Principes généraux d’interactions gaz-matériau
Technologie des capteurs de gaz à semi-conducteurs

Depuis l’avènement de la microélectronique et l’émergence des microsystèmes à la fin des années 1990, beaucoup de travaux de recherche ont porté sur le développement de nouveaux capteurs faible coût, faible encombrement, faible puissance consommée, faible temps de réponse. Au début des années 2000, l’intérêt des capteurs de gaz pour la mesure de traces de polluants, de gaz toxiques ou pour la mesure de la qualité de l’air intérieur ou extérieur a généré bon nombre de recherche et de développements aussi bien en technologie qu’en science des matériaux pour répondre à cette très forte demande. Déjà en 2015, plus de 75 % des détecteurs de gaz étaient portables.

Il est important de rappeler que l’Organisation mondiale de la santé (OMS) a alerté en 2019 que la pollution de l’air a tué plus de 7 millions de personnes dans le monde. En France, cela représente plus de 40 000 morts par an qui seraient associés à la pollution de l’air (soit 13 fois plus que le nombre de morts sur la route).

S’agissant d’un sujet de santé publique majeure, un certain nombre de règlementations et de normes ont vu le jour pour évaluer, aussi bien l’exposition de la population à la pollution (intérieure comme extérieure), que les actions entreprises par les différentes Autorités pour limiter cette pollution. D’autre part, il devient capital d’effectuer suffisamment de mesures pour être le mieux informé possible sur la qualité de l’air ambiant.

En France, en 2013, un plan d’action sur la qualité de l’air intérieur a été lancé par les ministères de l’Environnement et de la Santé. Ce plan prévoyait des actions à court, moyen et long terme afin d’améliorer la qualité de l’air dans les espaces clos, dont :

• la création d’une application grand public permettant d’améliorer la qualité de l’air dans son logement ;

• la mise en œuvre de la surveillance de la qualité de l’air dans certains établissements recevant du public, dont les écoles et crèches ;

• la mise en œuvre d’une surveillance dans des lieux présentant des pollutions spécifiques, telles que les enceintes ferroviaires souterraines ;

• la réduction de l’exposition aux principales sources de pollution de l’air intérieur (produits désodorisants : encens, bougies, diffuseurs, produits d’entretien et meubles…), en travaillant en particulier sur l’information et l’étiquetage de ces produits ;

• l’interdiction progressive de l’utilisation du perchloréthylène dans les pressings ;

• la publication de valeurs guides pour l’air intérieur ;

• le soutien au développement du métier de conseiller en environnement intérieur.

Les critères nationaux de qualité de l’air ont donc été définis dans le Code de l’environnement avec des articles de loi (L221-8 er R221-30) rendant obligatoire la surveillance de la qualité de l’air intérieur dans certains établissements recevant un public sensible comme les enfants (centres de loisirs, crèches, haltes-garderies, écoles maternelles, élémentaires, collèges, lycées…). C’est dans ce sens que le décret n° 2015-1000 du 17 août 2015 a fixé les échéances suivantes :

• 1^er janvier 2018 pour les écoles maternelles, élémentaires et crèches ;

• 1^er janvier 2020 pour les accueils de loisirs et les établissements d’enseignement du second degré ;

• 1^er janvier 2023 pour les autres établissements.

Tout ceci est stipulé et entre en conformité avec l’arrêté du 19 avril 2017 relatif au dispositif national de surveillance de la qualité de l’air ambiant.

Par ailleurs, le secteur de l’automobile a été particulièrement moteur entre les années 2000 et 2010 dans ces besoins de mesurer la qualité de l’air entrant dans l’habitacle des véhicules pour préserver la santé des conducteurs et des occupants. À ce titre, parmi les différentes technologies existantes, celle des capteurs à semi-conducteurs et plus précisément à base d’oxydes métalliques semi-conducteurs, a fait l’objet d’un très grand intérêt et donc a connu un essor fulgurant.

Nous abordons dans cet article les différents points fondamentaux de ces capteurs/nez électroniques avec leur principe de détection, les différents principaux matériaux utilisés, les techniques de fabrication et de caractérisation.