Un MEMS résonant intégré pour mesurer le CO2

INTRODUCTION

Les gaz à effet de serre comme le CO2 constituent l’un des problèmes majeurs de notre époque, nécessitant la création de nouvelles techniques de mesure efficaces, robustes, précises et moins énergivores, et l’augmentation de l’efficacité des procédés industriels, moteurs à combustion, procédés biochimiques, etc. En outre, des concentrations importantes de CO2 peuvent grandement affecter la qualité de l’air dans les environnements occupés par des humains et, à ce titre, sont de plus en plus surveillées. Mesurer la concentration de CO2 est complexe, en particulier lorsque le gaz à mesurer se trouve dans un mélange de gaz.

Il existe différentes méthodes pour déterminer la concentration de CO2. Les capteurs optiques résistifs, capacitifs et infrarouges (IR) offrent une précision et une fiabilité adéquates pour les applications générales. Les principaux inconvénients de ces techniques, par contre, sont leur taille, leur coût élevé et leur consommation d’énergie.

CRÉATION DU CAPTEUR MEMS

Ces dernières années, les systèmes microélectromécaniques (MEMS), utilisés pour optimiser les procédés de microfabrication, ont mené à l’émergence de nouveaux capteurs basés sur les résonances de microstructures dans des fréquences déterminées par leur géométrie et le matériau de fabrication. Les microrésonateurs ont démontré une grande sensibilité pour la détection de la masse, mais ils sont influencés par certaines conditions atmosphériques comme l’humidité, la température et la pression.

La principale contribution de nos travaux est la conception et la démonstration d’un capteur MEMS entièrement intégré, qui mesure la concentration de CO2 dans l’air de la façon la plus efficace et la moins coûteuse possible.

Dans le but de créer ce capteur, nous avons conçu une microstructure qui, combinée à un matériau polymère particulier, a démontré des performances uniques non seulement dans la mesure du CO2, mais aussi dans toute une gamme d’applications possibles.

Figure 1 Mesure de la fréquence de résonance des trois modes de vibration d’un microrésonateur

La microstructure du capteur est un cantilever, ou tremplin micrométrique appelé microrésonateur, capable de détecter le poids d’à peine quelques molécules d’un gaz grâce à sa grande sensibilité à la résonance. Au microrésonateur a été ajouté un revêtement LPEI, un polymère à caractéristique particulière : il est capable d’absorber le CO2 de manière linéaire. Autrement dit, plus la concentration de CO2 est élevée, plus il en adsorbe. Ce revêtement est la clé du fonctionnement du microcapteur. Le cantilever fonctionne selon le principe de la déviation de résonance, des variables comme le matériau, la taille, le poids et les caractéristiques atmosphériques lui conférant une vibration ou fréquence de résonance précise. Ce comportement de résonance est intrinsèquement plus sensible que celui des capteurs non résonants, en raison de la grande précision de la fréquence de résonance, et peut être surveillé avec précision pour détecter les changements dus à l’adsorption de CO2.

REVÊTEMENT ADSORBANT

Si l’on ajoute à ce principe une couche polymère qui adsorbe uniquement le CO2, les molécules adsorbées vont faire augmenter le poids global du capteur et changer la fréquence à laquelle vibre le cantilever. Ce changement est mesurable, et puisque le niveau de déviation de la fréquence est proportionnel à la masse, au poids ou au nombre de molécules mesurées, il est possible de déterminer avec précision les concentrations de CO2 dans l’air. La couche de polyéthylèneimine linéaire présente également une caractéristique qui la distingue des autres composés étudiés précédemment, à savoir qu’en plus d’adsorber le CO2 de manière linéaire, elle peut aussi libérer le CO2 proportionnellement à la diminution de sa concentration dans l’air (phénomène de récupération ou régénération) ce qui donne une mesure encore plus précise en temps réel. Les temps d’adsorption et de récupération sont caractérisés à des niveaux aussi bas que 170 et 280 secondes, respectivement.

Figure 2 Configuration de la caractérisation automatisée

Cette caractéristique de récupération, ou régénération, du composé LPEI entraîne des économies, car il n’est pas nécessaire de chauffer le composé ni de le soumettre à un procédé sous vide comme les autres revêtements. Ainsi, le capteur recouvert de ce polymère est beaucoup plus rapide et précis, et consomme très peu d’énergie, soit aussi peu que 8 mW. La consommation d’énergie plus faible combinée à l’intégration complète du contrôleur électronique, que nous avons également conçu, est le facteur clé pour la fabrication industrielle de ce type de capteur comme alternative aux capteurs existants sur le marché.

CONCLUSION

Parmi les principales conclusions, nous avons constaté que le revêtement LPEI du microrésonateur après fabrication permet de mesurer avec précision les concentrations de CO2 dans l’air en surveillant les changements de fréquence causés par la variation de poids. La sensibilité du capteur et les temps de réponse qui en résultent se comparent favorablement à d’autres travaux publiés qui décrivent des principes de détection similaires. Ces qualités sont dues en partie au revêtement utilisé et à l’intégration du revêtement au microrésonateur et à l’électronique.

Figure 3 Capteur de CO2 entièrement intégré sur le circuit imprimé et boîtier

Les capteurs entièrement intégrés résultant de ces travaux réagiront différemment selon le revêtement appliqué, élargissant ainsi considérablement leurs capacités de mesure. Ainsi, ils pourraient servir à mesurer des gaz, mais aussi des liquides, voire certains micro-organismes selon leur poids, par exemple. Ce facteur peut servir à évaluer la présence de différents éléments en suspension, notamment le glucose, ou la présence de virus, de salive ou de sang, ainsi que de toute concentration de gaz, d’humidité ou autres, ouvrant la voie à de nouvelles recherches et à une myriade d’applications dans l’industrie et notre vie quotidienne.