Brevet FR2842602A1 — publié le 20040123

DETECTEUR POUR LA MESURE DE LA QUALITE DE L'AIR Domaine technique et art antérieur L'invention concerne un détecteur pour la mesure de la qualité de l'air. Les polluants présents dans l'air sont principalement les oxydes de soufre (S0x), les oxydes d'azote (N0O), l'ozone (03), le monoxyde de carbone (CO), les BTX (benzène, toluène, xylène), les composés métalliques (Pb, Hg,...), etc. Une mesure de qualité de l'air se caractérise par des mesures de très faibles concentrations de polluants, par exemple de O à 0,5 ppm pour le S02, de O à 0,3 ppm pour le N02 et 1'03. La sensibilité nécessaire pour calculer les différents niveaux des indices officiels de la qualité de l'air est de l'ordre de 0,01 ppm. Selon l'art connu, les mesures de la qualité de l'air reposent sur le principe d'une mesure spécifique de chaque polluant présent dans l'air. Un détecteur comprend un dispositif de prélèvement d'air et une chambre d'analyse de l'air prélevé. Il est composé de dispositifs volumineux, très coteux, nécessitant des étalonnages fréquents et une maintenance importante. Les détecteurs utilisés à ce jour relèvent de la métrologie de laboratoire. Leur qualité intrinsèque est limitée par les conditions de prélèvement sur le terrain. Les détecteurs des réseaux de mesure agréés s'appuient aujourd'hui sur des procédures normalisées utilisant, typiquement, la fluorescence UV pour le B 14031.3/PR dioxyde de soufre (SO2), la chimiluminescence pour le dioxyde d'azote (NO2), la spectrométrie (absorption) UV pour l'ozone (03) et la spectrométrie (absorption) IR pour le monoxyde de carbone (CO). Les indices de qualité de l'air sont établis sur la base d'échelles de concentration pour chaque polluant. A partir des mesures effectuées, on attribue à chaque polluant un indice (typiquement de 1 à 10) reflétant son niveau de concentration dans l'air. Un indice global de la qualité de l'air est alors proposé, correspondant le plus souvent à l'indice le plus élevé des indices mesurés. La mesure d'un indice de qualité de l'air selon l'art connu met en oeuvre un ensemble de dispositifs de mesure volumineux, communément appelé balise, d'un cot élevé et nécessitant une maintenance importante. Chaque polluant nécessite une mesure spécifique. Ces contraintes limitent le nombre de balises implantées par unité de surface de territoire et réduisent en conséquence l'information disponible pour le grand public. Par ailleurs, depuis une vingtaine d'année, des développements technologiques ont porté sur la mise au point de microcapteurs chimiques pour la mesure de risques industriels tels que, par exemple, la mesure du monoxyde de carbone pour le contrôle de véhicule. Les microcapteurs chimiques reposent sur des réactions d'adsorption et/ou de catalyse de gaz qui interviennent sur des composants usinés conformément à une technologie connue de l'homme du métier sous l'appellation de technologie " MEMS " (MEMS pour B 14031.3/PR " Micro Electro-Mecanical System "). Les microcapteurs chimiques se partagent en deux catégories principales. Une première catégorie constitue les microcapteurs électrochimiques dont les mesures reposent sur des réactions électrochimiques. Une deuxième catégorie constitue les microcapteurs semi-conducteurs résistifs dont les mesures reposent sur des réactions de sorption. Les microcapteurs électrochimiques sont basés sur des réactions catalytiques. Le principe de la mesure repose sur le fait que le gaz polluant à mesurer réagit chimiquement avec un constituant du matériau qui constitue le microcapteur. Le gaz polluant est oxydé ou réduit par des électrodes en matériaux spécifiques, en contact avec un électrolyte, par exemple un électrolyte solide. On mesure les conséquences électriques (courants, différences de potentiel) induites par ces réactions d'oxydo-réduction. Cette technologie est par nature très sélective. Le choix du couple électrode-électrolyte détermine chimiquement la réaction de catalyse. Le coeur du principe physique est linéaire et ne nécessite pas de ré-étalonnage. Les microcapteurs semi-conducteurs résistifs mettent en oeuvre des réactions d'adsorption des polluants sur un oxyde métallique semiconducteur déposé en