Brevet FR2658916A2 — publié le 19910830

FR 2658916 A2 19910830 FR 9002413 A 19900227 CAPTEUR ELECTROSTATIQUE DE PARTICULES D'AEROSOL ET APPAREILS EN COMPORTANT APPLICATION. Premier certificat d'addition à la demande de brevet français nO EN 89 084 00 du 23 juin 1989. La présente addition au brevet principal nO EN 89 084 000 du 23 juin 1989 a trait d'une façon générale au domaine de la capture électrostatique des particules d'aérosol en vue de les étudier ou de les traiter et a pour objet de façon plus précise un certain nombre d'applications particulières du capteur électrostatique décrit dans la demande de brevet principal. On commencera par rappeler que le capteur électrostatique de particules d'aérosol, objet de la demande principale se caractérise en ce qu'il comprend deux disques conducteurs coaxiaux, espacés et parallèles, entre lesquels on établit un champ électrique en les portant à des potentiels différents, l'espace compris entre les deux disques communiquant sur toute sa périphérie avec l'atmosphère à examiner, une aspiration centrale étant prévue dans cet espace pour y faire circuler, à partir de la périphérie des disques, une partie de cette atmosphère sous forme d'un écoulement laminaire centripète et stable. La demande de brevet principal décrit et revendique un certain nombre de variantes de mise en oeuvre du capteur électrostatique, objet de l'invention, ainsi qu'un certain nombre d'applications de ce capteur, notamment à la réalisation d'un spectromètre de mobilité électrique de particules, et d'un collecteur des particules contenues dans une atmosphère à examiner. La demanderesse a trouvé qu'il était encore possible d'élargir les domaines d'application du capteur électrostatique faisant l'objet de la demande de brevet principal et ce sont ces domaines d'applications complémentaires qui font précisément l'objet du présent certificat d'addition. Une première application nouvelle du capteur électrostatique objet du brevet principal réside dans la réalisation d'un sélecteur de mobilité électrique de particules d'un aérosol, caractérisé en ce que l'un au moins des deux disques conducteurs coaxiaux est muni d'une fente annulaire centrée sur l'axe commun aux deux disques, en liaison avec des moyens d'aspiration, au travers de cette fente, des particules qui se seraient normalement déposées sur le disque à l'endroit de cette fente si elle n'existait pas. Selon une variante de mise en oeuvre de ce sélecteur de mobilité, les moyens d'aspiration précédents consistent en un boîtier cylindrique, accolé à l'un des disques et renfermant la fente, et muni d'une tubulure d'aspiration pour permettre l'extraction sélective des particules ayant la mobilité électrique correspondant au rayon de la fente. Une seconde application également nouvelle du capteur électrostatique selon la demande de brevet principal réside dans la réalisation d'un appareil d'obtention d'étalon de dépôt surfacique homogène de particules sur un substrat en forme de disque. Conformément à la présente addition, cet appareil se caractérise en ce qu'on alimente le capteur électrostatique dont le substrat constitue l'un des disques conducteurs, à l'aide d'un flux particules d'aérosol ayant toutes en commun la même valeur pour deux sur trois des grandeurs que sont la mobilité électrique, la charge et la dimension, et en ce que l'on fait varier la différence de potentiel V entre les disques du capteur en fonction du temps pendant le dépôt selon la loi formule dans laquelle :: - h est la demi-distance entre les plaques; - Z est la mobilité électrique commune aux particules; - rA est la distance du point d'injection de l'aérosol par rapport à l'axe du capteur; - Q est le débit d'extraction de la phase gazeuse hors du capteur; - N est la concentration des particules dans le débit d'extraction Q, lorsque V = 0 - S est la densité surfacique des particules que l'on souhaite obtenir sur le disque de collection; - t est le temps. Une troisième application nouvelle du capteur électrostatique objet du brevet principal réside dans la réalisation d'un capteur électrostatique à collection totale selon la revendication 9 du brevet principal, apte à sélectionner tous les aérosols ayant une granulométrie inférieure à un seuil donné, caractérisé en ce qu'il comporte, sur le trajet d'introduction de la phase gazeuse contenant les aérosols, une fente annulaire calibrée pour réaliser, pour un débit d'extraction approprié la séparation inertielle des particules de granulométrie inférieure au seuil et le dépôt de ces particules sur un disque de collection. De toute façon, l'invention sera mieux comprise en se référant à la lecture qui suit d'exemples de mise en