Des capteurs miniaturisés bon marché parviennent à «voir» des traces de gaz
Les capteurs de gaz infrarouges sont à la pointe de la technologie en ce qui concerne la détection de gaz nocifs ou explosifs. Les appareils actuellement disponibles s’avèrent toutefois compliqués, coûteux ou lourds. Par ailleurs, ils sont limités par leur faible sensibilité et nécessitent de grandes quantités d’échantillons de gaz. Dirigé par un consortium de centres de recherche et de partenaires industriels européens, le projet MIREGAS, financé par l’UE, a présenté des composants innovants pouvant être intégrés pour effectuer des analyses multigaz. Par rapport aux technologies des capteurs de gaz infrarouges classiques, ces nouveaux composants offrent une meilleure précision à un prix inférieur, les longueurs d’onde de la lumière pouvant être filtrées plus précisément et les composants de gaz parasites pouvant être exclus. La plage de longueurs d’onde infrarouge permet de détecter les «signatures moléculaires» de nombreux gaz à l’état de traces. Une multi-détection rapide et abordable Le consortium du projet a créé un appareil utilisant une source unique de lumière pour l’analyse multigaz, plutôt que de plusieurs lasers. La source de lumière emploie une technologie développée à l’origine pour des applications de communications optiques, ce qui réduit les coûts de mesure par rapport à la spectroscopie traditionnelle. Le dispositif MIREGAS peut effectuer plusieurs mesures à l’aide d’un filtre optique multicanaux réglable et commutable, puis distinguer les gaz individuels dans un mélange d’émissions. Parmi ces gaz figurent le méthane, l’éthane, le butane, le propane, le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau. Il est capable de détecter simultanément de nombreux gaz, ce qui s’avère utile dans les processus industriels et les applications de surveillance de l’environnement. Les réalisations du projet MIREGAS est en train de combler une lacune sur le marché, car on ne dispose pas de sources infrarouges offrant à la fois de hautes performances et un prix abordable. Le capteur de gaz minuscule et bon marché de MIREGAS utilise plusieurs composants révolutionnaires qui apportent des avantages importants en termes de coût, de production en masse et de fiabilité. Il s’agit notamment d’une nouvelle diode superluminescente (SLED), d’un filtre spectral à circuit intégré photonique (PIC) sur silicium, d’une optique infrarouge moulée et des technologies d’assemblage et de conditionnement en grands volumes. Les membres du projet ont procédé à la démonstration d’une SLED monomode à large bande émettant à 2,65 µm qui a atteint une puissance de sortie de près de 0,5 mW avec un spectre large de 300 nm. Pour former un faisceau collimaté à partir de la SLED, ils ont mis au point un nouveau type de verre à faible teneur en oxygène, à base d’oxyde de métaux lourds, qui transmet le rayonnement infrarouge moyen. Il est formé grâce à un procédé de moulage de verre appelé embossage à chaud. Des lentilles en verre moulé s’intégrant dans une architecture TO-can ont été produites expérimentalement. Le PIC à faibles pertes récemment développé possède deux caractéristiques uniques: outre les longueurs d’onde de communication optiques conventionnelles à 1 550 nm, il est applicable aux longueurs d’onde infrarouges moyennes; il permet également d’intégrer des dispositifs actifs tels que des diodes laser ou des photodétecteurs directement sur la puce PIC. L’emballage et l’assemblage du capteur minuscule ont nécessité un alignement submicronique de la SLED, qui est collée sur le PIC sur silicium par le biais de la technique de la puce retournée. Détecter un avenir prometteur Les technologies révolutionnaires de MIREGAS permettront aux partenaires du projet d’atteindre un niveau sans précédent en termes de sélectivité et de précision, en ce qui concerne les mesures multi-gaz réalisées à des prix compétitifs. «La possibilité d’adapter la sortie spectrale à n’importe quel ensemble choisi de raies d’absorption, avec n’importe quelle largeur de bande souhaitée en dessous de 3 500 nm, constitue le principal avantage de notre source de lumière par rapport à la bande unique et étroite d’un laser accordable. Disposer de sources lumineuses multi-longueurs d’onde rentables s’avère déterminant pour permettre une adoption à grande échelle des capteurs de gaz infrarouges», explique le Dr Pentti Karioja, coordinateur du projet. «Notre nouvelle source de lumière combinant la photonique sur silicium et la détection de gaz infrarouge sera non seulement avantageuse pour la détection de gaz, mais également pour tous les types de capteurs opérant dans l’infrarouge moyen, la technologie d’analyse de procédés, la sécurité environnementale et alimentaire, ainsi que les applications de sécurité», note le Dr Pentti. Cela devrait leur ouvrir de nouvelles opportunités commerciales et renforcer leur position sur le plan technologique en ce qui concerne l’obtention de mesures de gaz pour des applications exigeantes.
Mots‑clés
MIREGAS, capteur de gaz infrarouge, diode superluminescente (SLED), circuit intégré photonique (PIC), infrarouge moyen, multi-gaz, photonique sur silicium, verre moulé
