Nous avons choisi dans la partie précédente de présenter trois grands principes de détection pouvant être appliqués à la mesure en temps-réel de la sédimentation des particules. Ces principes ont été étudiés et mis en perspective avec la veille technologique réalisée dans le chapitre deux. Les différents avantages et inconvénients de ces différents principes ont été présentés, notamment en faisant le lien avec les contraintes de détection évoquées dans la première partie de ce chapitre.
Le développement de MEMS a été tout d’abord envisagé pour répondre au besoin de développer des « micro-capteurs ». En effet, il est possible de miniaturiser ces capteurs, d’autant plus qu’ils consomment très peu d’énergie et feraient donc preuve d’une grande autonomie en énergie. Cependant, il a été évoqué dans leurs études trois inconvénients majeurs : l’impossibilité de remonter au nombre de particules et de mesurer leur taille, le manque de représentativité de la surface exposée par rapport aux surfaces critiques à mesurer, et la saturation de cette surface miniaturisée avec, en conséquence, l’impossibilité de mesurer des concentrations élevées de particules dans les aérosols et l’impossibilité de détecter des particules de taille supérieure à 2,5 µm. Le problème de la saturation de la surface de collecte et de mesure des particules est inévitable si le capteur est directement exposé à l’aérosol. Les récents développements dans cette voie montrent que le capteur MEMS est toujours couplé à un système d’aspiration et de tri inertiel des particules. Cependant, cette stratégie ne permet pas d’obtenir des données concernant la sédimentation « réelle » des particules.
L’utilisation d’un capteur photographique a ensuite été considérée. Il existe actuellement des capteurs de très faibles dimensions présentant des caractéristiques techniques qui permettraient de détecter des particules de diamètre inférieur à 5 µm. Ces capteurs, outre le fait qu’ils soient onéreux, devraient être utilisés « nus » (sans vitre de protection) pour atteindre les performances souhaitées dans notre application. Les deux problèmes majeurs de cette solution sont la saturation et le nettoyage de la surface d’une part, et le besoin d’ajouter une source de lumière propre au capteur. En effet, les contraintes des salles propres imposent de devoir considérer un éclairage parasite, pas nécessairement constant dans l’espace et dans le temps.
La détection optique s’est donc imposée car elle permet de remonter à toutes les informations nécessaires pour classifier les salles propres suivant la norme ISO 14644-9. Cependant, une solution de rupture doit être développée afin d’atteindre la résolution fixée par notre application : la détection de particules de 1 µm. En effet, les limites de détection actuellement atteintes sont de l’ordre de 5 à 10 µm. Afin de permettre cette rupture technologique, nous avons imaginé le développement d’une solution utilisant une source laser focalisée. La qualité de focalisation détermine directement la
mode de lecture grâce à un faisceau laser focalisé en un spot de diamètre inférieur à 2 µm laisse envisager la possibilité technique de développer une telle source de lumière.
Etude du principe de détection optique
III.4.
Pour aborder le problème de la détection optique, il est nécessaire d’étudier et de comprendre les différentes interactions entre les particules et une source de lumière. Par ailleurs, les données recherchées (nombre et taille des particules) imposent des facteurs limitants. L’étude réalisée ci- dessous s’appuie sur le cahier des charges construit dans la première partie de ce chapitre.
III.4.1. Les différentes interactions particules-lumière
Cette partie introduit différentes notions sur les propriétés des ondes électromagnétiques, en particulier sur les modèles d’interactions de la lumière avec des petites particules. Ces bases théoriques sont indispensables pour aborder les techniques de granulométrie optique qui seront le fondement du développement de notre capteur pour la détection en temps-réel des particules. Dans le domaine de la granulométrie optique, l’ouvrage d’Alain Boutier est une référence (59) tandis que la théorie pure de l’interaction entre la lumière et les petites particules est très bien abordée dans l’ouvrage de Bohren et Huffman (60).
Les particules considérées dans notre étude sont des particules solides, de divers matériaux, pouvant être contenues dans un aérosol à température et pression ambiantes. Leur granulométrie s’étend de 1 à 20 µm. Les sources de lumières considérées sont des sources monochromatiques dont la longueur d’onde peut varier du proche infra-rouge aux proches ultra-violet. La théorie présentée ci-dessous se base sur ces données.
L’onde lumineuse, en traversant une particule, va subir un changement d’indice du milieu (passage de l’air d’indice 1 au matériau de la particule d’indice n). L’indice optique d’un milieu est une caractéristique physique qui est fonction de la longueur d’onde ; la variation est de quelques centièmes dans le spectre visible. L’indice optique des solides et des liquides varie avec la température. La vitesse de propagation d’une onde lumineuse dans un matériau dépend de l’indice optique du milieu.