oeuvre des applications nouvelles précédentes du capteur électrostatique selon le brevet principal, description qui sera faite à titre surtout illustratif et non limitatif en se référant aux figures 1 à 4 sur lesquelles :: - la figure 1 représente le principe schématique de réalisation d'un sélecteur de mobilité électrique de particules d'un aérosol conforme à l'invention ; - la figure 2 est un schéma permettant d'expliquer la dispersion des dépôts de particules sur la plaque collectrice d'un capteur électrostatique ; - la figure 3 est un schéma simplifié d'une installation de réalisation d'un appareil d'obtention de dépôt surfacique étalon de particules sur un substrat ; - la figure 4 montre un exemple schématique de mise en oeuvre d'un capteur électrostatique à collection totale conforme à l'invention. EXEMPLE I REALISATION D'UN SELECTEUR DE MOBILITE Par sélecteur de mobilité ou analyseur différentiel de mobilité, on entend un appareil susceptible de trier les particules d'aérosols contenues dans une phase gazeuse déterminée en fonction de leur mobilité électrique, grandeur bien connue et dont la définition a été rappelée dans la demande de brevet principal. De tels appareils existent déjà dans l'industrie et sont utilisés soit pour produire des aérosols de mobilité électrique connue, soit même dans certains cas, des aérosols ayant un diamètre parfaitement déterminé et souvent désignés par les spécialistes sous la terminologie d'aérosols monodispersés (en terminologie anglo-saxonne "mono-dispersed"). Dans les réalisations connues jusqu'à ce jour, les sélecteurs de mobilité électrique ont une symétrie cylindrique et les deux électrodes en présence sont constituées respectivement par deux cylindres métalliques conducteurs creux coaxiaux de diamètres différents. Le cylindre central est muni d'une fente circulaire dans laquelle sont aspirées les particules de mobilité électrique déterminée. Cette géométrie présente l'inconvenient de ne pas être suffisamment compacte pour certaines applications que l'on envisage. En revanche, en réalisant un sélecteur de mobilité selon le modèle représenté schématiquement figure 1, dans lequel on retrouve le capteur électrostatique selon le brevet principal avec ses deux disques coaxiaux 16 et 18, et sa tubulure 8 d'extraction, on peut résoudre le problème de façon simple et élégante. En effet, sur la figure 1 on voit que les bords latéraux du capteur électrostatique précédent comportent deux ouvertures : une ouverture supérieure 70 par laquelle sont aspirés les aérosols à analyser et une ouverture inférieure 72 munie d'un filtre de propreté 74 par laquelle est injecté l'air de balayage extrait par la tubulure 8. Conformément à l'invention, le disque conducteur inférieur 16 est muni d'une fente annulaire 76 centrée sur l'axe commun 78 des deux disques 16 et 18 et, on aspire par cette fente annulaire 76 les particules dont la trajectoire moyenne entre le point A et le point B est schématisée en pointillé par la ligne 80 sur la figure ; ces particules sont aspirées au travers de la fente 76 en raison du fait que leur lieu normal d'impact en l'absence de cette fente 76 aurait été le point B situé à la distance de l'axe 78 égal au rayon de la fente annulaire 76. Pour réaliser cette aspiration, plusieurs moyens peuvent être utilisés sans sortir du cadre de l'invention ; notamment, et comme c'est le cas dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, on peut utiliser un boîtier cylindrique 82 accolé sous le disque 18 et muni d'une tubulure 84 axiale par exemple, par laquelle on aspire un débit q très inférieur au débit d'extraction primaire Q soutiré par la canalisation 8. De cette façon, on recueille par la tubulure 84 toutes les particules d'aérosols qui ont traversé la fente annulaire 76 et qui ont par définition la même mobilité électrique. Pour régler cette mobilité électrique à la valeur souhaitable cas par cas, on peut agir sur les deux paramètres que sont le débit Q d'une part et la différence de potentiel V appliquée conformément à l'invention entre les deux disques conducteurs coaxiaux 16 et 18. EXEMPLE II APPAREIL D'OBTENTION D'UN DEPOT SURFACIQUE ETALON L'exemple qui suit concerne une application du capteur électrostatique selon la revendication 1 du brevet principal à la réalisation d'un appareil d'obtention d'étalon de dépôt surfacique homogène de particules sur un substrat en forme de disque. Un certain nombre de développements industriels récents, et notamment la nécessité de réaliser dans de grands volumes de travail des atmosphères de haute pureté vis-à-vis de la contamination par des particules de poussières (salles blanches), rendent de plus en plus nécessaire