WO2020104689A1 - Détecteur à cellules modulaires de mesure opto-acoustique exaltée par résonateur à quartz - Google Patents

Détecteur à cellules modulaires de mesure opto-acoustique exaltée par résonateur à quartz

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WO2020104689A1
WO2020104689A1 PCT/EP2019/082312 EP2019082312W WO2020104689A1 WO 2020104689 A1 WO2020104689 A1 WO 2020104689A1 EP 2019082312 W EP2019082312 W EP 2019082312W WO 2020104689 A1 WO2020104689 A1 WO 2020104689A1
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WO
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housing
opto
gaseous species
cells
acoustic
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Application number
PCT/EP2019/082312
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English (en)
Inventor
Aurore VICET
Roman ROUSSEAU
Mathias DIGNETON
Erwan TERRIER
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Montpellier
CMR Group SAS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Montpellier
CMR Group SAS
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Publication date
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
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    • G01N2021/1708—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids with piezotransducers

Definitions

  • the invention relates to a detector for measuring the concentration of gaseous species.
  • the invention aims to be used in the automotive sector to detect in a gas mixture several gaseous species, such as for example methane CH4, carbon monoxide CO, carbon dioxide C02, ammonia NH3, sulfide hydrogen H2S and nitrogen dioxide NO2.
  • gaseous species such as for example methane CH4, carbon monoxide CO, carbon dioxide C02, ammonia NH3, sulfide hydrogen H2S and nitrogen dioxide NO2.
  • the invention also aims to be used in the environment sector for example for the measurement of air quality, in the medical sector for example for breath analysis, in the industrial sector for example for the process control, in the food industry for example for quality control.
  • the invention relates to a detector whose operation is based on the opto-acoustic measurement technique enhanced by a quartz resonator.
  • Some gaseous species have absorption peaks or absorption bands in the infrared spectrum.
  • the light signal from an infrared source which illuminates a gaseous species with a spectral width at least partially covering one of these absorption peaks or absorption bands is absorbed by the gaseous species.
  • the absorption produces a local heating of the gaseous species.
  • the local heating produced can be modulated so that a sound wave which is itself modulated is generated.
  • the sound wave can be detected by a quartz tuning fork, which makes it possible to establish that the lit gas mixture contains a gaseous species. having an absorption peak or an absorption band at least partially covering the spectral width of the light signal from the infrared source.
  • Optoacoustic measurement sensors enhanced by a quartz resonator require the use of a quartz tuning fork which has two main advantages.
  • a quartz tuning fork is a very low-cost piece, about 400 times cheaper than a conventional optical detector used on absorption measurement devices, such as an infrared photodiode.
  • the same quartz tuning fork can be used regardless of the gaseous species sought, the absorption wavelength used or the infrared source used.
  • One way of improving the selectivity of an opto-acoustic measurement sensor enhanced by a quartz resonator is to produce an infrared light signal which has a sufficiently fine spectral width with respect to the absorption peak of a gaseous species so that this infrared light signal is only absorbed by this single gaseous species.
  • the infrared source can be a DFB laser, the spectral width of which is at least one hundred times smaller than the widths of the absorption peaks of the chemical species to be identified.
  • the DFB laser will make the measurement sensor very selective but also very expensive, the cost of a DFB laser being a hundred times higher than that of a light-emitting diode.
  • the infrared source can be a light emitting diode whose spectral width is much greater than that of a DFB laser.
  • the light-emitting diode will make the measurement sensor very inexpensive but not very selective.
  • Detection of gaseous species in the automotive sector requires devices of increasingly small size, from the size of a palm, to the size of a crossing of a light-emitting diode.
  • the integrated sensors currently used such as Metal-Oxide Semiconductor (MOS) sensors which are based on resistivity measurements metal oxides, do not offer sufficient selectivity in the detection of chemical species.
  • MOS Metal-Oxide Semiconductor
  • a general aim of the invention is to overcome the drawbacks of current systems for detecting chemical species in a gas mixture.
  • an object of the invention is to provide a detector which offers a better compromise between its selective nature, its ability to detect several gaseous chemical species, its cost, its compactness and its resistance to an aggressive environment.
  • Another object of the invention is to provide a detector which can easily be adapted to a new assortment of chemical species to be detected.
  • an opto-acoustic cell for measuring the concentration of at least one gaseous species
  • a housing for measuring quartz tuning fork and a micro-resonator, said tuning fork quartz and said micro-resonator being arranged in the vicinity of one another in an “off-beam” configuration inside said housing, said housing comprising at least one lens for introducing and focusing a signal light inside the housing, at least one wavelength of said light signal corresponding to an absorption peak of a gaseous species to be detected,
  • said housing comprising at least two opposite openings, one for gas inlet, the other for gas outlet, said housing also comprising mechanical connection elements capable of allowing the tight connection of said housing, by at least one of said openings, to one or more other similar housings, the cell thus constituting a module connectable to one or more other similar modules in order to form with this or these a continuous conduit for the gas flow.
  • the outlet opening of said cell comprises at least one filtering membrane blocking the outlet of at least one gaseous species
  • the light signal comes from a light-emitting diode disposed in contact with the lens for introducing and focusing the light signal;
  • the lens or light emitting diode includes a wavelength interference filter
  • the wavelength interference filter comprises a stack of dielectric layers
  • the different layers of the stack together define an interference Fabry-Perot filter
  • the wavelength interference filter is a MEMS-Fabry-Perot interferometer
  • the housing has on one side on which is provided one of the openings of the male mechanical connection elements and on one side on which is the other of the openings of the complementary female mechanical connection elements;
  • the housing includes electronic connection elements capable of allowing the transmission of a measurement signal to one or more other similar opto-acoustic cells;
  • the housing comprises on the face comprising the male mechanical connection elements male electronic connection elements, and on the face comprising the female mechanical connection elements complementary female electronic connection elements;
  • the housing comprises a base on which the micro-resonator and the tuning fork are fixed and a cover which is intended to be attached to said base, the gas inlet and outlet openings being formed on opposite faces of the cover.
  • the invention also relates to a detector for measuring the concentration of gaseous species comprising a plurality of opto-acoustic cells as described above, said cells being tightly connected by their openings and forming a conduit between them. continuous for a gas flow, said detector further comprising at least one light signal source.
  • Such a detector is advantageously supplemented by the following different characteristics taken alone or in combination: a plurality of light-emitting diodes, the different diodes illuminating the gas of the different cells at predetermined wavelengths;
  • the different diodes illuminating the gas of the different cells at different wavelengths
  • a plurality of wavelength filters adapted for the illumination of gas at predetermined wavelengths, and a microprocessor capable of analyzing the output signals of the tuning forks of the different cells to deduce therefrom the concentration of different gaseous species present in the gas flow;
  • the outlet openings of the various cells include filtering membranes, the various membranes blocking different gaseous species and the detector comprises a microprocessor capable of analyze the output signals of the tuning forks of the different cells to deduce the concentration of the different gaseous species.
  • FIGS. 1A and 1B represent in a way schematically an opto-acoustic cell according to the invention
  • FIG. 2 schematically shows an opto-acoustic cell comprising a filter membrane according to the invention
  • FIGS 3A, 3B, 4A, 4B, 6A and 6B schematically represent an opto-acoustic cell comprising an interference wavelength filter according to the invention
  • FIG. 5 shows schematically a stack of dielectric layers
  • FIGS 7, 8, 9, 10 and 1 1 schematically show a detector comprising a plurality of opto-acoustic cells according to the invention
  • an opto-acoustic cell 30 for measuring the concentration of at least one gaseous species comprises a housing 1.
  • the housing 1 is preferably made of plastic.
  • the housing 1 can be composed of a base and a cover held together by screws, or else be made in a single monolithic piece, for example by overmolding. Overmolding can be obtained by 3D printing. The overmolding allows better thermal protection of the environment inside the cover.
  • FIG. 1B illustrates the situation of a box 1 comprising on the one hand a base 12 and on the other hand a cover 13 which is intended to be attached to said base.
  • the cover 13 can be fixed to the base 12 by screwing a screw 22 and the seal between the base 12 and the cover 13 can be ensured by a silicone seal 21.
  • the base may have a sealed electrical outlet, obtained for example by gluing, to allow two electrical contacts 19 of the tuning fork to pass through. These electrical contacts make it possible to transmit a measurement of the oscillating mechanical movement of the tuning fork.
  • the housing 1 comprises a measuring quartz tuning fork 2 and a micro resonator 3 which can be fixed on the base 12.
  • the quartz tuning fork 2 has two parallel branches which can vibrate at a well-determined vibration frequency, the resonant frequency of the tuning fork.
  • the micro-resonator 3 comprises a cylindrical tube rigidly fixed to the housing 1 extending along a first axis 15.
  • the dimensions of the micro-resonator 3 are chosen so as to confine and amplify an acoustic wave at the resonant frequency of the tuning fork 2.
  • the geometry of the micro-resonator depends on the gas to be detected.
  • the micro-resonator 3 can be obtained by machining a durai block of typical dimensions 5 mm x 10 mm x 10 mm.
  • the micro resonator 3 can occupy a volume of approximately 1 cm 3 .
  • the micro-resonator 3 is arranged on a support 7 which can be full or hollow.
  • the micro resonator 3 has an orifice 14 which extends along a second axis 16 orthogonal to the first axis 15 of the micro-resonator 3.
  • Said orifice 14 may be a micro-machining carried out on the body of the tube of the micro resonator 3.
  • Said orifice 14 can be advantageously positioned at level of a belly of an acoustic wave at the resonant frequency of the tuning fork confined in the micro-resonator 3.
  • the quartz tuning fork 2 is rigidly fixed to the housing 1 and extends in a plane perpendicular to the second axis of the orifice 14 of the micro resonator so that the said second axis 16 of the orifice 14 passes between the two branches of the tuning fork .
  • the distance D between the quartz tuning fork 2 and the entry plane of the micro-resonator 3 is between 50pm and 150pm and even more preferably is 100 pm.
  • Such an arrangement of the measuring quartz tuning fork 2 and of the micro-resonator 3 can be qualified as an “off-beam” arrangement.
  • the "off-beam" arrangement allows you to work other than by passing the light signal between the branches of the tuning fork. It becomes possible with the “off-beam” arrangement to work with light signals that cannot be passed between the branches of the tuning fork without causing thermal effects damaging to the measurement. This is particularly the case for the light signals produced by light-emitting diodes.
