Brevet FR3085482A1 — publié le 20200306

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un capteur de mesure de la concentration massique de particules fines pour la pollution atmosphérique, potentiellement de l'air intérieur et des contaminations d'origine biologique. ETAT DE LA TECHNIQUE La pollution particulaire est mise en cause dans la survenue de diverses pathologies cardiovasculaires, cérébrovasculaires et respiratoires au travers de mécanismes de toxicité décrits par le Haut Conseil de la Santé Publique (HCSP) (cc Pollution par les particules 2 dans l'air ambiant - Recommandations pour protéger la santé », 2012). La pollution atmosphérique et les particules présentes dans l'air ont été classées "cancérogènes certains pour l'homme" en 2013 par le Centre international de Recherche sur le cancer (IARC, en anglais c REVENDICATIONS1. Capteur (1) pour l'analyse in-situ et en continu d'un flux d'aérosol permettant la mesure de la masse des particules 5 microniques/submicroniques (2) en suspension dans le flux d'air, comprenant : -un dispositif de tri aéraulique permettant d'effectuer la granulométrie des particules (2) selon leur taille avec un corps d'impacteur (3) à cascade de plusieurs étages, avec suivant sa longueur une conduite (6) 10 d'écoulement, chaque étage étant formé d'au moins : - une buse axiale (10) par laquelle entre l'écoulement dans l'étage, et - d'ouvertures latérales (9) ; le diamètre et le nombre d'ouvertures latérales (9) et de la buse axiale (10) 15 étant choisis pour permettre le contrôle du débit du flux d'aérosol et le tri des particules (2) selon leur inertie à chaque étage ; - au moins une microbalance MEMS (7) par étage, située à distance et en regard de la buse axiale (10), sur la zone d'impaction des particules (2) entre des ouvertures latérales (9) qui laissent passer l'écoulement; 20 la microbalance MEMS (7) comportant une membrane oscillante (7a) en silicium, suspendue, destinée à la mesure d'un décalage de fréquence d'oscillation pour déterminer la masse inférieure ou égale au microgramme de l'ensemble des particules (2) déposées ; - au moins un évidement axial (8) situé sous chaque membrane (7a) 25 afin de la suspendre, les ouvertures (9) étant latérales à l'évidement axial (8) et destinées à l'écoulement du flux d'aérosol et situées de part et d'autre de l'évidement axial (8), 24 - des moyens de calcul reliés à chaque microbalance MEMS (7) pour déterminer la masse de l'ensemble des particules (2) sur la zone d'impaction; - un système de nettoyage de la microbalance MEMS (7) permettant l'évacuation des particules (2) hors de la microbalance MEMS (7), la membrane (7a) étant conformée pour permettre de contrôler l'adhésion et/ou la séparation des particules (2) à sa surface par : micro/nano structuration ou fonctionnalisation physico-chimique ; -des moyens d'entrai nement du flux d'aérosol. 2. Capteur (1) selon la revendication précédente, dans lequel le système de nettoyage est réalisé par des canaux d'entrée (12a) et des canaux latéraux de sortie (12b) débouchant dans la conduite (6), et des moyens de circulation d'un fluide de nettoyage tel que de l'air ou du solvant dans ces canaux (12a, 12b), les canaux latéraux d'entrée (12a) et des canaux latéraux de sortie (12b) communiquant fluidiquement avec la conduite (6) et étant disposés de sorte à faire circuler le fluide de nettoyage sur la surface des membranes (7a). 3. Capteur (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la membrane (7a) est suspendue à plusieurs ancrages (13) auxquels elle est fixée tendue, et disposée entre plusieurs électrodes (14) aptes à l'actionnement électrostatique ou à la mesure. 4. Capteur (1) selon la revendication précédente, dans lequel la membrane oscillante (7a) en silicium est à actionnement électrostatique, et dans lequel une tension alternative combinée à une tension continue est amenée sur une ou plusieurs électrodes (14) d'actionnement alors que la membrane 25 suspendue (7a) est maintenue à un potentiel électrostatique nul de façon à déformer la membrane, la membrane (7a) étant chargée électrostatiquement, le mouvement de celle-ci induisant un mouvement de charge et donc un courant mesuré via 5 des contacts liés aux ancrages (13) de la membrane (7a) ou liés à une électrode (14) ne servant pas à l'actionnement. 