Development of microsensors for the measurement of Carbon Dioxide (CO2): application to air quality monitoring
Développement de microcapteurs pour la mesure de Dioxyde de Carbone (CO2) - application au suivi de la qualité de l'air
Résumé
The WHO estimates that around 3.8 million deaths per year are caused by indoor pollution and therefore indoor air quality is a matter of public health concern. The air renewal is presented as a simple and an effective solution to this serious threat. Measuring the level of carbon dioxide (CO2) has proven to be a good indicator of air containment. Its sensing would prevent the accumulation of polluting particles.
Micro-sensors of the chemiresistor type have many advantages, such as their sensitivity, their miniaturization, their low cost. The detection phenomenon is based on the variation in the electrical resistance of the sensing element in response to an adsorption rate of the gas. My research work focused on its study and in particular on its selection. Among several materials, I selected two materials: barium titanate (BaTiO3) and lanthanum dioxycarbonate (La2O2CO3). This choice of materials was motivated by the existing literature and our first experimental results which show good sensitivity to CO2.
The first stage of my work was the realization of the sensitive layer. We used the deposition by screen printing to study the effect of morphology on the sensitivity of the material. From a rapid heat treatment of the sensitive layer after deposition (450 ° C for 3 minutes), we validated the material used from DRX, SEM and FTIR. As a result, the crystal structure and the morphology were determined as well as the identification of the chemical species present in our materials.
During the first stage of evaluating our sensor performances, we determined the operating temperature and the influence of humidity on the sensor responses. Our results indicate that La2O2CO3 exhibits better sensitivity than BaTiO3. Lanthanum dioxycarbonate obtains the best performance with very high sensitivity (Rgas / Rair = 6.7; @ 400 ppm (CO2), 290 ° C & 50% RH) and a very good repeatability rate even at lower concentration (Cv ≈ 2.65 %; @ 400 ppm (CO2), 290 ° C & 50% RH). The decreasing porosity (grinding effect) allowed us to obtain a sufficiently low electrical resistance to be measured by our acquisition system. In addition, our results show that the presence of humidity and the morphology have both a strong influence on the detection of CO2.
L’OMS estime à environ 3,8 millions, le nombre de décès par an provoqué par la pollution intérieure. De ce fait, le suivi de la qualité de l’air intérieur est un des sujets de préoccupations de la santé publique. Le renouvellement de l’air se présente comme une solution simple et efficace face à ce danger. La mesure du niveau du dioxyde de carbone (CO2) est un bon indicateur du confinement de l’air. Son évaluation éviterait l’accumulation de particules polluantes.
Les micro-capteurs de type « chemiresistor » présentent de nombreux avantages, tels que leur forte sensibilité, leur miniaturisation, leur faible coût. Le phénomène de détection s’établit sur la variation de la résistance électrique de l’élément sensible en réponse à un taux d’adsorption du gaz. Mes travaux de recherches se sont concentrés sur l’étude de la couche sensible. Deux matériaux ont été sélectionnés : le titanate de baryum (BaTiO3) et le dioxycarbonate de lanthane (La2O2CO3).
La première étape de mes travaux a concerné l’élaboration de la couche sensible. Nous avons utilisé la méthode de dépôt par screen printing, technique simple, rapide et peu couteuse. Dans un deuxième temps, nous avons étudié l’effet de la morphologie sur la sensibilité du matériau. Différentes techniques de caractérisations physico-chimiques ont ainsi été utilisées (DRX, MEB et FTIR). De ce fait, la structure cristalline et la morphologie ont pu être déterminées ainsi que l’identification des substances chimiques présentes dans nos matériaux.
Lors de l’évaluation des performances de nos capteurs, nous avons étudié l’effet de la température de fonctionnement et l’influence de l’humidité sur la réponse. Nos résultats ont montré que les capteurs réalisés à base de La2O2CO3 présentent les meilleures performances, avec une très forte sensibilité (Rgaz/Rair = 6,7 ; @400 ppm (CO2), 290°C & 50% H.R.) et un très bon taux de répétabilité (Cv = 2,65 % ; @400 ppm (CO2), 290°C & 50% H.R.). La réduction de la porosité (effet de broyage) nous a permis d’avoir une résistance électrique suffisamment basse pour être mesurable. De plus, nos résultats montrent que la présence d’humidité et la morphologie induite ont une forte influence sur la détection du CO2.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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