  • the “off-beam” arrangement is simpler to implement, the position of the light signal relative to the branches of the tuning fork being much less critical.
  • the housing has a wall in a plane perpendicular to the first axis 15 of the micro-resonator 3 and an orifice within this wall.
  • a lens 4 for example of the spherical type, is glued at the level of said orifice so as to seal the two faces of the wall.
  • the position of the orifice and the lens 4 is adapted so that the axis of the lens is coincident with the first axis 15 of the micro-resonator 3.
  • the lens is directly glued to the wall of the housing so that it also fulfills the role of window. This makes it possible to limit the number of optical parts, to limit the risk of misalignment and pollution of the optical part of the cell.
  • the housing may include an exit window 20 located opposite the lens 4 which makes it possible, during the adjustment and alignment phase, to view the light signal at the outlet of the cell.
  • An optical detector for example a photodiode, can be placed outside in order to control the adjustment and the alignment of the optical part of the optoacoustic cell. Once the adjustment and alignment have been made, said optical detector can be removed, it is not necessary for the operation of the opto-acoustic cell.
  • the outlet window 20 can be glued directly to its wall.
  • the housing has two opposite openings 5, 6 adapted to circulate a gas flow, from a gas inlet opening 5 to a gas outlet opening 6.
  • the two openings can be placed on two sides of the housing so that the two faces on the one hand and the two openings on the other hand are located opposite one another.
  • the housing also includes mechanical connection elements (71, 72) capable of allowing the sealed connection of said housing, by at least one of said openings, to one or more other similar housings.
  • the main function of the housing is to keep the different interior parts in contact or aligned with each other while maintaining moderate mechanical stress.
  • a flow of gas to be analyzed is sent into the housing and flows from the gas inlet opening 5 to the gas outlet opening 6.
  • a light signal is sent into the housing through the lens 4.
  • the lens 4 and the micro-resonator 3 are chosen and arranged so that the light signal is focused in the center of the micro-resonator 3.
  • At least one wavelength of the light signal corresponds to an absorption peak of a gaseous species to be detected. This means that the spectral width of the light signal at least partially covers an absorption peak or an absorption band of the gaseous species to be detected.
  • the light signal is intensity modulated at a modulation frequency equal to the resonant frequency of tuning fork 2.
  • the gaseous species to be detected present in the micro-resonator absorbs part of the energy of the focused light signal. Said gaseous species heats up and expands periodically producing an acoustic signal at the frequency of modulation of the light signal.
  • Said acoustic signal is confined and amplified by the micro-resonator 3. A part of the vibrations of the acoustic signal passes through the orifice 14 and arrives at the quartz tuning fork 2.
  • the quartz tuning fork 2 comes into resonance, which causes an oscillating mechanical movement of the tuning fork.
  • the oscillating movement of the tuning fork can be converted into an electrical signal by piezoelectric effect.
  • the two electrical contacts of the tuning fork allow the measurement of the oscillating mechanical movement of the tuning fork to be transmitted outside the cover.
  • the box can include a simple PCB 18 electronic card which can be glued under the base of the box.
  • the output signal from the connections of the quartz tuning fork 2 can be sent to the electronic card 18 on an output of micro SMA type.
  • a transimpedance amplifier can be installed directly on the card.
  • a measurement signal is produced at the output of the amplifier, the amplitude of which depends on the concentration, in the gas flow to be analyzed, of the gaseous species which absorb the light signal.
  • the two opposite openings 5 and 6 of the housing 1 as well as the mechanical connection elements 71, 72 allow the sealed connection of said housing to another housing.
  • the opto-acoustic cell thus constitutes a module connectable to one or more other similar modules in order to form therewith or these a continuous conduit for the gas flow.
  • the different boxes are tightly connected to each other and the same flow of gas to be analyzed passes through all the boxes.
  • Each cell provides information on the composition of the gas flow.
  • the possibility of matching different opto-acoustic cells allows a detection system easily adaptable to different assortments of gaseous species to be detected.
  • FIG. 2 schematically represents an opto-acoustic cell as described above and adapted to further include a filter membrane 8.
  • FIGS. 1 A and 1 B have been used again in FIG. 2 for the designation of the parts common to the two types of cells.
  • the filter membrane 8 is housed in the gas outlet opening 6. This type of membrane, used in particular in gas chromatography allows certain species to pass and to block others.
  • This membrane can be used when it is necessary to detect the presence of two gaseous species whose absorption peaks are close to each other, and in particular if the difference in position between the absorption peaks is very small compared to the spectral width of the light signal.
  • the first upstream cell comprising a filtering membrane capable of blocking one of the two gaseous species to be detected.
  • the first cell is filled with the entire gas mixture
  • the second cell is filled with the entire gas mixture except the gas species blocked by the filter membrane.
  • part of the light signal is absorbed.
  • the light signal is absorbed by the two gaseous species.
  • the light signal is absorbed by the gaseous species among the two gaseous species to be detected, which is not blocked by the filter membrane.
  • Two different vibrational signals are obtained within each cell, from which it can be established that the two species to be detected are present in the flow of gas to be studied. It is even possible to determine the relationship between the concentrations of these two gaseous species in the flow to be studied by comparing the intensity of the two signals.
  • a filter membrane increases the selectivity of a detection system made up of different opto-acoustic cells connected to each other.
  • the detection system formed by different opto-acoustic cells connected to each other can in particular distinguish the presence of gaseous species even if the difference in position between the absorption peaks is very small compared to the spectral width of the light signal.
  • the light signal is produced by an infrared source. It can be a DFB (Distributed FeedBack) laser or a distributed feedback laser. This source can also be a light-emitting diode 9 or an RC LED having a higher power and a narrower emission spectrum. This second type of diode has a much narrower spectral width of the light signal produced than in the case of a conventional infrared light emitting diode.
  • Figures 1A and 1B show a light emitting diode 9 disposed in contact with the lens 4 for introducing and focusing the light signal.
  • the choice of light emitting diode is suitable for the detection of the gaseous species to be detected.
  • an absorption peak or an absorption band of the gaseous species must at least partially cover the spectral width of the light signal of the light-emitting diode 9.
  • the arrangement of the light-emitting diode 9 in contact with the lens 4 guarantees more stable alignment and better resistance to pollution by impurities from the optical part of the optoacoustic cell.
  • the lens 4 or the light-emitting diode 9 of the opto-acoustic cell may comprise an interference filter 10 of wavelength.
  • FIGS. 3A and 3B schematically represent an opto-acoustic cell comprising an interference filter 10 of wavelength placed between the light-emitting diode 9 and the lens 4.
  • FIGS. 1 A and 1 B have been used again in FIGS. 3A and 3B for the designation of the parts common to the two types of cells.
  • the interference filter 10 can be placed between the lens 4 and micro-resonator 3.
  • Such an interference filter 10 can be used when it is necessary to detect the presence of two gaseous species whose absorption peaks are close to each other, and in particular if the difference in position between the absorption peaks is very small compared to the spectral width of the light signal as produced by the light-emitting diode alone.
  • the interference filter 10 makes it possible to reduce the spectral width of the light signal produced by the diode, so that the spectral width of the light signal sent to the micro-resonator is smaller than the difference in position between the absorption peaks. In this way, the light signal after filtering can only be absorbed by one of the two species.
  • the interference filter is placed in contact with the light-emitting diode 9 or the lens 4.
  • the interference filter can be deposited by evaporation on the lens.
  • Such an arrangement in contact guarantees a more stable alignment and better resistance to pollution by impurities from the optical part of the opto-acoustic cell.
  • the interference filter 10 can consist of a stack of dielectric layers 11.
  • FIGS. 4A and 4B schematically represent an opto-acoustic cell comprising an interference filter consisting of a stack of layers 11 deposited on the surface of the lens 4 which faces the micro resonator 3.
  • FIGS. 1 A and 1 B have been used again in FIGS. 4A and 4B for the designation of the parts common to the two types of cells.
  • This stack of dielectric layers 11 can be produced by depositing layers on one of the surfaces of the lens 4 or on the face of the light-emitting diode 9 through which the light signal exits.
  • Layers can be deposited using an electron gun evaporator.
  • the materials forming the deposited layers can be the following: YF3, MgF2, CaF2, Cr, Ge, ZnS, ZnSe, In, Ti02, Si, SiO, SÎ3N4.
  • the different layers of the stack can together define an interference Fabry-Perot filter.
  • the Fabry Perot filter produced makes it possible to create a narrow bandpass filter around a predetermined wavelength l.
  • Such a Fabry Pérot filter can be formed by two Bragg mirrors and a cavity placed between the two Bragg mirrors.
  • FIG. 5 represents such a structure comprising two Bragg mirrors 52 surrounding a cavity 51.
  • Each Bragg mirror 52 can correspond to a stack of pairs of dielectric layers 53 54.
  • each pair of dielectric layer consists of a first deposit of a first dielectric material corresponding to an optical thickness l / 4 and d a second deposition of a second dielectric material corresponding to an optical thickness l / 4.
  • Such an optical thickness l / 4 traversed by a light signal of wavelength l corresponds to a phase shift of TT / 2.
  • a Bragg mirror can correspond to a stack of four pairs of dielectric layers, as illustrated in FIG. 5.
  • the cavity 51 may correspond to a stack of a single dielectric layer 55.
  • the dielectric layer consists of a deposit of a dielectric material corresponding to an optical thickness l / 2.
  • Such an optical thickness l / 2 traversed by a light signal of wavelength l corresponds to a phase shift of TT.
  • An optical thickness l / 4 corresponds to a thickness of 236 nm in ZnSe, and a thickness of 400 nm in SiO 2.
  • An optical thickness l / 2 corresponds to a thickness of 472 nm in ZnSe, and a thickness of 800 nm in SiO2.
  • a Bragg mirror formed by four pairs of two layers of ZnSe and Si02, each layer corresponding to an optical thickness l / 4, can be deposited on a surface of the lens 4 or of the light-emitting diode 9. It is possible to produce, above this Bragg mirror, a cavity formed by a layer of ZnSe corresponding to an optical thickness l / 2.
  • a second Bragg mirror identical to the first Bragg mirror is placed above the cavity.
  • the layer of the second Bragg mirror which is in contact with the cavity is a layer of Si02.
  • the result is a Faby-Perot interferometric filter with a transmission peak at a wavelength of 2.3 ⁇ m.
  • the interferometric filter has a transmission of 65%.
  • the width at mid-height of the transmission peak is approximately 60 nm.
