Qualité de l’air intérieur et différents contaminants

Qualité de l’air intérieur et différents contaminants

L’environnement intérieur d’un logement contient plusieurs polluants chimiques, gazeux…avec des concentrations variables d’un gaz à un autre. L’exposition pendant une durée courte ou longue face à ces contaminants, peut engendrer plusieurs maladies graves [4][6]. Depuis plusieurs années la plupart des gouvernements européens commencent à appliquer des règlementations sur les valeurs limites de la présence des polluants dans l’air intérieur d’un espace fermé [7]. Dans ce cadre, plusieurs études ont été faites pour définir les gaz cibles dans l’air intérieur, les différentes sources de pollution, les techniques de détection de ces gaz et les différentes méthodes appliquées, pour éviter la hausse du taux de ces polluants dans l’air.

En effet, ces polluants peuvent être sous différents types, comme des polluants chimiques qui sont toxiques, incolores et inodores tels que le monoxyde de carbone CO, le dioxyde de carbone CO2, le dioxyde d’azote NO2, les composés organiques volatiles COVs (Acétaldéhyde et Formaldéhyde principalement)… [8]. On trouve aussi des polluants gazeux comme les gaz radioactifs tels que le radon qui est un gaz incolore et inodore et d’autres polluants comme les poussières, les bactéries, les virus… [9]. La diversité de ces contaminants existants dans l’air intérieur avec différentes valeurs des concentrations motive les organismes intéressés par le contrôle de la qualité de l’air intérieur à classifier les polluants de l’air intérieur, selon l’ordre de priorité de détection, et selon leur existence dans les milieux fermés par la présence des sources de pollution [9]. Parmi ces organismes, on trouve l’équipe OQAI (Observation de la Qualité de l’Air Intérieur) qui a permis d’identifier et de classifier les gaz cibles dans l’air intérieur .

Méthode de détection des polluants dans l’air intérieur

Nous avons vu dans la précédente partie que la détection des polluants dans l’air intérieur est nécessaire. Cette détection peut se faire par des nez électroniques qui peuvent intégrer plusieurs méthodes et techniques comme la détection électrochimique, infrarouge, photoionisation… [11] Dans la suite de cette partie nous présenterons les capteurs de gaz d’une manière générale, puis le système multi-capteur à base d’oxydes métalliques et son principe de fonctionnement et de détection.

Généralité sur les capteurs de gaz 

Un capteur de gaz est un dispositif qui permet de changer ses propriétés physiques suite à une exposition pendant une durée courte ou longue face à une ambiance gazeuse variable [11]. Le capteur de gaz permet de transformer un phénomène physique ou chimique à un signal électrique mesurable afin de savoir quelques informations sur la nature des gaz détectés et éventuellement leurs concentrations… [8]. La détection des gaz se fait grâce à une partie sensible qui peut être un matériau qui change sa conductivité électrique en détectant un gaz et fournit une résistance comme grandeur de sortie mesurée [12].

Selon le principe de détection et la façon de réagir face aux gaz, on peut classer les capteurs de gaz dans des familles différentes comme par exemple [7]:
– Les capteurs à base des oxydes métalliques (MOX)
– Les capteurs à base des polymères
– Les capteurs optiques par détection infrarouge
– Les capteurs à base de nanotubes de carbone .

Dans ces familles, on trouve plusieurs types des capteurs comme par exemple [11]:
– Les capteurs semi-conducteurs
– Les capteurs catalytiques
– Les capteurs électrochimiques
– Les capteurs par absorption infrarouge .

Les caractéristiques de ces capteurs diffèrent d’un capteur à un autre selon leurs performances. Parmi ces caractéristiques on peut citer la sensibilité, la sélectivité, la stabilité, la reproductibilité le coût [11]…. Pour trouver le bon capteur il faut jouer sur plusieurs paramètres afin de choisir un type des capteurs qui ont les meilleures performances face aux autres capteurs et selon l’application bien sûr.

Système multi capteurs : Nez électronique 

Généralité

Un système multi-capteur est un dispositif constitué de plusieurs capteurs de gaz (4 capteurs dans notre cas) qui représente un nez électronique [11]. Il s’appelle un nez électronique car son principe de fonctionnement et de détection est similaire à un nez humain. En effet la détection des gaz se fait lorsque les molécules des gaz existantes dans l’air intérieur se mettent en contact avec la couche sensible du capteur [12]. Ce contact provoque un changement des propriétés physico chimiques suite à une réaction entre les molécules des gaz et les molécules de matériaux sensibles (des oxydes métalliques dans notre cas) [7]. Dans la suite nous nous présenterons les éléments constituant d’un multi-capteur de gaz et son principe de détection et de fonctionnement.

