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  • VEILLE TECHNOLOGIQUE CAPTEURS DE GAZ

    I. ZDANEVITCH

    Laboratoire Central de Surveillance de la Qualit de lAir(LCSQA)

    C o n ve n t i o n 18 / 99

  • INERIS DRC - 00-23446- AIRE - rap567-3.doc-IZd

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    VEILLE TECHNOLOGIQUE CAPTEURS DE GAZ

    DECEMBRE 2000

    ISABELLE ZDANEVITCH

    Ce document comporte 34 pages (hors couverture et annexes).

    Rdaction Vrification ApprobationNOM Isabelle ZDANEVITCH Michel NOMINE Martine RAMEL

    Qualit Ingnieur lunit Qualit delAir

    Dlgu scientifique de laDirection des Risques

    Chroniques

    Responsable du LaboratoireCentral de Surveillance de

    Qualit de lAir

    Visa

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    TABLE DES MATIERES

    1. RSUM...................................................................................................................4

    2. INTRODUCTION ....................................................................................................5

    3. DESCRIPTION DES TECHNIQUES CAPTEURS .............................................6Principe de base..........................................................................................................6

    Capteurs lectrochimiques..........................................................................................7

    Capteurs rsonnants (piezo-lectriques) : QCM (Quartz cristal microbalance), SAW(Surface acoustic wave) ..................................................................................10

    Capteurs optiques : diodes laser, fibres optiques, guides donde, interfromtresminiaturiss .....................................................................................................13

    Biocapteurs ...............................................................................................................15

    4. ENQUETE AUPRES DES RESEAUX.................................................................16

    5. DEVELOPPEMENTS EN EUROPE SUR LESQUELS NOUS AVONS EUDES CONTACTS...................................................................................................195.1 Equipes rencontres ou contactes avec laide des rseaux............................19

    5.2 Contacts obtenus par dautres voies que par les ASQA..................................21

    5.3 Equipes rencontres lors de la journe dautomne du CMC2, Dijon, novembre1999 : ..............................................................................................................25

    5.4 Autres contacts : UMWELTSENSORTECHNIK GmbH (M. Kiesewetter) ..27

    6. ETUDE DOCUMENTAIRE .................................................................................286.1 Analyse de la bibliographie.............................................................................28

    6.2 Dveloppements ltranger ..........................................................................29

    7. POURSUITE DE LETUDE ; PERSPECTIVES................................................32

    8. CONCLUSIONS.....................................................................................................33

    9. REFERENCES .......................................................................................................34

    10. LISTE DES ANNEXES .........................................................................................35

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    1. RESUME

    Depuis une dizaine dannes, les capteurs de gaz ont connu des amliorations de sensibilittelles quelles permettent denvisager lemploi de ces technologies pour la mesure decertains polluants atmosphriques. Il est donc intressant de suivre ces dveloppements,qui pourraient fournir la base dappareils complmentaires aux analyseurs en continuutiliss par les rseaux, voire des capteurs portatifs. La miniaturisation de llmentsensible permet denvisager dappliquer ces techniques : la localisation dune source ponctuelle de pollution, la recherche dun nouvel emplacement pour une station fixe, la mise en uvre dune surveillance limite dans le temps, la mesure de lexposition

    des personnes, et, par une multiplication des points de mesure, la ralisation de cartographies de

    polluants.

    Nous avons procd une tude documentaire (recherche bibliographique et Internet) surles dveloppements en cours en France et ltranger : nous avons recens de nombreuxdveloppements sur cette application sur les trois dernires annes. Nous avons rencontrou contact plusieurs quipes de recherche et industriels, en France mais aussi en Suisse eten Allemagne. En France, les dveloppements portent surtout sur les techniques semi-conducteurs (oxydes mtalliques ou couches minces organiques), sur lesquelles lesconnaissances sont approfondies. Les techniques optiques qui sont galement intressantessont plus dveloppes ltranger.

    Les polluants susceptibles dtre suivis par ces techniques sont dabord lozone, les oxydesdazote et le monoxyde de carbone, suivis de composs organiques volatils divers.Compte-tenu des technologies et des concentrations releves lair ambiant, lozone et lesoxydes dazote seront probablement les premires applications bien couvertes. Ainsi, nouspensons essayer lINERIS diffrents capteurs dozone ds la premire moiti de 2001. Leprotocole dessai, quoique driv de la norme NF X 20-300 utilise pour lvaluation desanalyseurs en continu, devra tre adapt ces technologies. Le recherche documentairesera galement poursuivie.

