aux figures 1 et 2, sur lesquelles on a montré en 10 un substrat électriquement conducteur qui se présente sous la forme d'une plaque carrée de, typiquement, 2 à 10 mm de côté et 0.5 mm d'épaisseur. Cette plaque est, avantageusement, réalisée en silicium rendu conducteur par dopage selon des techniques bien connues de l'homme de métier.
La face inférieure du substrat 10 est recouverte d'une couche conductrice 12 réalisée, par exemple, en titane ou en aluminium ou formée d'un empilement de trois sous-couches de titane, platine et or. L'épaisseur de cette couche, déposée selon tout procédé de métallisation connu, est d'environ 0.2 à 0.3 μm.
En variante, le substrat 10 peut être une simple plaque métallique. Dans ce cas, la couche conductrice 12 est supprimée.
La face supérieure du substrat 10 est recouverte d'une couche isolante 14 formée, par exemple, d'un empilement de deux sous-couches de Si02 et Si3N4 connu pour présenter une excellente stabilité en milieu aqueux. L'épaisseur de cette couche est d'environ 0.1 à 0.2 μm.
La couche isolante 14 est percée, par exemple par gravage dans un plasma fluoré, d'un réseau régulier d'ouvertures traversantes circulaires 16 ayant, typiquement, un diamètre d'environ 2 à 20 μm et espacées les unes des autres d'environ 100 à 400 μm. Dans l'exemple représenté à la figure 1 , l'espacement est de 300 μm.
La face supérieure de la couche isolante 14, ainsi que les ouvertures 16 pratiquées dans celle-ci, sont recouvertes d'une couche conductrice 18 portant la référence 20 lorsqu'elle est sur la couche 14 et la référence 22 lorsqu'elle forme un micro-disque reposant dans l'une des ouvertures circulaires 16. Cette couche 18 est formée, par exemple, d'un empilement d'une couche d'adhérence, d'une couche barrière de diffusion et d'une couche du matériau d'électrode souhaité. Cet empilement, par exemple de titane, de platine et d'or est déposé en une seule fois, selon tout procédé de métallisation connu, et a une épaisseur unique d'environ 0.2 à 0.3 μm.
La couche 18 déposée sur la couche isolante 14 est percée, par gravage chimique, par gravage plasma ou selon le procédé dit de « lift-off », d'un réseau d'ouvertures annulaires 24 entourant chacune l'un des micro-disques 22 et ayant un diamètre extérieur d'environ 30 à 120 μm. L'espace annulaire ainsi dégagé autour des micro-disques a une largeur typique de 5 à 50 μm. On notera que le gravage de la couche 18 est fait de telle sorte que les microdisques 22 aient un diamètre légèrement supérieur à celui des ouvertures 16 et cela, dans le but d'éviter tout contact de la solution à mesurer avec le substrat 10.
Ainsi est réalisée une microstructure pour capteur électrochimique, dans laquelle:
- la couche conductrice 20 constitue l'électrode génératrice qui peut être connectée directement à une source d'énergie par une liaison
26, et
- l'ensemble des micro-disques conducteurs 22 constituent l'électrode de mesure qui peut être connectée à la souce d'énergie au travers du substrat 10 et de la couche 12, tous deux conducteurs, par une liaison 28 reliée à cette dernière.
Comme déjà mentionné, l'électrode génératrice 20 a pour effet de créer, à son voisinage, des ions H+ ou OH" selon les polarisations appliquées. La figure 3 montre, de manière schématique, que cette électrode établit, dans le liquide 30 où la structure selon l'invention est plongée, une zone de diffusion 32 ayant, typiquement, une épaisseur de 50 à 500 μm selon les conditions hydrodynamiques, et dans laquelle les ions créés présentent un gradient de concentration. L'environnement de l'électrode de mesure 22 pourra ainsi être modifié (augmentation ou diminution du pH) de manière à être optimal pour l'analyse de l'espèce détectée. Ces ions réagissent alors avec les substances recherchées dans le liquide et les modifications résultantes de la concentration ionique sont détectées grâce à l'ensemble des micro-disques 22 formant l'électrode de mesure.