couche mince. Le semi-conducteur possède des sites actifs qui, à l'ordre zéro, fixent l'oxygène de l'air sous les formes 02-, O-, OU 02. Ce mode de chimie30 sorption de l'oxygène se traduit par des transferts de charges dans le semi-conducteur et par la création de B 14031.3/PR barrières de potentiel pour la circulation des électrons dans le matériau. Ces phénomènes conduisent à une variation de la conductivité électrique du matériau, variation mesurable par deux électrodes au contact du semiconducteur. Les gaz réducteurs réagissent avec l'oxygène adsorbé par oxydoréduction, ce qui conduit à la libération de charges dans la couche active. Ceci induit une variation mesurable de la résistance du matériau proportionnelle à la concentration en gaz réducteur dans l'atmosphère. Les gaz oxydants ont le même comportement que l'oxygène. Les transferts de charge mentionnés ci-dessus sont très dépendants de paramètres tels que la température, la nature du métal, les dopants, la géométrie du système, la porosité, etc. En l'absence d'optimisation de ces paramètres, un microcapteur semiconducteur résistif manque de sélectivité. Selon l'art connu, la conception d'un microcapteur semi- conducteur résistif pour la mesure d'un gaz polluant conduit alors à optimiser ces paramètres afin de rendre le microcapteur sélectif. Quel que soit le type de détecteur de l'art antérieur, les mesures de qualité de l'air reposent sur le principe d'une mesure spécifique de chaque polluant présent dans l'air. L'invention ne présente pas cet inconvénient. Exposé de l'invention En effet, l'invention concerne un détecteur pour la mesure de la qualité de l'air qui comprend: B 14031.3/PR - au moins un microcapteur pour la mesure d'au moins un gaz oxydant présent dans l'air, - au moins un microcapteur pour la mesure d'au moins un gaz réducteur présent dans l'air, et - des moyens pour déterminer un indice global de pollution de la qualité de l'air à partir de la mesure du gaz oxydant et de la mesure du gaz réducteur. Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, le microcapteur pour la mesure d'au moins un gaz oxydant est réactif vis-à-vis des seuls gaz oxydants. Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, le microcapteur pour la mesure d'au moins un gaz réducteur est réactif vis-à-vis des seuls gaz réducteurs. Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, le microcapteur pour la mesure d'au moins un gaz oxydant est réactif vis-àvis de gaz réducteurs tels que le monoxyde de carbone, les hydrocarbures, etc. Selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention, les microcapteurs sont de type métal oxyde semi-conducteur. En comparaison avec les dispositifs de mesure mentionnés ci-dessus, l'utilisation de microcapteurs de type métal oxyde semi-conducteur pour la mesure de la qualité de l'air constitue une rupture majeure du point de vue du cot, de l'encombrement, de la souplesse d'emploi et de la production en grand nombre de détecteurs. B 14031.3/PR L'objet de l'invention est de définir un indicateur global de mesure de la qualité de l'air. Cet indicateur global correspond, à l'échelle d'un individu, à l'information de base susceptible de rendre compte de la qualité de l'air qu'il respire et de son évolution dans le temps et dans l'espace. Il est par exemple admis que les gaz de type N02, S02, et 03 ont, pour un même niveau de concentration, des effets comparables sur l'homme. Dès lors, il y a une certaine pertinence à sommer le signal de ces différents gaz. La constitution de l'indicateur de pollution selon l'invention est obtenue par l'utilisation de microcapteurs, par exemple de type métal oxyde semiconducteur. L'inconvénient des microcapteurs semi15 conducteurs, à savoir leur manque de sélectivité vis-àvis des différents gaz polluants, est ici utilisé comme un avantage permettant une mesure globale de la pollution et non plus une mesure spécifique de chaque polluant. Il s'agit dès lors de faire fonctionner le microcapteur en configuration non spécifique et de fournir une information globale résultant de l'ensemble des interactions entre les différents gaz polluants et le microcapteur. Description détaillée de modes de mise en oeuvre de l'invention La figure