Multi capteur de gaz à base des oxydes métalliques :

Un multi-capteur de gaz est un micro dispositif constitue de plusieurs capteurs sur la même puce. Chaque capteur est composé en deux grandes parties :
– Système de chauffage
– Elément sensible .

Système de chauffage
Le système de chauffage d’un capteur de gaz peut être conçu soit sur un substrat, soit sur une membrane.
❖ Sur substrat : qui est essentiellement du silicium. Ce système est situé au centre du composant, il contient deux électrodes d’une part l’électrode chauffante (Heater) déposée sur une face qui est responsable du chauffage de la couche sensible et d’autre part l’électrode sensible déposée sur l’autre face, qui sert à mesurer la variation de la résistivité de la couche sensible [7].
❖ Sur membrane : dans cette morphologie, les deux électrodes de la plateforme chauffantes (électrode sensible et électrode chauffante) sont du même côté et elles sont déposées sur une membrane et non pas directement sur le support [7]. Cette technique permet de mieux isoler thermiquement la zone active du capteur et donc d’atteindre une température supérieure à 500°C avec une puissance électrique minimisée.

Au LAAS, nous avons choisi un système de chauffage sur membrane et comme nous avons indiqué ci-dessus, le système chauffant est composé essentiellement d’une électrode chauffante qui est située sur la membrane et isolée par une couche de passivation pour éviter le dysfonctionnement électrique (court-circuit) entre l’électrode chauffante et celles de la couche sensible. Cette électrode chauffante fonctionne soit en mode isotherme avec une température fixe, soit en mode dynamique avec une variation de température [11]. Cette variation de température peut être soit courte pour observer la réponse dynamique du capteur, soit lente pour observer le mécanisme de diffusion [8].

Elément sensible
Comme nous avons montré au début du paragraphe, l’élément sensible est l’une des composante principale d’un microcapteur de gaz, il est composé de :
❖ Deux électrodes sensibles pour la mesure de la résistance de la couche sensible.
❖ D’une couche sensible qui contient des matériaux sensibles à la détection des gaz comme les oxydes métalliques . Les principaux MOX utilisés dans le stage sont : le dioxyde d’étain (SnO2), l’oxyde de zinc (ZnO) et le dioxyde de cuivre (CuO) ; ces oxydes métalliques peuvent jouer sur des combinaisons de sensibilités différentes et de sélectivité plus intéressante .

Parmi les oxydes métalliques utilisés dans ce stage on trouve celles qui sont de type N comme le SnO2 [15] et le ZnO [16] et celles de type P comme le CuO [17] [8]. Dans le cas d’un oxyde métallique de type N, la conduction se fait par un échange des électrons et la conductivité diminue avec l’augmentation de la pression d’oxygène. Par contre pour les oxydes métalliques type P, la conduction se fait par des échanges des trous et la conductivité augmente avec l’augmentation de la pression d’oxygène [11]. Pour mieux comprendre le phénomène de la conductivité de la couche sensible à base des oxydes métalliques et le fonctionnement des capteurs, le paragraphe suivant illustre le principe de fonctionnement et de détection des gaz.

Table des matières

I. Introduction générale
II. Chapitre 1 : Contexte générale et cadre d’étude
1. Introduction
2. Qualité de l’air intérieur et différents contaminants
3. Gaz cibles dans l’étude
4. Méthode de détection des polluants dans l’air intérieur
4.1 Généralité sur les capteurs de gaz
4.2 Système multi capteurs : Nez électrique
5. Conclusion
III. Chapitre 2 : Réalisation de multi-capteur de gaz à base des oxydes métalliques
1. Introduction
2. Présentation de multi capteur étudié
3. Réalisation de l’échantillon de test
3.1 Finalisation de la plateforme chauffante
3.2 Montage en boitier et réalisation des bandings
3.3 Dépôt des éléments sensibles
3.4 Recuit
4. Conclusion
IV. Chapitre 3 : Caractérisation de multi-capteur de gaz
1. Introduction
2. Dispositif expérimental
2.1 Banc de dilution de gaz
2.2 Interface LabView
3. Caractérisation de multi-capteur
3.1 Méthodologie de caractérisation
3.2 Mode de fonctionnement de l’heater
4. Résultats et discussion
4.1 Test N°1
4.2 Test N°2
5. Conclusion
V. Chapitre 4 : Architecture électronique
1. Introduction
2. Synoptiques
2.1 Contrôle de la puissance de l’élément chauffante
2.2 Etude de la partie capteur (mesure de Rs)
3. Conclusion
VI. Conclusion générale
VII. Bibliographie

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