Avancées en matière de capteurs environnementaux

À travers le globe, les populations recherchent toujours plus d'informations sur les endroits où elles vivent, travaillent et prospèrent – non seulement pour protéger efficacement l'environnement mais aussi pour comprendre les risques et les impacts de cet environnement sur la santé, la sécurité et l'existence de l'être humain. En outre, la fonte des calottes glaciaires, l'érosion des rives, l'élévation des températures à l'échelle mondiale, etc., sont les conséquences observables du progrès de l'humanité sur l'harmonie délicate et complexe sous-jacente à l'environnement de notre planète. Aujourd'hui, s'intéresser comme jamais auparavant aux problèmes de l'environnement relève d'une priorité des scientifiques, des responsables politiques et même des citoyens ordinaires. Renforçant cette sensibilisation accrue à notre écologie et à nos habitats, les nouvelles technologies de capteur et les réseaux de capteurs permettent de collecter et de diffuser facilement les informations relatives à l'environnement. Alors que de nombreux appareils de détection sont utilisés depuis des décennies dans des applications spécialisées, une diminution radicale des coûts rend les capteurs environnementaux de plus en plus accessibles à chacun, et ceux-ci sont même désormais utilisés dans des applications domestiques ordinaires. La figure ci-dessous présente les technologies de capteur générales disponibles sur le marché et en train d'être mises en œuvre dans des applications environnementales et dans une variété d'applications privées/commerciales. Des capteurs combinés sont de plus en plus intégrés à des appareils intelligents tels que des téléphones et des appareils portables pour offrir des informations uniques et des données de mesures privées qui changent non seulement la manière dont nous percevons notre environnement mais aussi la manière dont nous nous percevons nous-mêmes.

Figure 1 : Types et catégories de capteurs

Cet article se concentre sur les applications environnementales des technologies de capteur et les tendances clés sous-jacentes à ce marché dynamique et en hausse. 

Technologie et application des capteurs environnementaux

capteurs sont des appareils de mesure qui deviennent indispensables dans pratiquement tous les domaines de l'industrie et de la société moderne, et nous avons été témoin de leur utilisation répandue dans des applications environnementales allant de la détection du monoxyde de carbone dans les maisons aux évaluations complexes des conditions de la route. Les applications de capteur environnemental constituent cinq domaines distincts, tel qu'indiqué à la Figure 2.

Figure 2 : Domaines d'application des capteurs environnementaux

Dans tous ces domaines, la tâche fondamentale des capteurs consiste à mesurer les concentrations de métaux (plomb, fer, magnésium, etc.), les substances radioactive (radium, uranium, etc.), les gaz (CO2, NO2, ozone, CO, etc.), les composés organiques (benzène, méthane) et les agents biologiques pathogènes (algues, bactéries, etc.). En outre, la pression, l'humidité et la température sont souvent mesurées. Une grande variété de technologies de capteur basées sur des semiconducteurs est à présent disponible dans des formats de plus en plus petits, et la plupart de ces technologies opèrent de manière passive ou active. Un capteur passif n'a pas besoin d'une source d'énergie supplémentaire et génère directement un signal électrique en réponse à un stimulus externe. Les thermocouples, les photodiodes et les capteurs piézoélectriques sont tous des capteurs passifs typiques.  Les capteurs actifs nécessitent une alimentation externe pour fonctionner.  

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Dans presque tous les cas, les capteurs sont des composants faisant partie d'un système de contrôle ou de mesure plus vaste, et la sophistication et la sensibilité du système de capteur dépendent de plus en plus d'une interprétation basée sur des logiciels et de l'analyse des signaux du capteur. Quel que soit le type de capteur, l'industrie des capteurs est confrontée à une explosion des applications car, du fait de leurs coûts plus bas et de leur fonctionnalité supérieure, les capteurs s'imposent comme des objets précieux dans tous les domaines.