  • Such a Fabry-Pérot interferometer makes it possible to perform filtering that is perfectly suited to the spectral range of interest.
  • the thickness of the layers is adjustable, so that it is possible to control the transmitted wavelength, that is to say the position of the filtered bandwidth.
  • the number of layers deposited is adjustable, so that it is possible to control the width and the height of the transmission peak, i.e. the width and the height of the filtered bandwidth.
  • the interference filter 10 can also consist of a MEMS-Fabry-Perot interferometer 23, as shown in FIGS. 6A and 6B. It is a miniaturized Fabry-Perot interferometer of the electromechanical microsystem type.
  • Such an interferometer is particularly compact.
  • Such an interferometer is also tunable: it is possible to adjust the transmitted wavelength, ie the position of the filtered bandwidth, by adjusting an input voltage of a MEMS-Fabry-Perot interferometer.
  • FIGS. 1 A and 1 B have been used again in FIGS. 6A and 6B for the designation of the parts common to the two types of cells.
  • the housing may comprise on one face on which one of the openings 5, 6 is formed, connection elements male mechanical 71 and on a face on which is formed the other of the openings of the female mechanical connection elements 72 complementary.
  • connection between two opto-acoustic cells involves only one face of each cell, which simplifies the connection operation.
  • the complementary nature of the male and female connections allows a polarizing effect and better ergonomics to assemble the opto-acoustic cells.
  • the male and female connections can be arranged on parallel faces of the housing.
  • the male and female connections can be arranged opposite one another on the parallel faces of the housing.
  • the housing comprises electronic connection elements 171, 172 able to allow the transmission of a measurement signal, to one or more other similar opto-acoustic cells.
  • These electronic connection elements 171, 172 make it possible to electronically assemble the cells together and to ensure the transmission of the measurement signal generated at the level of a cell regardless of the number of cells assembled.
  • the housing may comprise on the face comprising the male mechanical connection elements 71 male electronic connection elements 171 and on the face comprising the female mechanical connection elements 72 complementary female electronic connection elements 172.
  • the complementary nature of the male and female electronic connections allows a polarizing effect and better ergonomics to assemble the opto-acoustic cells.
  • a detector 100 is proposed for measuring the concentration of gaseous species comprising a plurality of optoacoustic cells 1a, 1b .... 1x, 1y as presented above. .
  • the cells can be tightly connected by their openings.
  • the outlet opening 6a of cell 1a is connected to the inlet opening 5b of cell 1b, then the outlet opening 6b of cell 1b is connected to the inlet opening 5c of cell 1c, and so on.
  • a continuous conduit for a gas flow is formed by the different cells.
  • the continuous duct is traversed by a flow of gas from the inlet opening 5a of the cell 1a to the outlet opening 6y of the cell 1y.
  • the male connection elements 71 a, 71 b ... 71x, are housed in the female connection elements 72b, 72c ... 72y. All of these elements guarantee the stability of the connection.
  • the male electronic connection elements 171a, 171 b ... 171 x, are housed in the female connection elements 172b, 172c ... 172y.
  • the detector 100 further comprises at least one light signal source.
  • each cell 1 a, 1 b ... 1 x, 1y is represented with a light signal source which is a light-emitting diode 9a, 9b ... 9x, 9y.
  • Other light signal sources can be used, such as DFB lasers or an RC LED with higher power and a narrower emission spectrum.
  • the plurality of light emitting diodes 9a, 9b, ... 9x, 9y can be chosen so that each diode illuminates the gas of the different cells at predetermined wavelengths.
  • the plurality of light emitting diodes 9a, 9b, ... 9x, 9y can be chosen so that each diode illuminates the gas of the different cells at different wavelengths.
  • a cell can be associated with the detection of a gaseous species or of several gaseous species.
  • the spectral width of the light source is wide enough to at least partially cover an absorption peak of a first gaseous species and an absorption peak of a second gaseous species, the cell is associated with the detection of these two species.
  • the intensity of the measurement signal produced at the cell level provides information on the concentration of the species or species associated with the cell.
  • each diode illuminates the gas of the different cells at different wavelengths.
  • the absorption spectra databases give the main absorption peaks at 2.3 pm, 3.3 pm and 7.5 pm for CH4 and 1.9 pm, 2.7 pm and 4.2 pm for C02.
  • a first opto-acoustic cell whose diode illuminates the gas at 2.3 pm, in correspondence with the absorption peak at 2.3 pm of CH4 and the cell allows the detection of a CH4 species.
  • a second opto-acoustic cell the diode of which illuminates the gas at 4.2 pm in correspondence with the absorption peak at 4.2 pm of the CO 2. This second cell allows the detection of the C02 species but not that of the
  • the combination of the two cells makes it possible to individually identify the presence of two gaseous species within a gas flow.
  • the device comprises a microprocessor 120 which is in contact with electronic connection elements 172a and 171 y.
  • Signal processing can be carried out there so as to deduce the concentration of different gaseous species present in the gas flow.
  • An algorithm for identifying gaseous species can be constructed from spectroscopic databases. It can be based on a principal component analysis or a neural network and executed in the microprocessor 120.
  • Two gaseous species can have absorption peaks very close to each other, in particular the difference in position between the absorption peaks can be small compared to the spectral width of the light signal of a light emitting diode.
  • Figures 8,9 and 10 show a detector that has a plurality of wavelength filters.
  • FIG. 8 schematically represents a detector formed by a plurality of opto-acoustic cells. Between each light emitting diode 9a, 9b, 9c ... 9x, 9y and each lens 4a, 4b, 4c ... 4x, 4y is placed an interference filter 10a, 10b, 10c ... 10x, 10y.
  • FIG. 7 The reference numbers in FIG. 7 have been re-used in FIG. 8 for the designation of the parts common to the two types of detectors.
  • the interference filters 10a, 10b, 10c ... 10x, 10y can be placed between the lens and micro-resonator 3.
  • the interference filter is advantageously placed in contact with the light-emitting diode or the corresponding lens.
  • FIG. 9 schematically represents a detector formed by a plurality of opto-acoustic cells.
  • On each lens 4a, 4b, 4c ... 4y is deposited a stack of dielectric layers 11a, 11b, 11c ... 11y.
  • the stack of dielectric layers can behave like an interference filter of the Fabry-Perot type.
  • FIG. 10 schematically represents a detector formed from a plurality of opto-acoustic cells. Between each light emitting diode 9a, 9b, 9c ... 9x, 9y and each lens 4a, 4b, 4c ... 4x, 4y is placed a MEMS- Fabry-Perot interferometer 23a, 23b, 23c ... 23x, 23y. These are miniaturized and tunable Fabry-Perot interferometers of the electromechanical microsystem type.
  • the reference numbers in FIG. 7 have been re-used in FIG. 10 for the designation of the parts common to the two types of detectors.
  • Each cell includes a diode
  • electroluminescent and an interference filter chosen so that the light signal, after filtering, has a spectral width which has a non-zero overlap only with an absorption peak of the associated gaseous species.
  • the cell has a very high sensitivity for its associated gaseous species and does not detect the presence of the other species.
  • Another way to increase the selectivity of the detector formed by the different optoacoustic cells is to use one or more filter membranes.
  • Figure 1 1 shows a detector formed of a plurality of opto-acoustic cells. Between each opto-acoustic cell 1 a, 1 b, 1 c ... 1 x, 1y is placed a filter membrane 8a, 8b, 8c ... 8x, 8y.
  • the filter membrane 8a placed between cells 1 a and 1 b blocks one or more gaseous species, so that the flow of gas passing through the opto-acoustic cells 1 b, 1 c ... 1 x, 1y corresponds to the flow private initial of blocked gaseous species.
  • the absorption spectra databases give the main absorption peaks at 3 , 3 pm for CH4 and 3.35 mih for C2H6. These two absorption peaks are so close to one another that the same diode must be used, for example centered at a wavelength of 3.4 ⁇ m, for the detection of the two gases.
  • a second opto-acoustic cell the diode of which also illuminates the gas at 3.4 pm. This second cell allows the detection of the C2H6 species which has crossed the filter membrane.
  • n opto-acoustic cells which all include the same model of light-emitting diode. This diode model is chosen so that the light signal produced can be absorbed by each of the n species in the group.
  • n opto-acoustic cells are assembled with n-1 filter membranes so that a filter membrane is located between two neighboring opto-acoustic cells.
  • n-1 filter membranes are chosen so that:
  • each filter membrane blocks only one of the n chemical species and lets the others pass, among the n species, one species is not blocked by any filtering membrane, and among the n-1 other species each is blocked by only one of the n-1 membrane and crosses the others.
  • the n opto-acoustic cells produce n measurement signals each corresponding to a different analyzed chemical composition.
  • n gaseous species can thus be determined in concentration within the gas flow.
  • a detector can be formed by connecting cells comprising an interference filter and cells comprising a filtering membrane, or alternatively cells comprising both an interference filter and a filtering membrane.

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Abstract

L'invention concerne une cellule opto-acoustique pour la mesure de la concentration d'au moins une espèce gazeuse comprenant un boitier, un diapason à quartz de mesure et un micro-résonateur, ledit diapason à quartz et ledit micro-résonateur étant disposés au voisinage l'un de l'autre selon une configuration «off-beam» à l'intérieur dudit boitier, ledit boitier comportant au moins une lentille pour l'introduction et la focalisation d'un signal lumineux à l'intérieur du boitier, au moins une longueur d'onde dudit signal lumineux correspondant à un pic d'absorption d'une espèce gazeuse à détecter, ledit boitier comportant au moins deux ouvertures opposées, l'une d'entrée des gaz, l'autre de sortie des gaz, ledit boitier comportant également des éléments de connexion mécanique aptes à permettre le raccordement étanche dudit boitier, par au moins une desdites ouvertures, à un ou plusieurs autres boitiers similaires, la cellule constituant ainsi un module raccordable à un ou plusieurs autres modules similaires afin de former avec celui-ci ou ceux-ci un conduit continu pour le flux de gaz.

Description

DETECTEUR A CELLULES MODULAIRES DE MESURE OPTO-ACOUSTIQUE
EXALTEE PAR RESONATEUR A QUARTZ
DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEUR
L’invention concerne un détecteur pour la mesure de la concentration d’espèces gazeuses.
En particulier, l’invention vise à être utilisée dans le secteur automobile pour détecter dans un mélange gazeux plusieurs espèces gazeuses, comme par exemple le méthane CH4, le monoxyde de carbone CO, le dioxyde de carbone C02, l’ammoniac NH3, le sulfure d’hydrogène H2S et le dioxyde d’azote N02.
