Plateforme de mesure MULTI-gaz et multi-source par Spectroscopie Photo Acoustique – MULTIPAS-2

Le capteur développé utilise des lasers émettant dans l’infrarouge dont la lumière peut être absorbée par un gaz cible. Il est composé de deux parties : le laser lui-même et le système de détection. La détection est une détection photo-acoustique effectuée grâce à un diapason à quartz commercial très bon marché. Selon les espèces visées, les lasers employés seront des lasers à semiconducteurs émettant dans une gamme de longueur d’onde de 2 à 15 µm. En accordant le laser en longueur d’onde, on scanne une ou plusieurs raies d'absorption de gaz. La lumière est absorbée et provoque un échauffement local, qui à son tour donne naissance à une onde sonore. C’est cette onde sonore qui est détectée par le diapason. Compte tenu des spécificités des lasers, la technique est sélective et sensible. Elle permet de mesurer des concentrations de gaz largement inférieures au ppmv (partie par million en volume).



La spectroscopie photo acoustique infrarouge repose sur des sources lumineuses dont les caractéristiques sont bien spécifiques à l’emploi que l’on en fait. Il est nécessaire de disposer de sources de très bonne qualité spectrale,, monofréquence suffisamment puissantes et accordables. Le projet MULTIPAS s’appuie donc sur la société MIRSENSE et le laboratoire IES pour étudier et produire des sources laser à cascade quantique permettant d’atteindre les gammes spectrales d’intérêt environnemental. Si les lasers à cascade quantiques (QCL) sont connus depuis la fin des années 90, seules quelques filières connaissent un réelle maturité technologique. Dans le cadre de MULTIPAS, deux filières de matériaux sont considérées pour les QCL: la filière InAs/AlSb/InAs pour les longueurs d’ondes supérieures à 11 µm et la filière GaInAs/AlInAs/InP en dessous jusque 5 µm environ.

Dans le cadre du projet, les travaux dans ce domaine porteront sur la réalisation de sources de bonne qualité, de préférence fonctionnant en régime continu. Ces sources pourront ensuite être couplées à des multiplexeurs pour bénéficier de la flexibilité qu’offrirait une puce contenant plusieurs potentielles longueurs d’ondes d’émission. Des efforts sont donc portés également sur cette possibilité, offrant des perspectives de couplage dans les filière de matériaux SiGe.


La détection QEPAS (Quartz Enhanced Photoacoustic Spectroscopy) se décline en plusieurs configurations qui offrent toutes certains avantages. L’IES et le LPCA ont décidé de travailler sur des configurations différentes pour confronter les performances et explorer leurs possibilités. Le projet MULTIPAS a permis, en explorant ces possibilités, de proposer des études variées sur les cavité optiques, qui ont fait l’objet de publications. En parallèle de ces études optiques et opto-acoustiques, un travail de développement a été mené en collaboration avec la société VALOTEC, pour mettre au point une carte électronique de pilotage des sources, de modulation et détection, puis de traitement des données.

D’un point de vue scientifique, plusieurs publications viennent confirmer la production émanant du projet MULTIPAS. Nous avons ainsi appris à mieux comprendre l’environnement QEPAS et le design des cavité acoustiques couplées au QTF afin d’améliorer les performances de détection. Nous avons mis au point une technique de mesure en temps réel des paramètres physiques du QTF, dont la connaissance permet d’optimiser les mesures et traitements des mesures QEPAS.
L’utilisation de sources QCL a permis d’obtenir des résultats présentant de très bonnes limites de détection, sur plusieurs gaz, dans des applications environnementales et autres. Un capteur compact a été proposé, employant un laser commercial à plus basse longueur d’onde mais permettant d’atteindre des limites de détection pour trois espèces gazeuses compatibles avec les besoins exposés par ENVEA.

Le projet a permis à la société ENVEA de découvrir la détection QEPAS. ENVEA se montre intéressée par cette technique et envisage des prolonger sa collaboration avec l’IES sur ce type de capteurs.
La société MIRSENSE s’est fortement rapproché de l’IES pour créer à Montpellier une antenne dédiée à la fabrication de sources QCL InAs/AlSb à travers un transfert technologique. Les liens entre ces deux partenaires sont donc très importants et cette synergie favorisera les travaux en commun à l’avenir.
Le LPCA a travaillé en forte interaction avec l’IES sur le développement de son dispositif iQEPAS et la caractérisation conjointe de sources lasers. La collaboration de longue date entre les deux laboratoires va se prolonger dans les prochains mois afin d’avancer sur les travaux retardés par la crise sanitaire.