l'étude des aérosols contenus dans l'atmosphère et par là-même la connaissance aussi exacte que possible du taux de contamination d'une atmosphère déterminée. A cet effet, il est utile de disposer d'étalons de surface, notamment de tranches de silicium (en terminologie anglo-saxonne "waters") "contaminées" qui sont des étalons en dimension ou en concentration des particules déposées sur un substrat. On a ainsi déjà réalisé artificiellement des tranches de silicium "contaminées" à l'aide d'aérosols de microsphères de polystyrène en latex monodispersé qui permettent l'étalonnage en dimension de particules des appareils d'analyse de dépôt surfacique. Les méthodes utilisées pour réaliser de tels dépôts sont actuellement mal connues et ne peuvent par conséquent être employées ou reproduites facilement. Dans d'autres réalisations, de même nature, on a réalisé des étalons en concentration de particules par gravure de points microscopiques sur un substrat, le nombre de ces points étant parfaitement déterminé et connu par procédé photolithographique. Il est évident que cette technique est délicate à mettre en oeuvre et qu'elle conduit à des étalons relativement coûteux. La présente invention a pour objet un procédé qui permet de réaliser des contaminations surfaciques étalons, à la fois en dimension et en concentration tout en garantissant un dépôt particulièrement homogène. Elle peut de plus être appliquée pour déposer sur des substrats des particules de nature physico-chimique parfaitement maîtrisée pour les besoins de la recherche, notamment en microélectronique. La demanderesse a effectivement trouvé qu'il était possible d'appliquer le capteur électrostatique de particules d'aérosol objet de la demande de brevet principal pour obtenir un tel dépôt en constituant simplement l'un des deux disques conducteurs du capteur électrostatique par le substrat sur lequel on veut déposer la contamination étalon. En se référant à la figure 2 ci-jointe qui montre un capteur électrostatique selon le brevet principal, on va d'abord expliquer le principe physique qui est à la base de cette application. Sur cette figure 2 on a représenté le capteur schématiquement par ses deux disques coaxiaux conducteurs 16 et 18 et sa tubulure 8 d'aspiration du débit d'extraction Q. L'entrée des particules d'aérosols que l'on veut déposer sur le disque inférieur 16 est située sur la surface du disque 18 et revêt la forme d'une fente annulaire d'injection 12 au travers de laquelle ces particules sont aspirées. Si le débit gazeux d'aspiration par la fente annulaire 12 est q, il est clair que le débit de gaz d'entraînement nécessaire à la périphérie ouverte des deux disques coaxiaux 16 et 18 est égal à Q-q.Si l'on appelle Z la mobilité électrique des particules, 2h la distance séparant les disques électrodes 16 et 18, rA la distance radiale de la fente annulaire 12 par rapport à l'axe du système et r le rayon d'impact d'une particule donnée, la théorie de l'appareil montre qu'à l'intérieur du capteur sur le disque 16, les particules d'aérosols se déposent sur une circonférence de rayon r défini par la formule suivante : formule dans laquelle V est la différence de potentiel appliquée entre les électrodes coaxiales circulaires 16 et 18.Dans la formule précédente, si l'on considère que dans un cas particulier donné, les valeurs du débit Q de la tension V sont fixées, on voit donc que c'est uniquement en fonction de leur mobilité électrique Z que les différentes particules constituant l'aérosol pénétrant par la fente annulaire 12 dans le capteur se répartissent selon différents rayons à la surface de l'électrode circulaire 16. Si l'on veut par conséquent déplacer le dépôt des particules du rayon r vers le rayon r+dr il n'y a que deux possibilités qui consistent soit à diminuer le débit d'aspiration Q soit à augmenter la tension V. Comme expérimentalement cette seconde solution est de loin la plus facile et surtout la plus précise, c'est celle que l'on choisit dans le cadre de la présente invention. Par conséquent, c'est en effectuant un balayage de la tension et en la faisant passer de façon continue par diverses valeurs que l'on obtiendra une dispersion du dépôt des particules d'aérosols sur l'électrode circulaire 16 utilisée comme substrat du futur étalon surfacique. Mais bien entendu, cette tension V ne doit pas varier de façon quelconque en fonction du temps si l'on veut réaliser un étalon dont la concentration surfacique soit homogène, c'est-à-dire qui ait toujours en tous points le même nombre de particules par unité de surface. Pour réaliser l'homogénéité d'un tel dépôt, la tension V doit varier dans le temps selon une loi particulière que