5. Capteur (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la surface de la membrane (7a) est du silicium noir. 10 6. Capteur (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le corps d'impacteur (3) présente un empilement de tranches (11) de silicium ou d'autres matériaux micro/nano structurés, en appui et fixées entre elles. 15 7. Capteur (1) selon la revendication précédente, dans lequel chaque étage présente quatre tranches (11): - une première tranche (11 a) avec une buse axiale (10) ; -une deuxième tranche (11b) avec un évidement axial (8) et des ouvertures latérales (9) d'écoulement ; 20 -deux tranches (11c, 11d) dites c 8. Capteur (1) selon l'une des revendications précédentes 7 à 8, dans lequel le système de nettoyage des microbalances MEMS (7) est réalisé par des 25 canaux d'entrée (12a) et des canaux latéraux de sortie (12b) situés entre une tranche de silicium dite c 9. Capteur (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la 30 membrane (7a) de la microbalance MEMS est conformée pour présenter : 26 -un facteur de qualité Q avec Am. --FT/, supérieur à 15000, -une masse comprise entre 5 et 100 pg. 10. Capteur (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les 5 fréquences d'oscillation de la membrane (7a) sont comprises entre 1 et 20 MHz. 11. Capteur (1) selon l'une des revendications précédentes 1 à 10, dans lequel le système de nettoyage des microbalances MEMS comporte un 10 élément chauffant situé dans la membrane (7a) et/ou le corps d'impacteur (3). 12. Capteur (1) selon l'une des revendications précédentes 1 à 11, dans lequel le système de nettoyage des microbalances MEMS comporte la 15 membrane oscillante (7a) destinée à osciller à une fréquence donnée permettant la séparation des particules de la membrane (7a). 13. Capteur (1) selon l'une des revendications précédentes 1 à 12, dans lequel le corps d'impacteur (3) présente des moyens d'ouverture/fermeture : 20 -des ouvertures axiales (9) ; -et/ou des buses axiales (10) ; pour contrôler le débit du flux d'aérosol s'écoulant dans le corps d'impacteur (3). 25 14. Capteur (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les buses axiales (10) et les évidements axiaux (8) sont de taille décroissante suivant l'axe de l'écoulement de l'aérosol de manière à impacter des particules (2) de taille décroissante à chaque étage. 27 15. Capteur (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le diamètre et le nombre d'ouvertures latérales (9) permettant l'écoulement est déterminé pour impacter : - les particules (2) entre 10 micromètres et 2,5 micromètres ou plus, à un 5 premier étage ; et - les particules (2) entre 2,5 micromètres et un micromètre à un second étage ; et - les particules (2) entre un micromètre et 0,3 micromètres à un troisième étage, suivant le sens de l'écoulement du flux d'aérosol. 10 16. Capteur (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la conduite (6) en silicium est recouverte d'un métal conducteur. 17. Capteur (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les 15 dimensions de la membrane oscillante (7a) sont comprises en largeur entre plusieurs centaines de microns et plusieurs millimètres. 18. Capteur (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel pour chaque microbalance MEMS (7), la distance entre la membrane 20 oscillante (7a) et des actionneurs électrostatiques est inférieure ou égale à 1 micromètre. 19. Capteur (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la membrane oscillante (7a) est une membrane rectangulaire. 25 20. Capteur (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la microbalance MEMS (7) est configurée pour permettre la mesure de masse des particules (2) entre l'attogramme et le nanogramme. 30