Qualité de l’air : vers des capteurs qui détectent et identifient les particules fines

Mis au point par le CEA-Leti, μPMSense est un capteur optique innovant qui, en plus de détecter des particulières fines de seulement 0,3 µm, identifie et classifie les particules par type – non organiques, métalliques ou à base de carbone – , ce que les produits commerciaux ne sont pas capables d’accomplir à l’heure actuelle.

L’explosion du marché de la surveillance de la qualité de l’air tant au niveau des agglomérations que des bâtiments (entreprises, écoles, etc.) est l’une des conséquences de la prise de conscience des enjeux environnementaux de nos sociétés.

La détection et l’identification des particules fines, capables de se frayer un chemin jusqu’aux poumons, constituent l’une des composantes importantes de la surveillance de la qualité de l’air mais pas forcément la plus facile à réaliser d’un point de vue technique, les détecteurs optiques du marché ne décelant que rarement des particules submicroniques.

Le CEA-Leti s’est attelé au problème et a mis au point μPMSense, un capteur optique capable non seulement de détecter des particules de moins de 0,3 µm de diamètre mais également d’identifier le type de particules (particules non organiques, métalliques ou à base de carbone), de les quantifier et de les classifier. Autant de fonctionnalités que les produits du commerce ne peuvent prendre en charge.

Un capteur Cmos perforé

La structure du capteur développé par le CEA-Leti repose sur trois éléments : une source laser à semi-conducteur dans le visible, un micro-ventilateur et un astucieux imageur Cmos perforé. Et c’est là que réside l’originalité du μPMSense : un flux d’air ambiant généré par le micro-ventilateur est guidé vers la zone de détection par un canal fluidique – le micro-trou dans le capteur Cmos perforé – dans lequel un faisceau laser illumine les particules amenées par le flux d’air, explique-t-on au CEA-Leti.

L’imageur récupère alors la lumière diffractée par les particules présentes dans le canal dont la signature spectrale est ensuite analysée et convertie en informations exploitables à l’aide d’un brin de machine learning, permettant ainsi de quantifier et de classifier les particules par taille et par type (particules non organiques, métalliques ou à base de carbone).

Selon ses concepteurs, ce dispositif est capable de détecter des particules uniques, ne souffre d’aucun faux positifs dus à l’humidité et présente une résolution élevée de 1 μg/m3.

Bien que fonctionnelle, la technologie du CEA-Leti doit encore être améliorée en matière de miniaturisation du dispositif et d’optimisation de la fluidique. L’organisme de R&D travaille notamment sur l’intégration de tous les éléments sur une puce, en particulier le micro-ventilateur. Actuellement, l’ensemble des éléments (imageur Cmos perforé, ventilateur et source de lumière) occupe un volume d’environ 1 cm3.

La détection et le comptage de particules fines, la surveillance de la qualité de l’air et la détection de pollens et autres agents pathogènes clés figurent parmi les applications potentielles du capteur μPMSense.