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NanoMIR

Composants à nanostructure quantique pour le MIR

Thème de recherche :

Capteurs de gaz basés sur la spectroscopie d’absorption laser accordable

Les changements en cours dans la composition de l’atmosphère, dus à des influences naturelles et anthropiques, affectent non seulement le climat et les processus atmosphériques, mais ont également un impact négatif sur la qualité de l’air (et donc sur la santé humaine), le cycle hydrologique et les écosystèmes, et par conséquent sur les développements économiques.

Pour comprendre et prévoir les changements futurs de la composition de l’atmosphère, il faut disposer d’estimations fiables à long terme des sources et des puits, adaptées à des scénarios particuliers de gestion des émissions, ainsi que d’observations très précises de l’abondance des principales espèces atmosphériques et de leurs isotopes. C’est l’un des principaux moteurs du développement de nouvelles infrastructures de recherche. La surveillance en réseau in situ et en temps réel des changements de la composition de l’atmosphère sur de longues périodes nécessite la mise en place d’une infrastructure de mesure robuste, sensible, sélective, exacte et précise pour surveiller les concentrations de gaz atmosphériques à l’état de traces.

Il est donc de plus en plus nécessaire de disposer de capteurs peu coûteux, sensibles et sélectifs pour fournir des mesures précises et reproductibles in situ.

Nous développons ici des installations dédiées à la détection des gaz.
Les espèces visées sont le méthane, le CO, le CO2 (régulation de la biomasse, estimation des condensateurs thermiques, décharges municipales, lagunes…) pour des applications industrielles ou environnementales, mais aussi l’éthylène pour des applications biologiques et agroalimentaires plus spécifiques. Nos capteurs doivent être compacts, légers et polyvalents, favorisant ainsi les mesures in situ.
Nous avons étudié et développé plusieurs approches basées sur l’utilisation de lasers à semi-conducteurs accordables à l’antimoniure : la spectroscopie par modulation de longueur d’onde et la spectroscopie photoacoustique renforcée au quartz (QEPAS) (Fig.1.1 et Fig1.2). Les lasers accordables sont des lasers à rétroaction distribuée émettant dans la gamme de 2 à 3,5 µm, basés sur des puits quantiques InGaAsSb/Al(In)GaAsSb ou une cascade quantique InAs/AlSb. L’étude et le développement de tels montages sont fortement liés à l’utilisation de lasers à fréquence unique de haute qualité. Par conséquent, l’étude et le développement de ces dispositifs font partie de la réalisation du montage. Ces techniques spectroscopiques sont extrêmement sélectives et très sensibles.

Nos montages QEPAS ont permis la détection de très petites quantités de méthane et d’éthylène dans le cadre de plusieurs collaborations, en utilisant des lasers DFB et des lasers à cascade quantique (Fig.2.1 et Fig 2.2). Une limite de détection de 100 ppbv a été obtenue sur le méthane, 60 ppbv sur l’éthylène et 20 ppbv sur le CO (1s) en utilisant un montage QEPAS de laboratoire. Nous avons également travaillé sur des montages plus compacts.

Nous avons maintenant plusieurs objectifs. Le premier est d’améliorer les installations QEPAS, en utilisant des dispositifs laser multiplexés sur une plateforme SiGe, ce qui permettra de réaliser de très petites installations dédiées à la surveillance de l’air. Ce travail fait partie du projet MULTIPAS de l’ANR. Nous travaillons également sur les montages LED-QEPAS et étudions leur potentiel en termes de sélectivité et de limite de détection.

Un autre objectif est l’utilisation d’un micro-résonateur capacitif spécialement conçu. Ce MEMS, conçu spécifiquement pour l’application d’analyse de gaz dans le cadre du projet CIRC suivi du projet NOMADE, conduira à une approche plus intégrée de la détection de gaz. Ici, une attention particulière doit être portée à l’évaluation des effets d’amortissement diminuant le facteur de qualité du résonateur. Les premiers résultats ont été obtenus sur la détection du méthane et de l’éthylène (Fig.3).

Un dernier objectif est de proposer des développements de la détection du souffle expiré, par une collaboration avec l’hôpital de Montpellier. La détection du CO a d’abord été développée et validée cliniquement (Fig.4.1 et Fig4.2). En 2020, le projet SENSIR, financé par MUSE (Université de Montpellier) est dédié au développement d’un capteur d’haleine exhalée pour le diagnostic des maladies cardiovasculaires.