L’invention vise également à être utilisée dans le secteur de l’environnement par exemple pour la mesure de la qualité de l’air, dans le secteur médical par exemple pour l’analyse d’haleine, dans le secteur industriel par exemple pour le contrôle de procédés, dans le secteur agroalimentaire par exemple pour le contrôle qualité.
L’invention concerne un détecteur dont le fonctionnement est fondé sur la technique de mesure opto-acoustique exaltée par résonateur à quartz.
Certaines espèces gazeuses présentent des pics d’absorption ou bandes d’absorption dans le spectre infrarouge. Le signal lumineux d’une source infrarouge qui éclaire une espèce gazeuse avec une largeur spectrale recouvrant au moins partiellement un de ces pics d’absorption ou bandes d’absorption est absorbé par l’espèce gazeuse.
L’absorption produit un échauffement local de l’espèce gazeuse.
En modulant l’intensité du signal lumineux, l’échauffement local produit peut être modulé de sorte qu’une onde sonore elle-même modulée est générée.
L’onde sonore peut être détectée par un diapason en quartz, ce qui permet d’établir que le mélange gazeux éclairé contient une espèce gazeuse présentant un pic d’absorption ou une bande d’absorption recouvrant au moins en partie la largeur spectrale du signal lumineux de la source infrarouge.
En comparant ce résultat aux bases de données des spectres d’absorption, il est possible d’identifier la présence d’une ou plusieurs espèces gazeuses dans le mélange, et de préciser la composition du mélange gazeux.
Les capteurs de mesure opto-acoustique exaltée par résonateur à quartz nécessitent l’utilisation d’un diapason à quartz qui présente deux avantages principaux.
D’une part, un diapason à quartz est une pièce de très bas coût, environ 400 fois moins cher qu’un détecteur optique classique utilisé sur des dispositifs de mesure d’absorption, tel qu’une photodiode infrarouge.
D’autre part, un même diapason à quartz peut être utilisé quelle que soit l’espèce gazeuse recherchée, la longueur d’onde d’absorption utilisée ou la source infrarouge utilisée.
Plus généralement, les capteurs opto-acoustiques actuels présentent plusieurs problèmes qui concernent notamment leur sélectivité, leur coût, leur capacité à détecter plusieurs espèces gazeuses, leur compacité et leur résistance. La sélectivité d’un détecteur correspond à sa capacité à identifier la présence d’une espèce gazeuse sans ambiguïté avec d’autres espèces.
Une façon d’améliorer la sélectivité d’un capteur de mesure opto- acoustique exaltée par résonateur à quartz est de produire un signal lumineux infrarouge qui présente une largeur spectrale suffisamment fine par rapport au pic d’absorption d’une espèce gazeuse pour que ce signal lumineux infrarouge ne soit absorbé que par cette seule espèce gazeuse.
La source infrarouge peut être un laser DFB dont la largeur spectrale est au moins cent fois plus faible que les largeurs des pics d’absorption des espèces chimiques à identifier. Le laser DFB rendra le capteur de mesure très sélectif mais aussi très cher, le coût d’un laser DFB étant cent fois supérieur à celui d’une diode électroluminescente.
La source infrarouge peut être une diode électroluminescente dont la largeur spectrale est beaucoup plus importante que celle d’un laser DFB. La diode électroluminescente rendra le capteur de mesure très bon marché mais très peu sélectif.
Des solutions ont été proposées pour rendre sélectifs et résistants dans un environnement donné des capteurs de mesure utilisant des diodes électroluminescentes, en introduisant un filtre passe bande. Mais les capteurs obtenus présentent une faible résistance à leur environnement qui peut donner lieu à une dégradation de la qualité de la mesure : d’une part ces capteurs présentent une instabilité de l’alignement de ses différents composants lorsqu’ils sont soumis à des vibrations et d’autre part ils sont susceptibles d’être pollués par des impuretés venant se déposer sur les surfaces des composants.
Par ailleurs, il est difficile de réaliser un capteur opto-acoustique à la fois sélectif et capable de détecter plusieurs espèces chimiques gazeuses.
En se limitant à la détection d’un assortiment de quelques espèces chimiques ciblées, il est possible de réaliser un détecteur en associant plusieurs capteurs, chaque capteur étant spécifique à une des espèces chimiques ciblées.
Cependant, il est nécessaire de développer complètement un nouveau détecteur lorsqu’il est nécessaire de détecter un nouvel assortiment d’espèces chimiques.
Les détections d’espèces gazeuses dans le secteur automobile requièrent des dispositifs de taille de plus en plus faible, depuis la taille d’une paume de la main, jusqu’à la taille d’un traversant d’une diode électroluminescente. Les capteurs intégrés actuellement utilisés, comme par exemple les capteurs Metal- Oxyde Semiconductor (MOS) qui sont basés sur des mesures de résistivité d’oxydes métalliques, n’offrent pas une sélectivité suffisante dans la détection des espèces chimiques.
Enfin, pour certaines applications, les conditions d’opération imposent des contraintes importantes sur les capteurs de gaz qui doivent résister à des environnements agressifs qui présentent de fortes vibrations, une atmosphère poussiéreuse ou des températures extrêmes. Les capteurs qui sont basés sur un principe optique sont particulièrement sensibles aux poussières et aux vibrations
PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L’INVENTION
Un but général de l’invention est de pallier les inconvénients des systèmes actuels de détection d’espèces chimiques dans un mélange gazeux.
Notamment, un but de l’invention est de proposer un détecteur qui propose un meilleur compromis entre son caractère sélectif, sa capacité à détecter plusieurs espèces chimiques gazeuses, son coût, sa compacité et sa résistance à un environnement agressif.
Un autre but de l’invention est de proposer un détecteur qui peut facilement être adapté à un nouvel assortiment d’espèces chimiques à détecter.
Le but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à une cellule opto-acoustique pour la mesure de la concentration d’au moins une espèce gazeuse comprenant un boîtier, un diapason à quartz de mesure et un micro-résonateur, ledit diapason à quartz et ledit micro-résonateur étant disposés au voisinage l’un de l’autre selon une configuration « off-beam » à l’intérieur dudit boîtier, ledit boîtier comportant au moins une lentille pour l’introduction et la focalisation d’un signal lumineux à l’intérieur du boîtier, au moins une longueur d’onde dudit signal lumineux correspondant à un pic d’absorption d’une espèce gazeuse à détecter,
ledit boîtier comportant au moins deux ouvertures opposées, l’une d’entrée des gaz, l’autre de sortie des gaz, ledit boîtier comportant également des éléments de connexion mécanique aptes à permettre le raccordement étanche dudit boîtier, par au moins une desdites ouvertures, à un ou plusieurs autres boîtiers similaires, la cellule constituant ainsi un module raccordable à un ou plusieurs autres modules similaires afin de former avec celui-ci ou ceux-ci un conduit continu pour le flux de gaz.
Une telle cellule est avantageusement complétée par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison : l’ouverture de sortie de ladite cellule comporte au moins une membrane filtrante bloquant la sortie d’au moins une espèce gazeuse ;
le signal lumineux provient d’une diode électroluminescente disposée en contact avec la lentille d’introduction et de focalisation du signal lumineux ;
la lentille ou la diode électroluminescente comprennent un filtre interférentiel de longueur d’onde ;
le filtre interférentiel de longueur d’onde comprend un empilement de couches diélectriques ;
les différentes couches de l’empilement définissent ensemble un filtre Fabry-Perot interférentiel ;
le filtre interférentiel de longueur d’onde est un MEMS-interféromètre Fabry-Perot ;
le boîtier comporte sur une face sur laquelle est ménagée l’une des ouvertures des éléments de connexion mécanique mâles et sur une face sur laquelle est ménagée l’autre des ouvertures des éléments de connexion mécanique femelles complémentaires ;
le boîtier comporte des éléments de connexion électronique aptes à permettre la transmission d’un signal de mesure, vers une ou plusieurs autres cellules opto-acoustiques similaires ; le boîtier comporte sur la face comportant les éléments de connexion mécanique mâles des éléments de connexion électronique mâles, et sur la face comportant les éléments de connexion mécanique femelles des éléments de connexion électronique femelles complémentaire ;
le boîtier comporte un socle sur lequel sont fixés le micro-résonateur et le diapason et un capot qui est destiné à être rapporté sur ledit socle, les ouvertures d’entrée et sortie des gaz étant ménagées sur des faces en regard du capot.
L’invention porte également sur un détecteur pour la mesure de concentration d’espèces gazeuses comportant une pluralité de cellules opto- acoustiques telles qu’on les a décrites précédemment, lesdites cellules étant raccordées de façon étanche par leurs ouvertures et formant entre elles un conduit continu pour un flux de gaz, ledit détecteur comportant en outre au moins une source de signal lumineux.
Un tel détecteur est avantageusement complété par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison : une pluralité de diodes électroluminescentes, les différentes diodes illuminant le gaz des différentes cellules à des longueurs d’onde prédéterminées ;
une pluralité de diodes électroluminescentes, les différentes diodes illuminant le gaz des différentes cellules à des longueurs d’onde différentes ;
une pluralité de filtres de longueur d’onde adaptés pour l’illumination du gaz à des longueurs d’onde prédéterminées, et un microprocesseur apte à analyser les signaux de sortie des diapasons des différentes cellules pour en déduire la concentration de différentes espèces gazeuses présentes dans le flux de gaz ;
les ouvertures de sortie des différentes cellules comportent des membranes filtrantes, les différentes membranes bloquant différentes espèces gazeuses et le détecteur comporte un microprocesseur apte à analyser les signaux de sortie des diapasons des différentes cellules pour en déduire la concentration des différentes espèces gazeuses.
PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : les figures 1A et 1 B représentent de manière schématique une cellule opto-acoustique selon l’invention ;
- la figure 2 représente de manière schématique une cellule opto- acoustique comprenant une membrane filtrante selon l’invention ;
les figures 3A, 3B, 4A, 4B, 6A et 6B représentent de manière schématique une cellule opto-acoustique comprenant un filtre interférentiel de longueur d’onde selon l’invention ;
- la figure 5 représente de manière schématique un empilement de couches diélectriques ;
les figures 7, 8, 9, 10 et 1 1 représentent de manière schématique un détecteur comportant une pluralité de cellules opto-acoustiques selon l’invention ;
DESCRIPTION D’UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN ŒUVRE ET DE
RÉALISATION
En référence aux figures 1 A et 1 B, une cellule opto-acoustique 30 pour la mesure de la concentration d’au moins une espèce gazeuse comprend un boîtier 1 .
