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Thèse de doctorat

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Titre

Nez électronique communicant pour le contrôle de la qualité de l'air intérieur

Auteur

Sendi, Aymen

Directeur de thèse

Ménini, Philippe

Fau, Pierre

Date de soutenance

2020-12-11

Établissement de soutenance

Université de Toulouse

Université Toulouse III - Paul Sabatier

École doctorale

Génie électrique, électronique, télécommunications et santé (GEETS)

Structure de recherche

Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (LAAS) - CNRS

Discipline

MicroNano Systèmes

Sujet

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés en français

Nez électronique

Qualité de l'air intérieur

Multi-capteur de gaz

Oxyde métallique à semiconducteurs

Sensibilité

Sélectivité

Résumé en français

La mesure de la qualité de l'air intérieur est un besoin relativement récent. Les êtres humains passent plus de 90 % de leurs temps dans un environnement fermé (pièce intérieure) qui contient plusieurs polluants gazeux. L'existence de tels contaminants gazeux dans l'air intérieur d'une pièce fermée ainsi que l'exposition à court ou à long terme à ces polluants peuvent provoquer des problèmes respiratoires et plusieurs maladies chroniques. Des études montrent que la qualité de l'air intérieur a un impact direct sur le bien-être et la productivité d'une part et sur la santé à plus long terme, d'autre part. Les COVs (composés organiques volatils) sont une classe importante de ces polluants, comme l'acétaldéhyde et le formaldéhyde provenant de matériaux utilisés dans l'aménagement intérieur (équipements informatiques, mobilier, peintures, tissu! s, sols...). Nous trouvons aussi des contaminants comme le CO2 provenant de l'utilisation intensive et d'une mauvaise aération des locaux, ainsi que le CO, et le NO2 issus de la pollution urbaine. Les bureaux, les salles de réunions, les salles de classes et les salles de travaux pratiques dans les milieux universitaires ou/et scolaires sont donc potentiellement pollués. Dans une pièce densément occupée et mal aérée la mesure du taux de COV/CO2 peut dépasser les seuils règlementaires. Ces polluants gazeux dans l'air à des concentrations importantes, faute d'une ventilation suffisante et d'un contrôle de la qualité de l'air, peut provoquer des somnolences et diminution de la productivité. La mesure et la surveillance de la qualité de l'air intérieur est donc indispensable pour assurer une meilleure qualité de vie dans les espaces de travail. Cette thèse est réalisée dans le cadre du GIS (groupement d'intérêt scientifique) neOCampus, porté par l'université Paul Sabatier et dédié au développement d'un campus innovant, connecté et durable pour une meilleure qualité de vie des usagers. Nous nous sommes intéressés au développement de micro-capteurs de gaz MOS (capteurs à oxydes métalliques) et à leur pilotage pour la surveillance de la qualité de l'air intérieur dans les bureaux, les salles de classes et les salles de réunions. L'objectif de cette étude est de suivre ces niveaux de pollution pour les corriger par des mesures d'aération des locaux. La prise de décision concernant l'action de correction de qualité de l'air est une étape essentielle du processus. Citons par exemple : la régulation de la ventilation dans une pièce en cas de dépassement du seuil autorisé pour les polluants identifiés. Dans le cadre de ces travaux, nous avons réalisé des prototypes de multi-capteurs de gaz miniaturisés et intégrés avec leur carte électronique dans une pièce témoin et capables de détecter des niveaux de pollution de l'air intérieur. Ces prototypes comportent une cellule multi-capteurs (avec 4 cellules indépendantes), une électronique de proximité permettant le pilotage et la récupération des données issues de ces cellules, un module de communication de type IOT (internet of things) basé sur le protocole (LoRA permettant d'envoyer sur le " Cloud NeoCampus ", à distance et sans fil, un signal d'état de la qualité de l'air intérieur. Ce multi-capteur repose sur des capteurs semi-conducteurs à base d'oxydes métalliques nanostructurés synthétisés au LCC (laboratoire de chimie de coordination). Nous avons travaillé sur de nouvelles approches pour la mise en œuvre de ces oxydes métalliques pour une meilleure performance des couches sensibles (stabilité, sensibilité, sélectivité). Citons par exemple l'association complémentaire de MOS de type-N et de type-P, et par une approche multicouche. En se basant sur la caractérisation de la réponse sous gaz en banc de test de ces matériaux, nous avons développé de nouveaux protocoles de mesures optimisés dans le but d'obtenir une bonne fiabilité de mesure de traces de polluants (sub ppm) présents dans l'air intérieur.

Résumé en anglais

Measuring indoor air quality is a relatively recent need. Humans spend more than 90% of their time in a closed environment that contains several gaseous pollutants. The existence of such gaseous contaminants in the indoor air as well as short or long term exposure to these pollutants can causes many respiratory problems and several chronic diseases. Studies show that the indoor air quality has an impact on well-being and productivity. VOCs (volatile organic compounds) such as acetaldehyde and formaldehyde are strongly presented in indoor air. This type of pollutants come from materials used in interior design (computer equipment, furniture, paints, fabrics, floors, etc.). We can also found in close envirements many others contaminants such as CO2, CO, and NO2 which come from urban pollution, intensive use of location and poor ventilation. Offices, meeting rooms, classrooms and practical work rooms in universities and / or schools are therefore potentially polluted. In a densely occupied and poorly ventilated room, the measurement of the VOC/CO2 rate may exceed the regulatory thresholds. These gaseous pollutants in the air in high concentrations, due to lack of sufficient ventilation and air quality control, can cause drowsiness and decreased productivity. Measuring and monitoring indoor air quality is therefore essential to ensure a better quality life in workspaces. This thesis is being carried out within the framework of the neOCampus GIS (scientific interest group), led by Paul Sabatier University and dedicated to the development of an innovative, connected and sustainable campus for a better quality life for users. We are interested by the development of micro-gas sensors MOS (metal oxide sensors) and the indoor air quality monitoring in offices, classrooms and meeting rooms. The objective of this study is to control these pollution levels in order to correct them through measures to ventilate the premises. Making a decision about how to correct air quality is an essential step in the process. For example: regulating ventilation in a room if the authorized threshold is exceeded for the identified pollutants. As part of this work, we produced prototypes of miniaturized multi-gas sensors integrated with their electronic card in a witness room and capable of detecting levels of indoor air pollution. These prototypes include a multi-sensor cell (with 4 independent cells), proximity electronics allowing the control and recovery of data from these cells, an IOT (internet of things) type communication module based on the LoRA protocol allowing send to the "Cloud NeoCampus", remotely and wirelessly, an indoor air quality status signal. This multi-sensor is based on semiconductor sensors based on nanostructured metal oxides synthesized at the LCC (coordination chemistry laboratory). We have worked on new approaches for the implementation of these metal oxides for better performance of sensitive layers (stability, sensitivity, selectivity). We can cite for example the complementary association of type-N and type-P, and by a multilayer approach. Based on the characterization of the response under gas on a test bench of these materials, we have developed new optimized measurement protocols with the aim of obtaining good reliability of measurement of traces of pollutants (sub-ppm) present in indoor air.

Numéro national de thèse

2020TOU30245

Date de publication

2021-04-15T13:54:40