Capteur QEPAS pour la surveillance de la qualité de l'air

par Roman Rousseau

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Aurore Vicet.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de École Doctorale Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec Institut d'électronique et des systèmes (laboratoire) .


  • Résumé

    L'activité humaine, à l'échelle d'un particulier ou à l'échelle industrielle, libère de nombreuses molécules dans l'atmosphère. Même une petite quantité de certaines de ces molécules peut dégrader la qualité de l'air. Des capteurs de gaz sont donc essentiels pour mesurer la concentration de ces molécules dans l'environnement. Ils doivent satisfaire plusieurs propriétés : détecter de très faibles concentrations de molécules (sensibilité), répondre uniquement à la molécule cible et non aux autres molécules (sélectivité), avoir une bonne compacité et un faible coût. Actuellement, les capteurs sur le marché ne satisfont pas toutes ces propriétés. Une technologie prometteuse pour répondre à ce besoin repose sur la spectroscopie laser et la spectroscopie photo acoustique, en en particulier une technique appelée QEPAS. L'objectif de cette thèse est de développer un capteur de gaz pour la surveillance de la qualité de l'air, basé sur la technique QEPAS. Afin d'obtenir des seuils de détection faibles, des lasers à cascade quantiques sont employés : ils présentent une émission dans l'infra-rouge, là où de nombreuses espèces présentent de fortes absorptions moléculaires. Le capteur QEPAS est optimisé grâce à un banc de caractérisation acoustique spécifique. Le capteur a démontré de bonnes performances pour la détection du méthane, de l'éthylène et du monoxyde de carbone et a également permis de réaliser des mesures biomédicales. La stabilité du résonateur mécanique a également été étudiée. Un banc de mesure a été conçu pour la mesure de la résonance du résonateur et a permis de corriger efficacement la dérive du capteur, offrant un fort potentiel d'amélioration pour les prochains capteurs QEPAS.

  • Titre traduit

    QEPAS sensor for air quality monitoring


  • Résumé

    Human activities, at a personal and at an industrial level, cause the release of numerous molecular species in the atmosphere. Even a very low level of certain molecules can lead to the alteration of the air quality. Gas sensors are therefore required for monitoring the concentration of such molecules and must fulfill various features. They should be able to detect very little quantity of molecules (sensitivity), should respond only to the target species and not to other species (selectivity), have moderate footprint (compactness) and effective cost. However, actual commercial sensors often lack one of these properties. One promising technology to meet these requirements is based on laser spectroscopy and photoacoustic detection, and in particular a technique called QEPAS. The objective of this PhD is to develop a gas sensor for monitoring the air quality based on the QEPAS technique. In order to achieve low limits of detection, quantum cascade lasers are employed as they emit in the mid-infrared region where strong molecular absorption occurs. The QEPAS sensor is optimized, using a specific acoustic characterization setup. It demonstrates good performances for the detection of methane, ethylene and carbon monoxide and is also used for a biomedical application. Eventually, the stability of the sharply resonant mechanical resonator is studied. A setup is developed to measure its resonance and proved to successfully prevent the sensor drift, showing a strong enhancement potential for next QEPAS sensors.