Les avantages de la structure qui vient d'être décrite par rapport à celle du document GB 2 290 617 (déjà mentionné) sont de deux types. Tout d'abord, les micro-disques, ayant deux dimensions (longueur et largeur) faibles par rapport à l'épaisseur de la couche de diffusion, sont des micro-électrodes au sens strict du terme. A l'inverse, les micro-lignes décrites dans le document précité ne possèdent qu'une seule dimension micrométrique; elles ne peuvent, donc, être considérées comme des micro-électrodes que vis-à-vis d'une seule direction du flux de la solution. La structure de l'invention présente, entre autres, les avantages suivants. En premier lieu, elle offre une meilleure indépendance vis-à-vis de la turbulence et de la direction du liquide dans la cellule de mesure et, en second lieu, elle présente une plus faible sensibilité à la conductivité du liquide et offre un meilleur rapport signal/bruit. Enfin, elle assure un espacement unique et parfaitement symétrique entre l'électrode de mesure et l'électrode génératrice. L'action de l'électrode génératrice est fortement améliorée du fait qu'elle a une surface plus importante que celle des micro-disques, qui constituent l'électrode de mesure, et qu'elle est située très près de ces derniers. De plus, la structure proposée est compatible avec les techniques de fabrication par lots et permet, selon l'une de ses variantes, la connexion électrique par la face arrière de l'électrode de mesure. •
On se référera maintenant à la figure 4 qui représente une variante de réalisation de la structure précédemment décrite. Dans ce cas, le substrat conducteur 10 de la figure 2 est remplacé par un substrat isolant 34, par exemple, en verre ou en quartz. La face supérieure du substrat 34 est recouverte d'une couche conductrice 36 qui, comme la couche 18, est réalisée, par exemple, en titane ou formée d'un empilement de trois sous-couches de titane, platine et or. Elle est déposée selon tout procédé de métallisation connu et a une épaisseur d'environ 0.2 à 0.3 μm.
La face supérieure de la couche conductrice 36 est recouverte d'une couche isolante 38 qui, comme la couche 14, est formée, par exemple, d'une couche de nitrure de silicium non stoechiométrique (SiNx) qui peut être déposée à l'aide d'un procédé à basse température (PECVD). L'épaisseur de cette couche est typiquement d'environ 0.1 à 0.2 μm. En vue d'obtenir une meilleure stabilité en milieu aqueux, un polymère organique photosensible, de type époxy ou polyimide, d'une épaisseur typique de 1 à 2μm peut également être utilisé en lieu et place du nitrure de silicium.
La couche isolante 38 est percée, par gravage chimique, d'un réseau régulier d'ouvertures traversantes circulaires 40 ayant, typiquement, comme les ouvertures 16, un diamètre d'environ 2 à 20 μm et espacés d'environ 300 μm.
La face supérieure de la couche isolante 38 est recouverte d'une couche conductrice 42 de même composition et de même épaisseur que la couche 36. Cette couche 42 est percée, par gravage chimique, d'un réseau d'ouvertures circulaires 44 entourant chacune l'une des ouvertures 40 de la couche 38. L'espace annulaire ainsi dégagé autour des ouvertures 40 est, typiquement, de 5 à 50 μm.
Ainsi est réalisée, selon cette variante, une microstructure pour capteur électrochimique, dans laquelle: - la couche conductrice 42 constitue l'électrode génératrice qui peut être connectée directement à une source d'énergie par une liaison non représentée, et
- la couche conductrice 36 constitue l'électrode de mesure, active seulement par ses portions 46 découvertes par les ouvertures 40, qui peut être connectée directement à la source d'énergie par une liaison non représentée.
La variante de réalisation de la figure 4 peut, elle-même, donner lieu à une première variante dans laquelle le substrat 34 est formé d'une plaque de silicium non spécialement dopé recouverte d'une couche isolante et à une deuxième variante dans laquelle le substrat est formé, comme dans la figure 2, d'une plaque de silicium fortement dopé dont la face arrière est recouverte d'une couche conductrice permettant la connexion.
On se référera maintenant à la figure 5 pour décrire une application avantageuse d'un capteur pourvu d'une électrode génératrice selon la présente invention. Comme déjà mentionné, le chlore est largement utilisé pour la désinfection de l'eau des piscines ou des circuits de distribution en eau potable. Or, le chlore ajouté dans l'eau se trouve sous la forme d'acide hypochloreux (HOCI) ou sous la forme d'hypochlorite (OCI"), leurs concentrations respectives dépendant de la valeur du pH, comme l'indiquent les courbes de la figure 5.
