Conception d'un micro-système capte de gaz à semiconducte pour la métrologie des gaz de la pollution atmosphérique – POLL-CAP

1- contexte scientifique et objectifs du projet Suite au développement de complexes industriels, à l'augmentation des moyens de chauffage individuels et à l'accroissement du trafic routier, la pollution atmosphérique en milieu urbain est devenue préoccupante et constitue un danger réel sanitaire. Notre objectif consiste à mettre en oeuvre un micro-système capteur de gaz permettant de mesurer sélectivement les quantités de trois gaz de la pollution atmosphérique rencontrés en milieu urbain : l'ozone, le dioxyde d'azote ainsi que le monoxyde de carbone. Le microsystème a pour vocation de se substituer aux analyseurs de gaz utilisés par les réseaux de mesure de la qualité de l'air. Ce micro-système comprendra un ou plusieurs capteurs de gaz à base de semi-conducteurs qu'on associera à une structure leur permettant d'accéder à une détection sélective des trois composés gazeux. Deux voies sont envisagées pour constituer cette structure additive : - le micro-système est constitué de trois capteurs scrutant respectivement le gaz pour lequel sa sensibilité est maximale. Chaque capteur est muni d'un filtre spécifique à chacun d'eux, permettant l'élimination des gaz interférents, tout en préservant intégralement la concentration du composé qui est suivi. Pour chaque capteur, la détection est donc rendue sélective puisque le seul gaz présent dans son atmosphère sera celui dont il aura la charge de mesurer la concentration. - Le micro-système est constitué d'un seul capteur associé à une structure miniaturisée permettant de séparer les composés gazeux en amont, identiquement au principe mis en œuvre classiquement dans la chromatographie en phase gazeuse. Les deux voies seront explorées afin de déterminer celle qui présente les meilleures paramètres métrologiques dans le contexte du projet. Ce projet très pluridisciplinaire rassemble les compétences complémentaires de quatre laboratoires émargeant à des disciplines différentes : - le Laboratoire des Sciences et Matériaux pour l'Electronique et d'Automatique (LASMEA) du secteur Ingénierie et mipu , UMR 6602 CNRS/Université Blaise Pascal (Clermont-Fd), - le Laboratoire de Chimie Inorganique et Matériaux Moléculaires (CIM2) du secteur Chimie UMR 7071 CNRS/Université ParisVI - le Laboratoire de Microanalyses Nucléaires (LMNAC) du secteur Chimie UMR E4 CEA/Université de Franche-Comté (Besançon) - le Laboratoire des Matériaux Inorganiques (LMI) du secteur Chimie UMR 6002 CNRS/Université Blaise Pascal (Clermont-Fd). - 2- description du projet, méthodologie Le LASMEA et CIM2 travaillent en collaboration depuis plusieurs années dans le domaine de l'étude et l'optimisation des interactions gaz/matériaux afin de réaliser des dispositifs capteurs de gaz. Leur expérience dans ce domaine leur permet de proposer deux matériaux semi-conducteurs en tant qu'éléments sensibles judicieusement choisis en regard des sensibilités qu'ils présentent vis-à-vis des gaz cibles : le dioxyde d'étain (SnO2) et les semi-conducteurs moléculaires de type phtalocyanine. Les structures capteurs seront réalisées pour partie au LASMEA et seront testés aux gaz ozone, dioxyde d'azote et monoxyde de carbone dilués dans de l'air propre au sein des deux Laboratoires LASMEA et CIM2. Les structures filtres seront conçues, caractérisées et analysées au sein du LMI, à base de matrices de nanotubes de carbone fonctionnalisés au moyen de sites actifs permettant l'élimination de gaz interférents mais préservant en intégralité le gaz qui sera scruté en aval par le capteur de gaz adapté. Une fois ces filtres mis au point et ayant subis avec succès les tests aux gaz sur la banc de mesure du LASMEA, ils seront assemblés avec les capteurs de gaz afin de constituer un prototype qui sera également testé au LASMEA en vue d'être optimisé. Les structures séparatrices des composés gazeux seront élaborées par le LMNAC. Les micro-colonnes chromatographiques envisagées dans le cadre de ce projet, s'inspireront de celles développées récem...