Le boîtier 1 est préférentiellement en plastique.
Le boîtier 1 peut être composé d’un socle et d’un capot maintenus ensemble par des vis, ou bien être réalisé en une seule pièce monolithique, par exemple par surmoulage. Le surmoulage peut être obtenu par impression 3D. Le surmoulage permet une meilleure protection thermique de l’environnement à l’intérieur du capot.
La figure 1 B illustre la situation d’un boîtier 1 comportant d’une part un socle 12 et d’autre part un capot 13 qui est destiné à être rapporté sur ledit socle.
Le capot 13 peut être fixé sur le socle 12 par vissage d’une vis 22 et l’étanchéité entre le socle 12 et le capot 13 peut est assurée par un joint en silicone 21.
Le socle peut disposer d’une sortie électrique étanche, obtenue par exemple par collage, pour laisser traverser deux contacts électriques 19 du diapason. Ces contacts électriques permettent de transmettre une mesure du mouvement mécanique oscillant du diapason.
Le boîtier 1 comprend un diapason à quartz de mesure 2 et un micro résonateur 3 qui peuvent être fixés sur le socle 12.
Le diapason à quartz 2 présente deux branches parallèles qui peuvent vibrer à une fréquence de vibration bien déterminée, la fréquence de résonance du diapason.
Le micro-résonateur 3 comprend un tube cylindrique rigidement fixé au boîtier 1 s’étendant selon un premier axe 15. Les dimensions du micro résonateur 3 sont choisies de sorte à confiner et amplifier une onde acoustique à la fréquence de résonance du diapason 2. La géométrie du micro-résonateur dépend du gaz à détecter.
Le micro-résonateur 3 peut être obtenu par usinage d’un bloc de durai de dimensions typiques 5 mm x10 mm x10 mm.
Le micro résonateur 3 peut occuper un volume d’environ 1 cm3.
Le micro-résonateur 3 est disposé sur un support 7 qui peut être plein ou creux.
Le micro résonateur 3 présente un orifice 14 qui s’étend selon un deuxième axe 16 orthogonal au premier axe 15 du micro-résonateur 3. Ledit orifice 14 peut être un micro usinage réalisé sur le corps du tube du micro résonateur 3. Ledit orifice 14 peut être avantageusement positionné au niveau d’un ventre d’une onde acoustique à la fréquence de résonance du diapason confinée dans le micro-résonateur 3.
Le diapason à quartz 2 est rigidement fixé au boîtier 1 et s’étend dans un plan perpendiculaire au deuxième axe de l’orifice 14 du micro résonateur de sorte que le dit deuxième axe 16 de l’orifice 14 passe entre les deux branches du diapason.
Préférentiellement, la distance D entre le diapason à quartz 2 et le plan d’entrée du micro-résonateur 3 est comprise entre 50pm et 150pm et encore plus préférentiellement vaut 100 pm.
Une telle disposition du diapason à quartz de mesure 2 et du micro résonateur 3 peut être qualifiée de disposition « off-beam ».
La disposition « off-beam » permet de travailler autrement qu’en faisant passer le signal lumineux entre les branches du diapason. Il devient possible avec la disposition « off-beam » de travailler avec des signaux lumineux qu’on ne peut faire passer entre les branches du diapason sans provoquer des effets thermiques dommageables pour la mesure. C’est notamment le cas des signaux lumineux produits par des diodes électroluminescentes.
Par ailleurs la disposition « off-beam » est plus simple à mettre en oeuvre, la position du signal lumineux par rapport aux branches du diapason étant beaucoup moins critique.
Le boîtier présente une paroi dans un plan perpendiculaire au premier axe 15 du micro-résonateur 3 et un orifice au sein de cette paroi. Une lentille 4 par exemple de type sphérique est collée au niveau dudit orifice de manière à séparer de manière étanche les deux faces de la paroi. La position de l’orifice et la lentille 4 est adaptée pour que l’axe de la lentille soit confondu avec le premier axe 15 du micro-résonateur 3.
La lentille est directement collée sur la paroi du boîtier de sorte qu’elle remplit également le rôle de fenêtre. Cela permet de limiter le nombre de pièces optiques, de limiter le risque de désalignement et de pollution de la partie optique de la cellule. Le boîtier peut comprendre une fenêtre de sortie 20 située en face de la lentille 4 qui permet, en phase de réglages et d’alignement, de visualiser le signal lumineux en sortie de la cellule. Un détecteur optique, par exemple une photodiode, peut être placé à l’extérieur afin de contrôler le réglage et l’alignement de la partie optique de la cellule opto-acoustique. Une fois le réglage et l’alignement effectués, ledit détecteur optique peut être retiré, il n’est pas nécessaire au fonctionnement de la cellule opto-acoustique.
La fenêtre de sortie 20 peut être collée directement sur sa paroi.
Le boîtier comporte deux ouvertures 5, 6 opposées adaptées pour faire circuler un flux gazeux, depuis une ouverture d’entrée des gaz 5 vers une ouverture de sortie des gaz 6. Les deux ouvertures peuvent être placées sur deux faces du boîtier de sorte que les deux faces d’une part et les deux ouvertures d’autre part sont situées en regard l’une de l’autre.
Le boîtier comporte également des éléments de connexion mécanique (71 ,72) aptes à permettre le raccordement étanche dudit boîtier, par au moins une desdites ouvertures, à un ou plusieurs autres boîtiers similaires.
La fonction principale du boîtier est de maintenir les différentes pièces intérieures en contact ou alignées les unes avec les autres en maintenant une contrainte mécanique modérée.
Un flux de gaz à analyser est envoyée dans le boîtier et circule depuis l’ouverture d’entrée des gaz 5 vers l’ouverture de sortie des gaz 6.
Un signal lumineux est envoyé dans le boîtier au travers de la lentille 4. La lentille 4 et le micro-résonateur 3 sont choisis et agencés de sorte que le signal lumineux est focalisé au centre du micro-résonateur 3.
Au moins une longueur d’onde du signal lumineux correspond à un pic d’absorption d’une espèce gazeuse à détecter. Cela signifie que la largeur spectrale du signal lumineux recouvre au moins partiellement un pic d’absorption ou une bande d’absorption de l’espèce gazeuse à détecter. Le signal lumineux est modulé en intensité à une fréquence de modulation égal à la fréquence de résonance du diapason 2.
L’espèce gazeuse à détecter présente dans le micro-résonateur absorbe une partie de l’énergie du signal lumineux focalisé. Ladite espèce gazeuse s’échauffe et se dilate périodiquement produisant un signal acoustique à la fréquence de modulation du signal lumineux.
Ledit signal acoustique est confiné et amplifié par le micro-résonateur 3. Une partie des vibrations du signal acoustique passe au travers de l’orifice 14 et parvient au diapason à quartz 2.
Le diapason à quartz 2 rentre en résonance, ce qui provoque un mouvement mécanique oscillant du diapason.
Le mouvement oscillant du diapason peut être converti en signal électrique par effet piézo-électrique.
Les deux contacts électriques du diapason permettent de transmettre en dehors du capot la mesure du mouvement mécanique oscillant du diapason.
Le boîtier peut comprendre une carte électronique simple en PCB 18 qui peut être collée sous le socle du boîtier.
Le signal de sortie issu des connexions du diapason à quartz 2 peut être envoyé vers la carte électronique 18 sur une sortie de type micro SMA. Un amplificateur transimpédance peut être implanté directement sur la carte.
Un signal de mesure est produit à la sortie de l’amplificateur dont l’amplitude dépend de la concentration, dans le flux gazeux à analyser, des espèces gazeuses qui absorbent le signal lumineux.
Les deux ouvertures opposées 5 et 6 du boîtier 1 ainsi que les éléments de connexion mécanique 71 , 72 permettent le raccordement étanche dudit boîtier à une autre boîtier. La cellule opto-acoustique constitue ainsi un module raccordable à un ou plusieurs autres modules similaires afin de former avec celui- ci ou ceux-ci un conduit continu pour le flux de gaz.
En fonction des espèces gazeuses à détecter dans un flux de gaz, il est possible de choisir différentes cellules chacune étant capable de détecter une ou plusieurs espèces gazeuses parmi les espèces gazeuses à détecter.
Les différents boîtiers sont raccordés les uns aux autres de manière étanche et un même flux de gaz à analyser passe à travers tous les boîtiers.
Chaque cellule permet d’apporter une information concernant la composition du flux de gaz. La possibilité d’assortir différentes cellules opto-acoustiques permet un système de détection facilement adaptable à différents assortiments d’espèces gazeuses à détecter.
La figure 2 représente de manière schématique une cellule opto- acoustique telle qu’on vient de le décrire et adaptée pour comporter en outre une membrane filtrante 8.
Les références numériques des figures 1 A et 1 B ont été réemployées dans la figure 2 pour la désignation des parties communes aux deux types de cellules.
La membrane filtrante 8 est logée dans l’ouverture de sortie des gaz 6. Ce type de membrane, utilisée notamment en chromatographie en phase gazeuse permet de laisser passer certaines espèces et d’en bloquer d’autres.
Cette membrane peut être utilisée lorsqu’il est nécessaire de détecter la présence de deux espèces gazeuses dont les pics d’absorption sont proches les uns des autres, et en particulier si la différence de position entre les pics d’absorption est très petite devant la largeur spectrale du signal lumineux.
Dans ce cas il est possible de raccorder deux cellules dont le signal lumineux peut être absorbé par les deux espèces gazeuses, la première cellule en amont comportant une membrane filtrante capable de bloquer une des deux espèces gazeuses à détecter.
En alimentant les deux cellules avec le flux gazeux à étudier, la première cellule est remplie de la totalité du mélange gazeux, et la seconde cellule est remplie de la totalité du mélange gazeux sauf l’espèce gazeuse bloquée par la membrane filtrante.
Au sein des deux cellules opto-acoustiques, une partie du signal lumineux est absorbée.
Dans la première cellule en amont, le signal lumineux est absorbé par les deux espèces gazeuses.
Dans la seconde cellule en aval, le signal lumineux est absorbé par l’espèce gazeuse parmi les deux espèces gazeuses à détecter, qui n’est pas bloquée par la membrane filtrante.