On peut voir, sur cette figure 5, que la variation de la concentration d'acide hypochloreux est maximale lorsque le pH varie entre 6,5 et 8,5, alors que cette même variation est très faible lorsque le pH est, soit inférieur à 6, soit supérieur à 9. Ainsi, dans le cadre d'une application du capteur précédemment décrit dans de l'eau potable ou de l'eau de piscine comprenant du chlore, il est possible de mesurer la valeur du pH de cette eau en procédant de la façon suivante.
L'électrode génératrice étant inactive, on mesure d'abord la concentration A d'acide hypochloreux. Ensuite, on active l'électrode génératrice de manière à modifier, localement au niveau des micro-disques, la solution en la rendant plus acide (pH < 5,5) et on mesure la concentration B d'acide hypochloreux. Le pH de la solution est alors déterminé par la valeur du rapport A/B. Afin que cette détermination soit aussi exacte que possible, il conviendra, toutefois, de prendre les précautions suivantes. Le matériau constituant l'électrode de mesure devra être très sensible à l'acide hypochloreux et très peu sensible à l'hypochlorite. Un matériau, tel le carbone, peut, à cet égard, être considéré comme satisfaisant. L'utilisation d'une membrane anionique, par exemple en un matériau commercialisé sous le nom de Nafion, qui ne laisse pas passer les anions (tels les anions OCI") permet de garantir que seul l'acide hypochloreux sera pris en compte. Enfin, le pH d'une solution variant avec sa température, on s'assurera que celle-ci est la même que celle pour laquelle le capteur utilisé a été calibré.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système d'électrodes pour une cellule électrochimique, comportant un substrat (10, 34) et, disposées sur lui et proches l'une de l'autre, une électrode de mesure et une électrode génératrice, caractérisé en ce que: - l'électrode de mesure est formée d'une pluralité de micro-disques électriquement conducteurs (22, 46) régulièrement répartis sur le substrat et réunis électriquement entre eux; et
- l'électrode génératrice est formée d'une plaque électriquement conductrice (20, 42) percée d'ouvertures circulaires (24, 44) de diamètre supérieur à celui des micro-disques et disposée de manière à ce que chaque ouverture soit concentrique à un microdisque.
2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les micro-disques (22, 46) ont un diamètre d'environ 2 à 20 μm et sont espacés les uns des autres d'environ 100 à 400 μm, et en ce que les ouvertures (24, 44) ont un diamètre d'environ 30 à 120 μm.
3. Système selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que:
- le substrat (10) est électriquement conducteur,
- il comporte une couche électriquement isolante (14) déposée sur le substrat et percée d'une pluralité d'ouvertures circulaires (16),
- les micro-disques formant l'électrode de mesure sont constitués par une couche conductrice (22) déposée dans lesdites ouvertures au contact du substrat, et
- l'électrode génératrice est constituée par une couche conductrice (20) déposée sur la couche isolante (14).
4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le substrat (10) est en silicium rendu conducteur par dopage.
5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte une couche électriquement conductrice (12) déposée sous le substrat (10).
6. Système selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que: - l'électrode de mesure est constituée par une couche conductrice (36) déposée sur le substrat (34),
- il comporte une couche électriquement isolante (38) déposée sur la couche conductrice (36) et percée d'une pluralité d'ouvertures circulaires (40) délimitant les micro-disques (46) de l'électrode de mesure, et
- l'électrode génératrice est constituée par une couche conductrice (42) déposée sur la couche isolante (38).
7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que le substrat (34) est en verre ou en quartz.
8. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que le substrat (34) est formé d'une plaque de silicium recouverte d'une couche isolante.
9. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que le substrat (34) est en silicium rendu conducteur par dopage.
10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte une couche électriquement conductrice déposée sous le substrat (34).
11. Méthode de détermination de la valeur de pH d'une eau chlorée à l'aide d'un capteur électrochimique pourvu d'un système d'électrodes selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'elle consiste à : - mesurer une première concentration A d'acide hypochloreux lorsque l'électrode génératrice est inactive ;
- activer ladite électrode génératrice de façon à amener le pH de l'eau au niveau des micro-disques de l'électrode de mesure à un niveau d'acidité suffisant ; - mesurer une seconde concentration B d'acide hypochloreux en milieu acide ; et
- déterminer la valeur de pH à partir du rapport de ladite première concentration à ladite seconde concentration.
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