jointe représente un détecteur de mesure de la qualité de l'air selon l'invention. Le détecteur 1 comprend n microcapteurs, par exemple, de type métal oxyde semi-conducteur MCA1, MCAi,..., MCAn pour la mesure d'au moins un gaz oxydant B 14031.3/PR et m microcapteurs, par exemple, de type métal semiconducteur MCB1,..., MCBj,..., MCBm pour la mesure d'au moins un gaz réducteur, n et m étant des entiers supérieurs ou égaux à 1. Les signaux issus des microcapteurs MCAi (i=1, 2,..., n) et MCBj (j=l, 2,.... m) sont transmis à des moyens 2 aptes à déterminer un indice global I de pollution de la qualité de l'air à partir de ces mesures. Le signal délivré par un microcapteur de type métal oxyde semi-conducteur est fonction de la nature oxydante et/ou réductrice des polluants qui agissent sur l'état de surface des oxydes métalliques qui composent le microcapteur. D'un point de vue technologique, les gaz polluants, selon qu'ils soient de nature réductrice ou oxydante conduisent à des signaux de signes opposés. L'objet de l'invention est de procéder à au moins un couple de mesures, une première mesure étant la mesure d'au moins un gaz oxydant et la deuxième mesure étant la mesure d'au moins un gaz réducteur. De nombreuses configurations de microcapteurs de type métal oxyde semi- conducteur sont alors possibles, basées sur la température de fonctionnement, la nature et la porosité du métal, les dopants ou la géométrie du microcapteur. A titre d'exemple, les matériaux dont l'état de surface dépend du pouvoir oxydant de l'air ambiant, peuvent être des semi-conducteurs constitués d'un oxyde métallique, d'un mélange d'oxydes métalliques ou de toute autre combinaison d'oxydes métalliques et d'un autre constituant. En présence d'un mélange gazeux contenant des gaz polluants, l'état de surface des B 14031.3/PR matériaux précités est modifié par sorption des gaz et/ou par réactions chimiques (notamment par réaction d'oxydo-réduction) entre les gaz et le matériau. Le détecteur de mesure de la qualité de l'air selon l'invention intègre deux catégories de capteurs, des capteurs mettant en òuvre des oxydes métalliques semi-conducteurs réactifs vis-à-vis de gaz oxydants et des capteurs mettant en oeuvre des oxydes métalliques semi-conducteurs réactifs vis-à-vis de gaz réducteurs. L'indicateur global de pollution selon l'invention indique la présence, à différents niveaux de concentration, des gaz polluants qui sont présents dans l'atmosphère. C'est une fonction monotone des concentrations des gaz polluants tels que, par exemple, le dioxyde d'azote, le dioxyde de soufre, l'ozone, le monoxyde de carbone, que ces gaz soient présents seuls ou en mélange dans l'air. Le signal généré par chacun des gaz polluants reste une fonction monotone de la concentration du gaz dans toute une gamme de concentration spécifiée. B 14031.3/PR REVENDICATIONS 1. Détecteur pour la mesure de la qualité de l'air, caractérisé en ce qu'il comprend - au moins un microcapteur (MCA1) pour la mesure d'au moins un gaz oxydant présent dans l'atmosphère, - au moins un microcapteur (MCBl) pour la mesure d'au moins un gaz réducteur présent dans l'atmosphère, et - des moyens (2) pour déterminer un indice global (I) de pollution de la qualité de l'air à partir de la mesure d'au moins un gaz oxydant et de la mesure d'au moins un gaz réducteur. 2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le microcapteur (MCA1) pour la mesure d'au moins un gaz oxydant réactif visà-vis des seuls gaz oxydants. 3. Détecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le microcapteur (MCBl) pour la mesure d'au moins un gaz réducteur est réactif vis-àvis des seuls gaz réducteurs. 4. Détecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le microcapteur (MCA1) pour la mesure d'au moins un gaz oxydant est également réactif vis-à-vis de gaz réducteurs. 5. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le B 14031.3/PR 2842602 microcapteur pour la mesure d'au moins un gaz oxydant (MCA1) est de type métal oxyde semi-conducteur. 6. Détecteur, selon les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le microcapteur pour la mesure d'au moins un gaz réducteur (MCB1) est de type métal oxyde semi-conducteur. B 14031.3/PR