Deux signaux vibratoires différents sont obtenus au sein de chaque cellule, à partir desquels il est possible d’établir que les deux espèces à détecter sont présentes dans le flux de gaz à étudier. Il est même possible de déterminer le rapport entre les concentrations de ces deux espèces gazeuses dans le flux à étudier en comparant l’intensité des deux signaux.
D’autres situations peuvent être imaginées, avec plus de deux espèces gazeuses à détecter et dont les pics d’absorption sont proches les uns des autres.
L’ajout d’une membrane filtrante permet d’augmenter la sélectivité d’un système de détection formé de différentes cellules opto-acoustiques raccordées entre elles.
Le système de détection formé de différentes cellules opto-acoustiques raccordées entre elles peut en particulier distinguer la présence d’espèces gazeuses même si la différence de position entre les pics d’absorption est très petite devant la largeur spectrale du signal lumineux.
Le signal lumineux est produit par une source infrarouge. Il peut d’agir d’un laser DFB (Distributed FeedBack) ou laser à rétroaction répartie. Cette source peut également être une diode électroluminescente 9 ou bien une RC LED présentant une puissance plus importante et un spectre d’émission plus étroit. Ce deuxième type de diode présente une largeur spectrale du signal lumineux produit beaucoup plus fine que dans le cas d’une diode électroluminescente infrarouge conventionnelle. Les figures 1A et 1 B représentent une diode électroluminescente 9 disposée en contact avec la lentille 4 d’introduction et de focalisation du signal lumineux.
Le choix de la diode électroluminescente est adapté à la détection de l’espèce gazeuse à détecter. En particulier, un pic d’absorption ou une bande d’absorption de l’espèce gazeuse doit recouvrir au moins en partie la largeur spectrale du signal lumineux de la diode électroluminescente 9.
La disposition de la diode électroluminescente 9 au contact de la lentille 4 garantit un alignement plus stable et une meilleure résistance à la pollution par impuretés de la partie optique de la cellule opto-acoustique.
La lentille 4 ou la diode électroluminescente 9 de la cellule opto- acoustique peuvent comprendre un filtre interférentiel 10 de longueur d’onde.
Les figures 3A et 3B représentent de manière schématique une cellule opto-acoustique comprenant un filtre interférentiel 10 de longueur d’onde placé entre la diode électroluminescente 9 et la lentille 4.
Les références numériques des figures 1 A et 1 B ont été réemployées dans les figures 3A et 3B pour la désignation des parties communes aux deux types de cellules.
De manière équivalente, le filtre interférentiel 10 peut être placé entre la lentille 4 et micro-résonateur 3.
Un tel filtre interférentiel 10 peut être utilisée lorsqu’il est nécessaire de détecter la présence de deux espèces gazeuses dont les pics d’absorption sont proches les uns des autres, et en particulier si la différence de position entre les pics d’absorption est très petite devant la largeur spectrale du signal lumineux tel qu’il est produit par la diode électroluminescente seule.
Le filtre interférentiel 10 permet de réduire la largeur spectrale du signal lumineux produit par la diode, de sorte que la largeur spectrale du signal lumineux envoyé dans le micro-résonateur est plus petite que la différence de position entre les pics d’absorption. De cette manière, le signal lumineux après filtrage ne peut être absorbé que par une des deux espèces.
Il est possible de réduire la largeur spectrale à mi-hauteur du signal lumineux produit par la diode jusqu’à 40 nanomètres en utilisant un filtre interférentiel.
Le filtre interférentiel est placé en contact de la diode électroluminescente 9 ou de la lentille 4.
En particulier, le filtre interférentiel peut être déposé par évaporation sur la lentille.
Une telle disposition en contact garantit un alignement plus stable et une meilleure résistance à la pollution par impuretés de la partie optique de la cellule opto-acoustique.
Le filtre interférentiel 10 peut consister en un empilement de couches diélectriques 11.
Les figures 4A et 4B représentent de manière schématique une cellule opto-acoustique comprenant un filtre interférentiel consistant en un empilement de couches 11 déposé à la surface de la lentille 4 qui fait face au micro résonateur 3.
Les références numériques des figures 1 A et 1 B ont été réemployées dans les figures 4A et 4B pour la désignation des parties communes aux deux types de cellules.
Cet empilement de couches diélectriques 11 peut être réalisé par dépôt de couches sur une des surfaces de la lentille 4 ou sur la face de la diode électroluminescente 9 par laquelle sort le signal lumineux.
Le dépôt de couches peut être réalisé grâce à un évaporateur à canons à électrons. Les matériaux formant les couches déposées peuvent être les suivants : YF3, MgF2, CaF2, Cr, Ge, ZnS, ZnSe, In, Ti02, Si, SiO, SÎ3N4. Les différentes couches de l’empilement peuvent définir ensemble un filtre Fabry-Pérot interférentiel. Le filtre Fabry Pérot produit permet de créer un filtre passe-bande étroit autour d’une longueur d’onde l prédéterminée.
Un tel filtre Fabry Pérot peut être formé par deux miroirs de Bragg et d’une cavité placée entre les deux miroirs de Bragg. La figure 5 représente une telle structure comportant deux miroirs de Bragg 52 entourant une cavité 51.
Chaque miroir de Bragg 52 peut correspondre à un empilement de paires de couches diélectriques 53 54. Pour un miroir, chaque paire de couche diélectrique est constituée d’un premier dépôt d’un premier matériau diélectrique correspondant à une épaisseur optique l/4 et d’un second dépôt d’un second matériau diélectrique correspondant à une épaisseur optique l/4. Une telle épaisseur optique l/4 parcourue par un signal lumineux de longueur d’onde l correspond à un déphasage de TT/2.
Un miroir de Bragg peut correspondre à un empilement de quatre paires de couches diélectriques, comme illustré sur la figure 5.
La cavité 51 peut correspondre à un empilement d’une seule couche diélectrique 55. Pour une cavité, la couche diélectrique est constituée d’un dépôt d’un matériau diélectrique correspondant à une épaisseur optique l/2. Une telle épaisseur optique l/2 parcourue par un signal lumineux de longueur d’onde l correspond à un déphasage de TT.
Pour réaliser un filtre Fabry Perot à une longueur d’onde l égale à 2,3 pm, il est possible par exemple d’utiliser les matériaux diélectriques ZnSe et Si02. L’indice optique de ces matériaux valent respectivement 2,43 et 1 ,43.
Une épaisseur optique l/4 correspond à -une épaisseur de 236nm en ZnSe, et une épaisseur de 400 nm en Si02.
Une épaisseur optique l/2 correspond à une épaisseur de 472 nm en ZnSe, et une épaisseur de 800 nm en Si02.
Un miroir de Bragg formé de quatre paires de deux couches de ZnSe et Si02, chaque couche correspondant à une épaisseur optique l/4, peut être déposé sur une surface de la lentille 4 ou de la diode électroluminescente 9. Il est possible de réaliser, au-dessus de ce miroir de Bragg, une cavité formée d’une couche de ZnSe correspondant à une épaisseur optique l/2.
Enfin, un second miroir de Bragg identique au premier miroir de Bragg est déposé au-dessus de la cavité. La couche du second miroir de Bragg qui est en contact avec la cavité est une couche de Si02.
Le résultat est un filtre interférométrique de Faby-Pérot présentant un pic de transmission à la longueur d’onde de 2,3 pm.
A cette longueur d’onde, le filtre interférométrique présente une transmission de 65%. La largeur à mi-hauteur du pic de transmission est d’environ 60 nm.
Un tel interféromètre de Fabry-Pérot permet de réaliser un filtrage parfaitement adapté à la gamme spectrale d’intérêt.
L’épaisseur des couches est réglable, de sorte qu’il est possible de contrôler la longueur d’onde transmise c’est à dire la position de la bande passante filtrée.
Le nombre de couches déposées est réglable, de sorte qu’il est possible de contrôler la largeur et la hauteur du pic de transmission, c’est-à-dire la largeur et la hauteur de la bande passante filtrée.
Le filtre interférentiel 10 peut aussi consister en un MEMS-interféromètre Fabry-Perot 23, comme représenté sur les figures 6A et 6B. Il s’agit d’un interféromètre de Fabry-Pérot miniaturisé de type microsystème électromécanique.
Un tel interféromètre est particulièrement compact.
Un tel interféromètre est également accordable : il est possible de régler la longueur d’onde transmise c’est à dire la position de la bande passante filtrée, en ajustant une tension d’entrée d’un MEMS-interféromètre Fabry-Perot.
Les références numériques des figures 1 A et 1 B ont été réemployées dans les figures 6A et 6B pour la désignation des parties communes aux deux types de cellules.
Comme illustré sur la figure 1 A le boîtier peut comporter sur une face sur laquelle est ménagée l’une des ouvertures 5, 6 des éléments de connexion mécanique mâles 71 et sur une face sur laquelle est ménagée l’autre des ouvertures des éléments de connexion mécanique femelles 72 complémentaires.
De cette manière, le raccordement entre deux cellules opto-acoustique n’implique qu’une face de chaque cellule, ce qui simplifie l’opération de raccordement.
Le caractère complémentaire des connexions mâles et femelles permet une effet détrompeur et une meilleure ergonomie pour assembler les cellules opto-acoustiques.
Au sein d’une cellule les connexions mâles et femelles peuvent être disposées sur des faces parallèles du boîtier.
De cette manière, la direction perpendiculaire à ces faces du boîtier correspond à la direction de raccordement des cellules.
Au sein d’une cellule les connexions mâles et femelles peuvent être disposées en regard l’une de l’autre sur les faces parallèles du boîtier
De cette manière, deux cellules raccordées présentent la même position angulaire par rapport à la direction de raccordement. Cela permet de limiter l’encombrement d’un ensemble de cellules.
Le boîtier comporte des éléments de connexion électronique 171 , 172 aptes à permettre la transmission d’un signal de mesure, vers une ou plusieurs autres cellules opto-acoustiques similaires.
Ces éléments de connexion électronique sont représentés sur la figure 1 A.
Ces éléments de connexion électronique 171 , 172 permettent d’assembler électroniquement les cellules entre elles et d’assurer la transmission du signal de mesure généré au niveau d’une cellule quel que soit le nombre de cellules assemblées.