La production scientifique est de très bon niveau avec plusieurs publications dans des revues de rang 1. Le contexte sanitaire ne nous a malheureusement pas permis de communiquer en congrès autant que nous l’aurions souhaité durant les deux dernières années de ce projet.
Le bilan est le suivant :
- 6 articles dans des revues internationales
- 8 conférences internationales avec actes (oraux)
- 3 conférences internationales sans actes (oraux)
- 8 posters dans des conférences internationales
- 2 workshops
- 1 séminaire invité en laboratoire

Le projet MULTIPAS-2 a pour but l’étude et le développement d’un capteur multi-gaz/multi-sources, basé sur la spectroscopie photoacoustique par lasers accordables, dédié à la qualification de l’air ambiant, comme défini par le end-user du projet, Environnement SA. Si des capteurs de haute sensibilité existent déjà, ce sont des capteurs mono-gaz, très encombrants et complexes d’utilisation et de maintenance. Le capteur développé pourra offrir des performances équivalentes voire meilleures en termes de sensibilité et de sélectivité, mais pour un encombrement très largement inférieur et pour plusieurs espèces simultanément, ce qui constitue une importante rupture technologique.
Ce type d’application nécessite des performances élevées que le capteur atteindra à moindre coût grâce à une technique de détection photoacoustique à diapason en quartz résonnant (QEPAS, Quartz Enhanced Photoacoustic Spectroscopy). Le projet MULTIPAS-2 propose pour cela des avancées à la fois sur les sources lasers et sur la technique QEPAS, en portant des efforts importants sur la compacification du dispositif optique et électronique. Cinq partenaires sont impliqués, 2 académiques et 3 industriels : l’IES, le LPCA, MIRSENSE, VALOTEC et ENVIRONNEMENT SA.
Des sources lasers à semiconducteurs (émettant entre 2 et 10 µm, sélectives, mono-fréquences et de hautes puissances) seront fournies par l’IES et MIRSENSE et implantées par MIRSENSE sur une plateforme SiGe afin d’intégrer plusieurs sources pour adresser différents gaz à différentes longueurs d’ondes sur une même barrette. Cette étape constitue un premier verrou technologique qui offrira pour la première fois un composant multi-sources hybride SiGe/GaAs/GaSb. Des sources individuelles pourront dans un premier temps, être fournies aux laboratoires travaillant sur la mise au point de la technique de mesure.
La détection QEPAS offre l’intérêt d’être une technique simple, compacte, tout en étant très sensible et sélective. L’IES et le LPCA travailleront sur la mise au point et l’optimisation de la technique QEPAS avec les sources individuelles proposées par l’IES et MIRSENSE, puis avec la source intégrée. La compacification de l’ensemble, associée à la conservation d’une grande sensibilité et à la mesure simultanée de plusieurs espèces gazeuses, constitue un autre verrou technologique. VALOTEC se chargera de l’implantation sur cartes électroniques des différentes fonctions nécessaires au fonctionnement des sources et au traitement du signal du capteur. Environnement SA qualifiera le capteur développé par des mesures comparées d’analyseurs mono-gaz.
Le capteur réalisé offre d’importantes applications industrielles et sociétales (mesure des gaz sur sites de production, impact de la qualité de l’air en zone urbaine…), mais aussi pour le grand public (contrôle multigaz en maisons individuelles, contrôle de l’air intérieur des véhicules…), liées au caractère très compact du dispositif et à son aspect multi-espèces. Dans le futur, la production de masse pourra contrebalancer le coût de fabrication actuellement encore élevé de certaines sources à semiconducteurs, avec un capteur dont le coût de production pourra ne pas dépasser 1000 euros. De plus, les analyseurs mono-gaz existant en ce moment dans le marché sont vendus avec un prix compris entre 8000€ et 12000€. Ce projet propose une collaboration étroite entre partenaires académiques et industriels, avec un budget attentivement ajusté.