la demanderesse a déterminée et qui s'exprime par la formule suivante : formule dans laquelle S est la densité surfacique que l'on veut obtenir sur l'électrode 16 de dépôt, t est le temps et N la concentration des particules dans le débit Q d'extraction lorsque V = 0. Par ailleurs, le résultat précédent ne peut pas être obtenu à partir de n'importe quelle population de particules d'aérosols. En effet, trois grandeurs caractérisent les particules de tout aérosol, à savoir la mobilité électrique, la charge électrique et la dimension de chaque particule. Sans entrer dans le détail de la théorie, qui n'est d'ailleurs pas nécessaire à la compréhension et à la reproductibilité des moyens de l'invention, on indiquera tout de même que ces trois grandeurs sont liées entre elles par une relation qui s'écrit de la façon suivante : Z = peC 3tb d équation dans laquelle Z est la mobilité électrique d'une particule, e la charge élémentaire, p le nombre de charges élémentaires d'une particule, C est un coefficient et d est le diamètre de chaque particule. il en résulte par conséquent que l'égalité pour toutes les particules de deux au moins de ces trois grandeurs est suffisante pour qu'à partir de l'aérosol ainsi constitué, on obtienne, en appliquant la loi précédente de variation de la tension V en fonction du temps, un dépôt surfacique homogène. En se référant à la figure 3, on va décrire maintenant le schéma de principe de l'application du capteur électrostatique de particules d'aérosols à la fabrication d'un étalon surfacique de concentration. Sur cette figure 3, on a représenté le capteur électrostatique 87 selon le brevet principal muni de ses disques électrodes concentriques 16 et 18 et de sa fente annulaire 12 pour l'accès des aérosols à disperser à l'intérieur du capteur 87, l'ensemble étant situé dans une enceinte fermée 86 alimentée par la canalisation 88 à l'aide d'un flux gazeux contenant les particules d'aérosols. Le débit d'aspiration principal Q du capteur électrostatique 87 circule dans ce dernier et dans l'enceinte 86 grâce à une canalisation 90 ; il est injecté au travers d'un filtre 92 et rejeté à l'extérieur de l'enceinte 86 après avoir rempli sa fonction d'entraînement. Une canalisation 94 permet d'extraire et d'évacuer vers l'extérieur au travers du filtre 96, l'excès d'atmosphère éventuellement contenue dans l'enceinte 86. Selon l'invention, les particules d'aérosol qui pénètrent dans l'enceinte 86 par la conduite 88 ont des caractéristiques prédéterminées et notamment la même valeur pour toutes les particules de deux sur trois des grandeurs que sont la mobilité électrique, la charge et la dimension. Dans un cas particulier, mais d'emploi fréquent, l'aérosol est réalisé à l'aide de billes de latex calibrées et l'homme de métier sait alors qu'il est facile, en faisant passer l'aérosol ainsi formé au travers d'un sélecteur différentiel de mobilité, d'obtenir une population de particules d'aérosols qui ont toutes à la fois la même charge électrique, la même dimension et la même mobilité électrique. Ce cas particulièrement facile à mettre en oeuvre permet notamment d'alimenter la conduite 88 à l'entrée de l'enceinte 86. Quoi qu'il en soit, en respectant Les conditions de nature particulière de l'aérosol injecté et de variation de la différence de potentiel V entre les deux disques 16 et 18 en fonction du temps, on obtient sur l'électrode 16, utilisée comme substrat de dépôt, une contamination surfacique homogène ayant une valeur S (en nombre de particules par unité de surface) choisie à l'avance. EXEMPLE III CAPTEUR A SELECTION TOTALE DES PARTICULES DE GRANULOMETRIE INFERIEURE A UN SEUIL DONNE Cet exemple est relatif à l'application du capteur électrostatique selon la revendication 9 du brevet principal à la réalisation d'un appareil qui permet de capter tous les aérosols ayant une granulométrie inférieure à un seuil donné. Un tel appareil possède un grand nombre d'applications possibles, l'une des principales étant l'étude dans une atmosphère comportant des aérosols dispersés en granulométrie, de ceux qui sont normalement inhalés par les voies respiratoires de l'homme, puisque l'on admet généralement que les particules inspirables par l'homme et susceptibles de franchir le larynx sont celles qui ont une granulométrie inférieure à 10 micromètres.Cet appareil permet donc de collecter dans une atmosphère quelconque la totalité des poussières qu'un être humain, présent dans cette atmosphère, aurait inhalées. L'appareil de sélection totale, objet de la présente application combine le principe de la sélection granulométrique par séparation inertielle avec un capteur électrostatique de collection totale tel