Le boîtier peut comporter sur la face comportant les éléments de connexion mécanique mâles 71 des éléments de connexion électronique mâles 171 et sur la face comportant les éléments de connexion mécanique femelles 72 des éléments de connexion électronique femelles 172 complémentaire. De cette manière, le raccordement entre deux cellules opto-acoustique tant mécanique qu’électronique n’implique qu’une face de chaque cellule, ce qui simplifie l’opération de raccordement.
Le caractère complémentaire des connexions électronique mâles et femelles permet une effet détrompeur et une meilleure ergonomie pour assembler les cellules opto-acoustiques.
Le caractère compact des composants optiques et leur disposition en contact permet de réaliser une cellule opto-acoustique réduite à quelques centimètres cubes. Ce volume est suffisamment faible pour qu’une telle cellule opto-acoustique soit compatible avec les applications d’analyse de gaz dans des systèmes mobiles, par exemple au sein d’un détecteur embarqué ou d’un détecteur portatif type hand-held analyser .
En référence à la figure 7, il est proposé un détecteur 100 pour la mesure de concentration d’espèces gazeuses comportant une pluralité de cellules opto- acoustiques 1 a, 1 b.... 1x, 1y telles qu’on les a présentées précédemment.
Les cellules peuvent être raccordées de façon étanche par leurs ouvertures. L’ouverture de sortie 6a de la cellule 1 a est raccordée à l’ouverture d’entrée 5b de la cellule 1 b, puis l’ouverture de sortie 6b de la cellule 1 b est raccordée à l’ouverture d’entrée 5c de la cellule 1 c, et ainsi de suite.
De cette manière, un conduit continu pour un flux de gaz est formé par les différentes cellules. Dans l’exemple de la figure 7, le conduit continu est parcouru par un flux de gaz depuis l’ouverture d’entrée 5a de la cellule 1 a jusqu’à l’ouverture de sortie 6y de la cellule 1y.
Les éléments de connexion mâles 71 a, 71 b...71x, viennent se loger dans les éléments de connexion femelles 72b, 72c...72y. L’ensemble de ces éléments garantit la stabilité du raccordement.
Les éléments de connexion électronique mâles 171a, 171 b...171 x, viennent se loger dans les éléments de connexion femelles 172b, 172c...172y.
Ces éléments de connexion électronique permettent d’assembler électroniquement les cellules entre elles et d’assurer la transmission d’un signal de mesure généré au niveau d’une cellule. Le détecteur 100 comporte en outre au moins une source de signal lumineux. Sur la figure 7, chaque cellule 1 a, 1 b... 1 x, 1y est représentée avec une source de signal lumineux qui est une diode électroluminescente 9a, 9b... 9x, 9y. D’autres sources de signal lumineux peuvent être utilisées, comme des lasers DFB ou bien une RC LED présentant une puissance plus importante et un spectre d’émission plus étroit.
La pluralité de diodes électroluminescentes 9a, 9b, ...9x, 9y peut être choisie de sorte que chaque diode illumine le gaz des différentes cellules à des longueurs d’onde prédéterminées.
La pluralité de diodes électroluminescentes 9a, 9b, ...9x, 9y peut être choisie de sorte que chaque diode illumine le gaz des différentes cellules à des longueurs d’onde différentes.
Une cellule peut être associée à la détection d’une espèce gazeuse ou bien de plusieurs espèces gazeuses. Dans le cas où la largeur spectrale de la source lumineuse est suffisamment large pour recouvrir au moins partiellement un pic d’absorption d’une première espèce gazeuse et un pic d’absorption d’une deuxième espèce gazeuse, la cellule est associée à la détection de ces deux espèces.
L’intensité du signal de mesure produit au niveau de la cellule renseigne sur la concentration de la ou des espèces associées à la cellule.
Afin de pouvoir identifier individuellement un assortiment d’espèces gazeuses, on peut utiliser différentes cellules de sorte que chaque diode illumine le gaz des différentes cellules à des longueurs d’onde différentes.
Par exemple si l’objectif est de mesurer la concentration en méthane (CH4) et en dioxyde de carbone (C02) dans un flux d’azote (N2), les bases de données de spectres d’absorption donnent des pics d’absorption principaux à 2,3 pm, 3,3 pm et 7,5 pm pour CH4 et 1 ,9 pm, 2,7pm et 4,2 pm pour C02.
Dans cette situation, il est possible de choisir :
une première cellule opto-acoustique dont la diode illumine le gaz à 2.3 pm, en correspondance avec le pic d’absorption à 2,3pm du CH4 et la cellule permet la détection d’une espèce CH4. Une seconde cellule opto- acoustique dont la diode illumine le gaz à 4,2 pm en correspondance avec le pic d’absorption à 4,2 pm du C02. Cette seconde cellule permet la détection de l’espèce C02 mais pas celle du
CH4.
La combinaison des deux cellules permet d’identifier individuellement la présence de deux espèces gazeuses au sein d’un flux de gaz.
Un traitement des signaux produits au sein de chaque cellule est nécessaire.
Le dispositif comprend un microprocesseur 120 qui est en contact avec des éléments de connexion électronique 172a et 171 y.
De cette manière, la transmission du signal de mesure généré au niveau de chaque cellule vers le microprocesseur 120 peut être assurée.
Un traitement des signaux peut y être réalisé de sorte à déduire la concentration de différentes espèces gazeuses présentes dans le flux de gaz.
Un algorithme d’identification des espèces gazeuses peut être construit à partir des bases de données spectroscopiques. Il peut être fondé sur une analyse en composantes principales ou un réseau de neurones et exécuté dans le microprocesseur 120.
Deux espèces gazeuses peuvent présenter des pics d’absorption très proches les uns des autres, en particulier la différence de position entre les pics d’absorption peut être petite devant la largeur spectrale du signal lumineux d’une diode électroluminescente.
Dans cette situation, un détecteur formé par le raccordement de plusieurs cellules opto-acoustiques comprenant des diodes
électroluminescentes différentes n’est pas assez sélectif pour résoudre ou séparer les deux espèces.
Pour augmenter la sélectivité, il est possible d’utiliser une pluralité de filtres de longueur d’onde adaptés pour l’illumination du gaz à des longueurs d’onde prédéterminées. De cette manière, on diminue le nombre de situations où la différence de position entre les pics d’absorption de deux espèces gazeuses est petite devant la largeur spectrale du signal lumineux d’une diode
électroluminescente. Les figures 8,9 et 10 représentent un détecteur qui comporte une pluralité de filtres de longueur d’onde.
La figure 8 représente de manière schématique un détecteur formé d’une pluralité de cellules opto-acoustiques. Entre chaque diode électroluminescente 9a, 9b, 9c... 9x, 9y et chaque lentille 4a, 4b, 4c... 4x, 4y est placé un filtre interférentiel 10a, 10b, 10c... 10x, 10y.
Les références numériques de la figure 7 ont été réemployées dans la figure 8 pour la désignation des parties communes aux deux types de détecteurs.
De manière équivalente, les filtres interférentiels 10a, 10b, 10c... 10x, 10y peuvent être placés entre la lentille et micro-résonateur 3.
Le filtre interférentiel est avantageusement placé en contact de la diode électroluminescente ou de la lentille correspondante.
La figure 9 représente de manière schématique un détecteur formé d’une pluralité de cellules opto-acoustiques. Sur chaque lentille 4a, 4b, 4c...4y est déposé un empilement de couches diélectriques 11 a, 1 1 b, 11 c... 11 y.
L’empilement de couches diélectriques peut se comporter comme un filtre interférentiel de type Fabry-Pérot.
Les références numériques de la figure 7 ont été réemployées dans la figure 9 pour la désignation des parties communes aux deux types de détecteurs.
La figure 10 représente de manière schématique un détecteur formé d’une pluralité de cellules opto-acoustiques. Entre chaque diode électroluminescente 9a, 9b, 9c... 9x, 9y et chaque lentille 4a, 4b, 4c... 4x, 4y est placé un MEMS- interféromètre Fabry-Pérot 23a, 23b, 23c... 23x, 23y. Il s’agit d’interféromètres de Fabry-Pérot miniaturisé et accordables de type microsystème électromécanique. Les références numériques de la figure 7 ont été réemployées dans la figure 10 pour la désignation des parties communes aux deux types de détecteurs.
Il est par exemple possible d’associer à chaque espèce gazeuse d’intérêt une cellule opto-acoustique. Chaque cellule comprend une diode
électroluminescente et un filtre interférentiel choisis pour que le signal lumineux, après filtrage, présente une largeur spectrale qui a un recouvrement non nul uniquement avec un pic d’absorption de l’espèce gazeuse associée.
De cette manière, la cellule a une sensibilité très importante pour son espèce gazeuse associée et ne détecte pas la présence des autres espèces.
L’ensemble des cellules présente à la fois une sensibilité très
importante et une capacité à détecter toutes les espèces gazeuses d’intérêt.
Une autre manière d’augmenter la sélectivité du détecteur formé des différentes cellules opto-acoustiques est d’utiliser une ou plusieurs membranes filtrantes.
La figure 1 1 représente un détecteur formé d’une pluralité de cellules opto-acoustiques. Entre chaque cellule opto-acoustique 1 a, 1 b, 1 c...1 x, 1y est placée une membrane filtrante 8a, 8b, 8c...8x, 8y.
Les références numériques de la figure 7 ont été réemployées dans la figure 1 1 pour la désignation des parties communes aux deux types de détecteurs.
La membrane filtrante 8a placée entre les cellules 1 a et 1 b bloque une ou plusieurs espèces gazeuses, de sorte que le flux de gaz passant à travers les cellules opto-acoustiques 1 b, 1 c...1 x, 1y correspond au flux initial privé des espèces gazeuses bloquées.
Par exemple si l’objectif est de mesurer la concentration en méthane (CH4) et en éthane (C2H6) dans un flux d’azote (N2), les bases de données de spectres d’absorption donnent des pics d’absorption principaux à 3,3 pm pour CH4 et 3,35 mih pour le C2H6. Ces deux pics d’absorption sont si proches l’un de l’autre que l’on doit utiliser une même diode, par exemple centrée à une longueur d’onde de 3,4 pm, pour la détection des deux gaz.
Dans cette situation, il est possible de choisir :
- une première cellule opto-acoustique dont la lumière de la diode (3,4pm) sera absorbée par le méthane CH4 et l’éthane C2H6. Cette première cellule permet donc la détection des deux espèces CH4 et C2H6, mais sans pouvoir en faire la distinction.
- Une membrane filtrante située entre les deux modules qui bloque le CH4 mais laisse passer le C2H6.