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    2. INTRODUCTION

    Depuis une dizaine dannes, les capteurs de gaz toxiques ont connu des amliorations desensibilit telles quelles permettent denvisager lemploi de ces technologies pour lamesure de certains polluants atmosphriques. En effet, plusieurs techniques ont montr enlaboratoire des seuils de dtection des gaz trs infrieurs la ppmv. Il est donc intressantde suivre ces dveloppements, qui pourraient fournir la base dappareils complmentairesaux analyseurs en continu utiliss par les rseaux, voire des capteurs portatifs.

    Les avantages apports par les techniques capteurs sont dus la miniaturisation dellment sensible, qui permet de limiter la taille et le poids de lappareil intgrant lecapteur, son besoin en nergie et son cot. Ceci permet denvisager diffrentes applicationsnon ou mal couvertes par les analyseurs : localiser rapidement une source ponctuelle de pollution, chercher le meilleur emplacement pour une station fixe, effectuer une surveillance limite dans le temps, mesurer lexposition des personnes, et, par lutilisation de plusieurs appareils, multiplier les points de mesure, par

    exemple pour raliser des cartographies de polluants.

    La sensibilit aux gaz mesurs est trs variable selon la technique, ainsi que la dure devie, la stabilit dans le temps et la sensibilit aux interfrents, quil sagisse des paramtresdambiance ou de gaz prsents dans le milieu surveiller. On voit que la slection dunetechnique devra faire appel plusieurs critres. De plus, les diffrentes techniques nedonnent pas accs aux mmes espces chimiques. Les applications environnementales descapteurs chimiques ne sont tudies que depuis peu de temps, et par peu dquipes enFrance, bien que lon sente merger un besoin dans ce domaine. LINERIS sest intressau sujet depuis plusieurs annes : lquipe du Laboratoire capteurs gaz, qui travaillaitdepuis la fin des annes 80 au dveloppement dun micro-capteur catalytique (Accorsi etal, 1991, Zdanvitch et al, 1993, 1998) et lvaluation de dtecteur commerciaux pour lesgaz combustibles et toxiques, a abord les applications environnementales ds 1994, par unprojet de recherches sur la surveillance en continu de dcharges dordures mnagres :composition du biogaz et des lixiviats (Zdanvitch, 1995). Les techniques mergentestaient alors peu nombreuses, comme le dmontrera la bibliographie : nous avionsseulement eu connaissance dun capteur dozone base doxyde dindium dvelopp auJapon par la socit New Cosmos.

    Le but de la prsente tude est de faire ltat des lieux sur les dveloppements de cestechniques, tant en France qu ltranger, qui permettent denvisager dans un futur procheleur utilisation pour les applications cites ci-dessus. Cet tat des lieux comprend : la rencontre des quipes franaises qui dveloppent des capteurs gaz et qui explorent

    les applications la mesure de polluants gazeux, et en particulier celles qui sont djen contact avec des rseaux de surveillance de la qualit de lair

    une recherche bibliographique dans les bases de donnes classiques, une recherche sur Internet avec les mmes mots cls.Il faut ensuite prendre en compte ltat du dveloppement, et valuer les performancesatteintes par les techniques en relation avec celles ncessites par les applications.

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    3. DESCRIPTION DES TECHNIQUES CAPTEURSLa mesure dun gaz ou dune vapeur prsent dans lair peut se faire laide de diffrentestechniques, dont le choix est fonction de lespce dtecter, de sa concentration et delventuelle prsence dautres composs. Les techniques ne sont pas toutes miniaturises lheure actuelle. Lannexe A, extraite dune tude de lINERIS (Accorsi, Zdanvitch,1997), recense les diffrentes possibilits. Les techniques de capteurs de gaz miniaturisssont dcrits dans diffrents ouvrages (par exemple, Jaffrezic et al, ou Janata 1989). Lesprincipaux types de capteurs de gaz sont prsents ci-aprs.

    Principe de baseUn capteur chimique (ou biochimique, physico-chimique) permet la traduction de laconcentration dune espce chimique en signal lectrique. Ce dispositif est constitucomme reprsent en Figure 1 dune partie de reconnaissance la partie sensible couple un systme de transduction, qui transforme le processus de reconnaissance en un signallectrique gnralement amplifi.

    Figure 1 : principe dun capteur de g