qu'il a été défini et revendiqué en se référant à la figure 7 et à la revendication 9 du brevet principal. Sur la figure 4 qui montre schématiquement la réalisation du capteur à sélection totale, on reconnaît le capteur proprement dit tel qu'il était décrit sur la figure 7 du brevet principal avec ses électrodes 16 et 18 dont l'électrode 16 est un émetteur ionisant, sa grille équipotentielle 60 et sa tubulure centrale d'aspiration 8 par laquelle est évacué le débit Q2. Conformément à la présente invention, on a combiné avec cette structure une structure de sélection granulométrique par séparation inertielle qui se compose essentiellement, dans le courant gazeux pénétrant à la périphérie 12 de l'appareil sous un débit Q1+Q2 d'une fente annulaire 98 d'une largeur de l'ordre du millimètre par laquelle est aspiré dans l'espace compris entre les électrodes coaxiales 16 et 18 le débit d'atmosphère Q2.La fraction restante Q1 du débit d'entrée en 12 dans l'appareil qui ne pénètre pas dans le capteur électrostatique est évacuée directement par une autre tubulure centrale 100. Conformément à l'invention, la fente 98 en combinaison avec le débit d'aspiration Q2 qui la traverse constitue un séparateur inertiel de sélection granulomètrique et c'est par le choix convenable et selon des modalités connues de l'homme de métier que l'on réalise la coupure à une granulométrie voulue des particules d'aérosols pénétrant dans le capteur en choisissant la dimension de la fente annulaire et le débit Q2 qui la traverse. Dans un exemple fréquent de mise en oeuvre de la présente application, on choisit précisément les dimensions de la fente annulaire 98 et la valeur du débit Q2 pour obtenir une coupure des particules au diamètre aérodynamique de 10 micromètres, ce qui réalise, par des moyens physiques, la sélection granulométrique qui aurait eu lieu dans le larynx d'un être humain. De cette façon, toutes les particules qu'aurait inhalées cet être humain pénètrent par la fente 98 et sont ensuite absorbées et fixées sur la plaque de collection 18 du capteur électrostatique à sélection totale dans le but d'une analyse ultérieure. REVENDICATIONS 1. Application du capteur électrostatique selon la revendication 1 du brevet principal à la réalisation d'un sélecteur de mobilité électrique des particules d'un aérosol, caractérisée en ce que l'un au moins des deux disques conducteurs coaxiaux (16, 18) est muni d'une fente annulaire (76) centrée sur l'axe commun aux deux disques en liaison avec des moyens d'aspiration (84), au travers de cette fente, des particules qui se seraient normalement déposées sur le disque à l'endroit de cette fente si elle n' existait pas. 2. Application du capteur électrostatique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'aspiration consistent en un boîtier cylindrique (82), accolé sous le disque (16), renfermant la fente (76), et muni d'une tubulure d'aspiration (84) pour permettre l'extraction sélective des particules ayant la mobilité électrique correspondant au rayon de la fente (76). 3. Application du capteur électrostatique selon la revendication 1 du brevet principal à la réalisation d'un appareil d'obtention d'étalons de dépôts surfaciques homogènes de particules sur un substrat en forme de disque, caractérisée en ce qu'on alimente le capteur électrostatique dont le substrat constitue l'un des disques conducteurs, à l'aide d'un flux d'aérosol de particules ayant toutes en commun la même valeur pour deux sur trois des grandeurs que sont la mobilité électrique, la charge et la dimension, et en ce qu'on fait varier la différence de potentiel V entre les disques du capteur en fonction du temps pendant le dépôt selon la loi :: formule dans laquelle - h est la demi-distance entre les plaques ; - Z est la mobilité électrique commune aux particules ; - rA est la distance du point d'injection de l'aérosol par rapport à l'axe du capteur ; - Q est le débit d'extraction de la phase gazeuse hors du capteur ; - N est la concentration des particules dans le débit d'extraction Q, lorsque V = 0 ; - S est la densité surfacique des particules que l'on souhaite obtenir sur le disque de collection ; - t est le temps. 4. Application du capteur électrostatique à collection totale selon la revendication 9 du brevet principal à la réalisation d'un capteur à sélection totale de tous les aérosols ayant une granulométrie inférieure à un seuil donné, caractérisée en ce que ce capteur comporte sur le trajet d'introduction de la phase gazeuse contenant les aérosols une fente annulaire calibrée (98) pour réaliser, pour un débit d'extraction approprié la séparation inertielle des particules de granulométrie inférieure au seuil choisi.