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ࣅ > ù ࣅ=ࢉ. ࢀ ࢋ࢚ ࣅ = ࢜. ࢀ Équation 52
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même radiation dans un milieu homogène8 et isotrope. Lorsque la longueur d’onde augmente, l’indice du milieu diminue. Cette propriété explique le phénomène de dispersion optique lorsqu’un
matériau est éclairé par une lumière polychromatique : les fréquences composant la lumière sont séparées et forment un spectre multicolore.
Etant données ces propriétés, nous pouvons à présent aborder le problème de l’impact de la lumière sur la matière. Quand les propriétés optiques du milieu changent (c’est le cas lorsqu’un faisceau lumineux pénètre une particule), la propagation de la lumière ne se fait plus de manière rectiligne. En effet, le faisceau lumineux incident va subir trois phénomènes à l’interface entre deux milieux d’indices optiques différents :
- La réflexion : l’onde lumineuse est renvoyée vers le milieu d’où elle vient,
- La réfraction : l’onde lumineuse change brusquement de direction dans le second milieu,
- La diffusion : une fraction de la quantité de lumière est renvoyée dans toutes les directions.
Ces phénomènes ont été présentés au cours du chapitre I (Figure 25). En général, les trois phénomènes sont simultanés. Un quatrième phénomène peut avoir lieu lorsque l’onde lumineuse rencontre un objet ou une ouverture dont la taille est proche de sa longueur d’onde : la diffraction optique, dont la Figure 55 illustre le principe. Dans le cadre de nos mesures, l’objet le plus petit avec lequel peut interférer l’onde lumineuse est une particule de 1 µm de diamètre. Les longueurs d’onde des sources lumineuses seront inférieures à 1 µm mais il est néanmoins possible de s’approcher de phénomènes de diffraction. De plus, des particules de tailles inférieures peuvent se déposer et provoquer la création d’ondes lumineuses diffractées.
La diffusion de la lumière est le phénomène principal sur lequel sont basés les compteurs optiques de particules (dans le cadre de la mesure de la concentration particulaire volumique d’un aérosol) et certaines instrumentations pour la mesure de la concentration particulaire surfacique (cf. II.4.4). Deux théories décrivent le phénomène de diffusion de la lumière. La première est la théorie de Mie, ou de Lorentz-Mie, qui aborde le problème de la diffusion de la lumière par une sphère homogène et isotrope placée dans un milieu non absorbant. Cette théorie a été développée à la fin du 19èmesiècle par Ludvig Lorentz puis étayée par Gustav Mie au début du 20èmesiècle. Elle concerne la diffusion de la lumière pour des particules dont la dimension est inférieure à la longueur d’onde du faisceau incident. La seconde théorie est la théorie de Rayleigh qui décrit la diffusion d’une onde lumineuse par des particules dont les dimensions sont du même ordre de grandeur ou supérieures à la longueur d’onde. Dans notre application, les plus petits éléments à détecter sont des particules de 1 µm, avec la possibilité que des particules de taille inférieure (de l’ordre de quelques centaines de nanomètres) se déposent sur le capteur. Nous nous plaçons donc dans le cadre de la théorie de Rayleigh, à la frontière avec la théorie de Mie.
Une autre caractéristique importante d’une source lumineuse est son intensité. Or, le flux lumineux porté par une onde lumineuse va être modifié par l’interaction avec le matériau de la
Figure 51 : Illustration du phénomène de diffraction par une fente dont la largeur est du même ordre de
elle se propage. La partie de l’intensité lumineuse qui va traverser le milieu sans être absorbée est dite transmise. La lumière transmise peut être diffusée, réfléchie ou réfractée. La Figure 53 ci- dessous représente l’évolution de l’intensité de la lumière diffusée en fonction de l’angle formé par la direction de la lumière incidente et l’angle de détection du capteur (61). Ces courbes ont été tracées en fonction de la taille des particules considérées (entre 0,2 et 3,0 µm de diamètre). Ainsi, nous observons que la diffusion de la lumière dépend du diamètre de la particule mais également de l’angle entre la source lumineuse et le détecteur. Dans le cadre de notre application, l’aire de la surface qui collecte les particules doit être représentative des surfaces critiques à contrôler. Or, les spécifications du capteur fixées au début de ce chapitre imposent une surface de 1 à 2 cm². L’utilisation d’une source de lumière focalisée implique donc un système de scan pour mesurer l’intégralité de la surface. Ce système de scan sera étudié dans la partie suivante mais devra prendre en compte l’importance de l’angle formé par le faisceau lumineux incident et la surface de dépôt.