Nez électronique communicant pour le contrôle de la qualité de l’air intérieur

Spectrométrie de masse et d’absorption 

La spectrométrie, comme la chromatographie en phase gazeuse, est aussi l’une des techniques les plus utilisées dans le domaine de la reconnaissance des compositions chimiques dans l’air intérieur d’une manière fiable et précise. La spectrométrie a deux principes physiques de mesure des concentrations des gaz : spectrométrie de masse et spectrométrie d’absorption infra-rouge ou ultra-violet. La spectrométrie de masse est basée sur le principe d’ionisation des gaz à analyser suite à un bombardement d’électrons, d’ions ou de photons. La trajectoire des ions est modulée en fonction de leur rapports masse/charge sous l’application d’un champ électrique ou magnétique . Son principe de fonctionnement est représenté sur la Figure 4.La spectrométrie d’absorption optique est basée sur le principe d’absorption d’un rayonnement électromagnétique par les molécules gazeuses à détecter. Son principe de fonctionnement est illustré par la Figure 5. Figure 5 : Schéma de principe de fonctionnement d’un spectromètre d’absorption Les appareils de spectrométrie sont très performants grâce à leur sensibilité élevée et leur limite de détection très basse (ppb voire en dessous) . Ils sont également utilisés comme appareils de mesure dits de référence. Néanmoins, ils sont très volumineux et onéreux ce qui limite leur utilisation sur site et sur une grande échelle comme la technique précédente.

 Les micro-capteurs chimiques de gaz

 Les capteurs chimiques de gaz sont des dispositifs qui traduisent une information chimique liée à la réaction d’un gaz sur le capteur en un signal électrique mesurable. Cette information provient d’une réaction chimique entre les molécules de gaz et une couche sensible du capteur, ce qui engendre un changement dans ses propriétés physico-chimiques qui se traduit par une modification d’un paramètre électrique tel que la conductivité, la résistivité, l’impédance …etc. Ces paramètres sont mesurés à travers un transducteur qui représente un élément essentiel pour un détecteur de gaz. Les capteurs chimiques de gaz sont parmi les capteurs les plus répandus dans l’industrie Ils sont utilisés pour la détection des contaminants gazeux grâce à leur grande sensibilité pour de nombreuses substances chimiques, leur temps de réponse rapide (quelques secondes), leur faible coût de fabrication (en grand volume) et bien sûr leur portabilité. Néanmoins, ils souffrent d’un manque de sélectivité (capacité à différencier la réponse d’un gaz parmi d’autres interférents), et éventuellement de reproductibilité et/ou de stabilité au cours du temps. Compte tenu d’une forte demande depuis plusieurs années, le marché des « micro » capteurs de gaz ne cesse d’augmenter chaque année. Selon YOLE Développement, en 2018, il atteint 809 Millions de dollars réparti sur 7 domaines dont l’environnement, la défense et sécurité, le HVAC, le domaine médical …etc. Ce marché devrait dépasser 1 Milliard de dollars en 2023 selon la même source, comme le montre la Figure 6. Pour pouvoir évaluer puis comparer les performances de ces capteurs, il faut étudier leurs caractéristiques principales qui sont : 

a- Sensibilité 

La sensibilité d’un capteur chimique est le rapport de la variation de sa réponse électrique sur la variation de la concentration de gaz à mesurer. Elle peut exister sous plusieurs formes telles que la sensibilité relative, différentielle ou fractionnelle. L’équation 1 montre un exemple d’une sensibilité relative (la plus utilisée pour évaluer la sensibilité d’un capteur de gaz) . 𝑺 = 𝚫𝑿 𝚫𝑪 (eq.1) Avec X la réponse électrique du capteur (résistance, conductance, fréquence …) et C la concentration du gaz. Cette réponse électrique peut aussi être préalablement normalisée comme nous le verrons au chapitre III.

b- Sélectivité 

La sélectivité est le plus important paramètre pour caractériser et différencier un gaz par rapport à un autre, son étude est donc indispensable. Un capteur est dit sélectif s’il est capable de détecter un gaz cible dans un mélange gazeux et/ou en présence de gaz interférents.Ce paramètre peut être calculé par le rapport de la sensibilité au gaz cible S1 et de celle au gaz interférent S2 soit S1/S2. Ces calculs ne sont pas génériques car ils sont spécifiques à chaque gaz et à un interférent donné et donc propre à chaque application visée (notamment pour le choix des gammes de concentrations). 

c- Stabilité

 La stabilité est l’un des paramètres les plus étudiés pour évaluer les performances d’un capteur car il caractérise le vieillissement de la couche sensible avec la dérive d’un signal et donc sera corrélée à la durée de vie d’un capteur. Ce paramètre, généralement défini par la variation X sur une base de temps (jour, mois, an), peut être caractérisé régulièrement au cours de la vie du capteur, notamment après des séries de mesures sous différentes conditions et sur une longue durée en laboratoire comme dans des conditions réelles. Nous pouvons également parler de dérive de l’offset du capteur. 

d- Reproductibilité 

C’est le paramètre qui définit la capacité d’un capteur à reproduire une même réponse sous exposition aux gaz dans les mêmes conditions après un certain temps d’utilisation d’une manière stable et avec la même sensibilité [53]. La non reproductibilité de la réponse sous gaz peut être estimée comme une dérive de sensibilité donc exprimée sous la forme de S/t. Par ailleurs, le mot reproductibilité est également utilisé pour estimer la variabilité des réponses de capteur à capteur technologiquement identiques. En effet, suivant la technologie, cette variabilité peut être si importante qu’elle nécessite un pré-tri des capteurs pour ensuite les regrouper par lots semblables. 

e- Temps de réponse 

C’est le temps nécessaire que prend le capteur pour atteindre son amplitude maximale pour se stabiliser lorsqu’il est exposé à un gaz. On le mesure comme étant le temps que met le capteur pour atteindre 90% de sa variation maximum (même chose pour le retour à l’équilibre : temps pour atteindre 90 % de la variation de retour vers la ligne de base ; ce temps s’appelle généralement le temps de recouvrement). Il dépend essentiellement de la nature et de la structure des matériaux utilisés, de la température de fonctionnement et de la cinétique de réponse des matériaux par rapport au gaz . Plusieurs techniques sont déployées pour minimiser ce temps soit pour atteindre plus rapidement la valeur stabilisée, soit pour estimer l’information pertinente en considérant par exemple la dérivée du signal. Il existe de nombreuses familles de capteurs de gaz. Ces familles sont généralement classées selon le principe de détection du capteur. Le Tableau 5 illustre les différentes familles des capteurs de gaz.