- Une seconde cellule opto-acoustique dont la diode illumine également le gaz à 3,4 pm. Cette deuxième cellule permet la détection de l’espèce C2H6 qui a traversé la membrane filtrante.
Ainsi connaissant la concentration en éthane C2H6 grâce au second module, il est possible de connaître la concentration en méthane CH4 grâce au premier module.
Au sein de l’assortiment des espèces gazeuses d’intérêt, il est possible de définir des groupes d’espèces de sorte que les espèces gazeuses d’un groupe présente des pics d’absorption proches. A un tel groupe de n espèces, il est possible d’associer n cellules opto-acoustiques qui comprennent toutes le même modèle de diode électroluminescente. Ce modèle de diode est choisi de sorte que le signal lumineux produit peut-être absorbé par chacune des n espèces du groupe.
Les n cellules opto-acoustiques sont assemblées avec n-1 membranes filtrantes de sorte à ce qu’une membrane filtrante se trouve entre deux cellules opto-acoustiques voisines.
Les n-1 membranes filtrantes sont choisies de sorte à ce que :
chaque membrane filtrante bloque une seule des n espèces chimiques et laisse passer les autres, parmi les n espèces, une espèce n’est bloquée par aucune membrane filtrante, et parmi les n-1 autres espèces chacune est bloquée par une seule des n-1 membrane et traverse les autres.
De cette manière, les n cellules opto-acoustiques produisent n signaux de mesure chacun correspondant à une composition chimique analysée différente.
En procédant à une analyse relative, il est possible de mesurer la concentration d’une espèce présente dans une cellule et absente de la cellule suivante.
L’ensemble des n espèces gazeuses du groupe peut ainsi être déterminé en concentration au sein du flux de gaz.
Il est également possible de mélanger les approches d’amélioration de la sensibilité par ajout de filtre interférentiel et par ajout de membrane filtrante. Un détecteur peut être formé par le raccordement de cellules comportant un filtre interférentiel et de cellules comportant une membrane filtrante, ou encore de cellules comportant à la fois un filtre interférentiel et une membrane filtrante.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Cellule opto-acoustique (30) pour la mesure de la concentration d’au moins une espèce gazeuse comprenant un boîtier (1 ), un diapason à quartz de mesure (2) et un micro-résonateur (3), ledit diapason à quartz et ledit micro-résonateur étant disposés au voisinage l’un de l’autre selon une configuration « off-beam » à l’intérieur dudit boîtier, ledit boîtier comportant au moins une lentille (4) pour l’introduction et la focalisation d’un signal lumineux à l’intérieur du boîtier, au moins une longueur d’onde dudit signal lumineux correspondant à un pic d’absorption d’une espèce gazeuse à détecter,
caractérisée en ce que ledit boîtier comporte au moins deux ouvertures opposées, l’une d’entrée des gaz (5), l’autre de sortie des gaz (6), les deux ouvertures étant placées sur deux faces du boîtier situées en regard l’une de l’autre de sorte que les deux ouvertures sont situées en regard l’une de l’autre,
et en ce qu’il comporte également des éléments de connexion mécanique (71 , 72) aptes à permettre le raccordement étanche dudit boîtier, par au moins une desdites ouvertures, à un ou plusieurs autres boîtiers similaires, la cellule constituant ainsi un module raccordable à un ou plusieurs autres modules similaires afin de former avec celui-ci ou ceux-ci un conduit continu pour le flux de gaz.
2. Cellule opto-acoustique selon la revendication 1 , caractérisée en ce que l’ouverture de sortie de ladite cellule comporte au moins une membrane filtrante (8) bloquant la sortie d’au moins une espèce gazeuse.
3. Cellule opto-acoustique selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le signal lumineux provient d’une diode électroluminescente (9) disposée en contact avec la lentille d’introduction et de focalisation du signal lumineux.
4. Cellule opto-acoustique selon la revendication 3, caractérisée en ce que la lentille ou la diode électroluminescente comprenne un filtre interférentiel (10) de longueur d’onde.
5. Cellule opto-acoustique selon la revendication 4, caractérisée en ce que le filtre interférentiel de longueur d’onde consiste en un empilement de couches diélectriques (11 ).
6. Cellule opto-acoustique selon la revendication 5, caractérisée en ce que les différentes couches de l’empilement définissent ensemble un filtre Fabry-Perot interférentiel.
7. Cellule opto-acoustique selon la revendication 4, caractérisée en ce que le filtre interférentiel de longueur d’onde comprend un MEMS- interféromètre Fabry-Perot (23).
8. Cellule opto-acoustique selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le boîtier comporte sur une face sur laquelle est ménagée l’une des ouvertures des éléments de connexion mécanique mâles (71 ) et sur une face sur laquelle est ménagée l’autre des ouvertures des éléments de connexion mécanique femelles (72) complémentaires.
9. Cellule opto-acoustique selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le boîtier comporte des éléments de connexion électronique (171 , 172) aptes à permettre la transmission d’un signal de mesure, vers une ou plusieurs autres cellules opto-acoustiques similaires.
10. Cellule opto-acoustique selon la revendication 8, caractérisée en ce que le boîtier comporte sur la face comportant les éléments de connexion mécanique mâles (71 ) des éléments de connexion électronique mâles (171 ) et sur la face comportant les éléments de connexion mécanique femelles (72) des éléments de connexion électronique femelles (172) complémentaires.
11. Cellule opto-acoustique selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le boîtier comporte un socle (12) sur lequel sont fixés le micro résonateur et le diapason et un capot (13) qui est destiné à être rapporté sur ledit socle, les ouvertures d’entrée et sortie des gaz étant ménagées sur des faces en regard du capot.
12. Détecteur (100) pour la mesure de concentration d’espèces gazeuses comportant une pluralité de cellules opto-acoustiques (1 a, 1 b, ...1x, 1y) selon l’une des revendications précédentes, lesdites cellules étant raccordées de façon étanche par leurs ouvertures (5a, 5b, ...5x, 5y, 6a, 6b, ...6x, 6y) et formant entre elles un conduit continu pour un flux de gaz, ledit détecteur comportant en outre au moins une source de signal lumineux.
13. Détecteur selon la revendication 12, caractérisé en ce qu’il comporte une pluralité de diodes électroluminescentes (9a, 9b, ...9x, 9y), les différentes diodes illuminant le gaz des différentes cellules à des longueurs d’onde prédéterminées.
14. Détecteur selon la revendication 12, caractérisé en ce qu’il comporte une pluralité de diodes électroluminescentes (109), les différentes diodes illuminant le gaz des différentes cellules à des longueurs d’onde différentes.
15. Détecteur selon l’une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu’il comporte une pluralité de filtres de longueur d’onde adaptés pour l’illumination du gaz à des longueurs d’onde prédéterminées, et en ce qu’il comporte un microprocesseur (120) apte à analyser les signaux de sortie des diapasons des différentes cellules pour en déduire la concentration de différentes espèces gazeuses présentes dans le flux de gaz.
16. Détecteur selon l’une des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que l’ouverture de sortie des différentes cellules comportent des membranes filtrantes, les différentes membranes bloquant différentes espèces gazeuses et en ce qu’il comporte un microprocesseur (120) apte à analyser les signaux de sortie des diapasons des différentes cellules pour en déduire la concentration des différentes espèces gazeuses.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114018829A (zh) * 2021-10-27 2022-02-08 国网四川省电力公司电力科学研究院 一种音叉共振增强的双光梳多组分气体检测系统
US20220299435A1 (en) * 2021-03-17 2022-09-22 Stichting Imec Nederland Device and a method for light-based analysis of a substance in a liquid sample
CN121612827A (zh) * 2026-02-02 2026-03-06 碳控科技(杭州)有限公司 一种多腔薄膜co2检测系统

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DONG LEI ET AL: "Compact portable QEPAS multi-gas sensor", QUANTUM SENSING AND NANOPHOTONIC DEVICES VIII, SPIE, 1000 20TH ST. BELLINGHAM WA 98225-6705 USA, vol. 7945, no. 1, 22 January 2011 (2011-01-22), pages 1 - 8, XP060010418, DOI: 10.1117/12.875108 *
KOSTEREV A A ET AL: "QEPAS for chemical analysis of multi-component gas mixtures", APPLIED PHYSICS B ; LASERS AND OPTICS, SPRINGER, BERLIN, DE, vol. 101, no. 3, 15 September 2010 (2010-09-15), pages 649 - 659, XP019861234, ISSN: 1432-0649, DOI: 10.1007/S00340-010-4183-7 *
WANG ZHEN ET AL: "A portable low-power QEPAS-based CO2 isotope sensor using a fiber-coupled interband cascade laser", SENSORS AND ACTUATORS B: CHEMICAL, ELSEVIER BV, NL, vol. 246, 24 February 2017 (2017-02-24), pages 710 - 715, XP029965024, ISSN: 0925-4005, DOI: 10.1016/J.SNB.2017.02.133 *
WU HONGPENG ET AL: "Simultaneous dual-gas QEPAS detection based on a fundamental and overtone combined vibration of quartz tuning fork", APPLIED PHYSICS LETTERS, A I P PUBLISHING LLC, US, vol. 110, no. 12, 21 March 2017 (2017-03-21), XP012217321, ISSN: 0003-6951, [retrieved on 20170321], DOI: 10.1063/1.4979085 *
ZHANG QINDUAN ET AL: "QEPAS Sensor for Simultaneous Measurements of H2O, CH4, and C2H2 Using Different QTFs", IEEE PHOTONICS JOURNAL, IEEE, USA, vol. 10, no. 6, 22 November 2018 (2018-11-22), pages 1 - 8, XP011697671, DOI: 10.1109/JPHOT.2018.2880187 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220299435A1 (en) * 2021-03-17 2022-09-22 Stichting Imec Nederland Device and a method for light-based analysis of a substance in a liquid sample
US12181407B2 (en) * 2021-03-17 2024-12-31 Stichting Imec Nederland Device and a method for light-based analysis of a substance in a liquid sample
CN114018829A (zh) * 2021-10-27 2022-02-08 国网四川省电力公司电力科学研究院 一种音叉共振增强的双光梳多组分气体检测系统
CN114018829B (zh) * 2021-10-27 2024-05-10 国网四川省电力公司电力科学研究院 一种音叉共振增强的双光梳多组分气体检测系统
CN121612827A (zh) * 2026-02-02 2026-03-06 碳控科技(杭州)有限公司 一种多腔薄膜co2检测系统

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