Optimization of a cascade impactor equipped with self-cleaning SAW sensors for particle measurement : development and design, experimental validation and efforts towards the use of POI substrates

Depuis la révolution industrielle, la pollution atmosphérique s’est imposée comme une préoccupation mondiale majeure, posant de graves menaces pour la santé et l’environnement. Parmi les polluants les plus nocifs, les particules fines (PM) sont identifiées, principalement les PM10 et les PM2,5 ayant des diamètres aérodynamiques inférieurs à 10 et 2,5 µm, respectivement. En raison de leur taille fine, ces particules peuvent pénétrer dans le système respiratoire provoquant des maladies sévères, entraînant chaque année près de sept millions de décès prématurés selon l'OMS. Outre ses conséquences sanitaires, la pollution de l’air représente également un fardeau économique important, estimé à plusieurs centaines de milliards d’euros par an. Pour la réduire, de nombreux efforts à l’échelle mondiale ont été déployés au cours des dernières décennies. En Europe, notamment, une réduction de 45 % des décès liés à la pollution a été observée entre 2005 et 2022.Malgré ces progrès, une surveillance continue de la qualité de l'air reste nécessaire. De nombreux appareils sont disponibles sur le marché, mais ils restent coûteux et gourmands en énergie. Face à ces défis, l'équipe a lancé, dans le cadre d'une précédente thèse menée sous le projet P'AIR, le développement d'un appareil innovant. Celui-ci consistait en un impacteur en cascade à trois étages, équipé de deux capteurs à ondes élastiques de surface (SAW) servant de plaques de collection, permettant la séparation et la mesure en temps réel des PM10 et PM2,5. Un brevet a été déposé en 2017. S’appuyant sur ces bases, le présent travail vise à améliorer les performances et l’ergonomie du dispositif ainsi qu’à prolonger sa durée de vie grâce à un mécanisme d’autorégénération.Chaque chapitre de ce manuscrit traite un axe particulier d'optimisation. Une vue d’ensemble des principes fondamentaux du comportement des aérosols, de la théorie des impacteurs, de la piézoélectricité ainsi que de la propagation des SAW a été présentée. Un accent particulier a été mis sur l'analyse de matériaux innovants connus sous le nom de « Piezoelectric-On-Insulator » (POI) en tant que substituts des substrats piézoélectriques classiques. Sur la base des résultats théoriques obtenus via des simulations, les POI ont démontré un potentiel prometteur pour le développement de capteurs plus sensibles et plus robustes. Les travaux se sont ensuite orientés vers la reconception du design de l'impacteur avec un système de montage à aimants. Un étage pour la mesure des PM1 a également été ajoutée. Le problème du rebond des particules, récurrent dans les impacteurs, a été un autre défi à surmonter. Une couche de téflon a ainsi été déposée sur les capteurs SAW. Les expériences ont confirmé son efficacité. Compte tenu de ces changements, l'impacteur avec les capteurs téflonnés a été fabriqué. Le dispositif a été testé sous différentes concentrations de particules. Les mesures se sont révélées hautement reproductibles soulignant la fiabilité du dispositif et permettant d’estimer la sensibilité des capteurs. De plus, afin de prolonger sa durée de vie opérationnelle et réduire la maintenance de l'appareil liée à la saturation de surface par les particules, un système autonettoyant a été conçu. Il consiste à utiliser la technologie des SAW pour déplacer des gouttelettes transportant les particules hors de la zone sensible.Dans l'ensemble, cette recherche aboutit à l'optimisation et au développement d'un dispositif de mesure des particules fines, à la fois ergonomique et robuste tout en conservant un bon rendement énergétique et économique. L'utilisation de SAW se fait pour la mesure des particules et la régénération de la surface. Les recherches menées dans cette thèse ont donné lieu à des résultats significatifs, aboutissant à deux brevets en 2025. Cependant, des travaux supplémentaires sont encore nécessaires pour améliorer davantage le système et valider sa robustesse et fiabilité dans diverses conditions réelles.