Differential Photoacoustic CO 2 Gas Detection with Two Commercial MEMS Microphones
Cet article présente un système de spectroscopie photoacoustique différentielle compact utilisant deux microphones MEMS commerciaux et une conception de cellule acoustique appariée pour obtenir un gain de signal accru, une linéarité améliorée et une limite de détection de 14,3 ppm pour le CO2 en supprimant efficacement le bruit de mode commun.
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La détection des gaz invisibles dans l'air est une tâche devenue essentielle pour tout, de la surveillance de notre changement climatique à la garantie de la sécurité dans les milieux de travail industriels. Les scientifiques s'appuient depuis longtemps sur des méthodes optiques pour identifier ces substances traces, utilisant la lumière pour trouver les « empreintes digitales » uniques laissées par des molécules spécifiques. Une approche particulièrement élégante, connue sous le nom de spectroscopie photoacoustique, transforme la lumière en son. Au lieu de mesurer la quantité de lumière qu'un gaz absorbe, cette technique mesure les minuscules ondes sonores que le gaz crée lorsqu'il absorbe cette lumière. Lorsqu'un faisceau de lumière est réglé sur une couleur spécifique que le gaz aime « boire », et que ce faisceau est allumé et éteint rapidement, le gaz chauffe et se refroidit en rythme. Ce chauffage rythmique provoque l'expansion et la contraction du gaz, générant une faible onde de pression — un son — qui peut être entendue par un microphone sensible. Le défi pour les chercheurs a toujours été de rendre ces dispositifs assez petits pour être portables tout en restant assez sensibles pour entendre le murmure d'une seule molécule de gaz au milieu du rugissement du bruit de fond.
Une équipe de chercheurs de l'Institut de technologie de Harbin et de l'Institut de technologie de l'instrumentation et de l'économie a développé une nouvelle façon de résoudre ce problème, créant un système compact qui écoute le dioxyde de carbone avec une clarté remarquable. Leur solution repose sur un agencement ingénieux de chambres acoustiques et de deux microphones standards travaillant ensemble comme une équipe. Imaginez un dispositif doté de deux tunnels parallèles, ou canaux acoustiques, reliés aux deux extrémités par des chambres plus grandes et calmes appelées volumes tampons. Lorsqu'un faisceau laser traverse l'un de ces tunnels, le gaz à l'intérieur chauffe et crée une onde sonore. Comme les deux tunnels sont parfaitement assortis et connectés, l'onde sonore dans le premier tunnel pousse l'air dans la direction opposée dans le second tunnel. Cela crée une situation où le son dans un canal est l'exact opposé du son dans l'autre. En plaçant un microphone dans chaque tunnel et en soustrayant un signal de l'autre, les chercheurs peuvent annuler tout le bruit aléatoire et commun qui affecte les deux microphones de la même manière, tandis que le son spécifique du gaz s'additionne et devient plus fort.
Les chercheurs ont construit cette « cellule photoacoustique différentielle » en utilisant une ingénierie précise pour garantir que les deux canaux se comportent comme des images miroirs l'un de l'autre. Ils ont choisi des dimensions qui feraient résonner, ou vibrer, le gaz à une fréquence d'environ 5260 hertz, une hauteur où le bruit de fond est naturellement bas et où leurs microphones choisis fonctionnent le mieux. Pour vérifier leur conception avant la construction, ils ont effectué des simulations informatiques cartographiant la façon dont les ondes de pression se déplaceraient à l'intérieur de la cellule. Ces simulations ont montré que la pression dans un canal serait effectivement l'exact opposé de la pression dans l'autre, confirmant que leur méthode de soustraction fonctionnerait. Lorsqu'ils ont construit le dispositif physique et l'ont testé, les résultats correspondaient étroitement à leurs prédictions, la cellule réelle résonnant à 5260 hertz, soit légèrement plus haut que leur estimation simulée de 5164 hertz. Le dispositif s'est avéré être un amplificateur robuste pour les sons minuscules générés par le gaz.
Pour voir si ce système fonctionnait bien, l'équipe l'a testé avec du dioxyde de carbone, un gaz critique à surveiller pour des raisons environnementales et de sécurité. Ils ont introduit de l'air contenant des quantités variables de dioxyde de carbone, allant de niveaux très bas à des concentrations élevées, et ont fait passer un faisceau laser à travers la cellule. À mesure que le gaz absorbait la lumière, les microphones captaient le son résultant. Les chercheurs ont constaté que le système répondait par une augmentation constante et prévisible du signal à mesure que la quantité de dioxyde de carbone augmentait. Sur une large gamme de concentrations, de 1 000 à 50 000 parties par million, la relation entre la quantité de gaz et le signal sonore était presque parfaite. Dans la plage inférieure, plus difficile, de 1 000 à 10 000 parties par million, le système était encore plus précis, montrant une réponse linéaire qui indiquait une grande fiabilité. La sensibilité du dispositif était telle que pour chaque partie par million de dioxyde de carbone ajoutée, le signal électrique des microphones augmentait d'un montant infime mais mesurable.
La véritable puissance de ce nouveau design est devenue évidente lorsque les chercheurs l'ont comparé à une version traditionnelle à canal unique du même dispositif. Dans une configuration standard, un seul microphone écoute un seul tunnel. Lorsqu'ils ont effectué les mêmes tests avec un canal unique, le signal était environ deux fois moins fort, et la relation entre la concentration de gaz et le signal était légèrement moins constante. En utilisant cette approche différentielle à deux canaux, les chercheurs ont effectivement doublé la force du signal qu'ils recherchaient tout en annulant simultanément le bruit de fond. Cela leur a permis de détecter des quantités de gaz beaucoup plus petites avec une plus grande confiance. Lorsqu'ils ont laissé le système fonctionner pendant un certain temps pour vérifier sa stabilité, ils ont constaté qu'après environ 100 secondes d'écoute, le dispositif pouvait détecter de manière fiable du dioxyde de carbone à des niveaux aussi bas que 14,3 parties par million. Ce niveau de sensibilité, obtenu avec des microphones disponibles dans le commerce et une conception compacte, suggère une voie prometteuse pour la création de capteurs de gaz petits, abordables et hautement précis pouvant être utilisés dans une grande variété de contextes, de la surveillance de la sécurité industrielle à l'analyse de l'haleine médicale.
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