Tendances majeures dans les capteurs

Alors que la révolution numérique qui a marqué les trois dernières décennies se poursuit, les capteurs sont aujourd'hui à l'avant-garde dans la transition vers une nouvelle ère d'applications. Le paradigme de l'Internet des objets (IdO) fait particulièrement appel à l'analyse et aux entrées sensorielles pour apporter aux parties prenantes de nouvelles sources de valeur. Une innovation continue sur une variété de fronts suscite quelques tendances majeures dans la technologie des capteurs :

Performances des capteurs : Les performances d'un capteur sont liées à la sensibilité, à la précision et à la fiabilité de ses signaux de sortie. L'innovation spécifique aux nouveaux matériaux, les techniques de capteur, la fabrication et les techniques d'emballage ont chacune contribué non seulement à une baisse significative des coûts mais aussi à l'amélioration de la sensibilité. Par exemple, dans les deux dernières décennies simplement, les sensibilités des capteurs de gaz se sont améliorées de 50 ppm à environ 10 ppm. Dans le même temps, le coût unitaire des capteurs de gaz a diminué de presque trois ordres de grandeur (Figure 3). La tendance en hausse à inclure des systèmes microélectromécaniques (MEMS) et plus récemment des systèmes nanoélectromécaniques (NEMS) dans les dispositifs de détection a largement amélioré la précision et la fiabilité des capteurs. De plus, l'utilisation grandissante d'éléments de mesure du silicone (également pour les paramètres caloriques et chimiques) s'est traduite par une capacité accrue des capteurs. Parallèlement, l'incertitude des mesures est également diminuée grâce à une technologie d'emballage optimisée, ce qui améliore la reproductibilité et la stabilité à long terme même dans les applications intenses. La tendance vers des performances supérieures introduira des dispositifs hyper sensibles qui trouveront leur application en particulier dans les systèmes de détection précoce générant d'énormes schémas d'évitement des coûts dans des environnements industriels, commerciaux et privés. 

Figure 3 : Tendances en termes de coûts et de performances dans les capteurs de gaz (Source : Prof. Jeff Funk, New Generation MEMS Gas Sensors)

Miniaturisation : Remarquablement, les performances accrues des capteurs ont été réalisées tout en réduisant simultanément les exigences du capteur en termes de taille et de consommation d’énergie. Par exemple, sur un laps de temps de quatre décennies, les capteurs de gaz sont passés d'une taille atteignant 17 mm à une taille inférieure à 2 mm (Figure 4). Ce changement de taille s'est en particulier accompagné de réductions de la consommation d'énergie supérieures à 2 ordres de grandeur.

Figure 4 : Miniaturisation des capteurs de gaz (Source : Professor Jeff Funk, New Generation MEMS Gas Sensors)

Les tailles réduites et les exigences d'alimentation plus faibles améliorent la portabilité et prolongent la durée de vie des capteurs. Affranchis de l'alimentation par secteur, les systèmes de capteur alimentés par batterie autorisent à présent de nouveaux paradigmes de surveillance. Les zones et les environnements industriels sensibles où l'alimentation est faible peuvent désormais être surveillés avec l'empreinte la plus faible. Grâce aux capteurs basés sur le silicone, la tendance à la miniaturisation qui a introduit des changements radicaux dans la puissance de calcul (loi de Moore) sera également un pilier pour les technologies de capteur. Le plus gros avantage de la miniaturisation réside de loin dans la possibilité d'intégrer des capteurs dans des technologies portables et de smartphone.

Figure 5 : Livraisons de capteurs environnementaux dans des combinés et tablettes (Source : IHS Emerging Sensors in Handsets and Tablets Report – 2014)

Intégration : Une autre tendance technologique en cours est l'utilisation de plusieurs capteurs dans un seul dispositif pour des applications en masse. L'intégration de nombreux capteurs dans une matrice de capteurs (par exemple, une plaque chauffante) en conjonction avec la reconnaissance des formes se traduit par de nouveaux appareils qui exécutent plusieurs types de détection. La détection de plusieurs gaz et des conditions environnementales physiques telles que la température, l'humidité et la pression sont à présent des fonctionnalités possibles, qui trouvent une utilisation dans les applications commerciales et privées. Le couplage de capteurs physiques, chimiques et biologiques sur un seul élément de capteur (par exemple, pour mesurer la pression, l'acidité, etc.) change la nature du travail en laboratoire. Un appareil de type « capteur environnemental sur une puce » n'est plus qu'un simple concept et a le potentiel d'accélérer radicalement la détection environnementale et de réduire considérablement le coût de l'analyse.

Figure 6 : Intégration de divers capteurs environnementaux

Standardisation et sécurité : Puisque les capteurs font toujours partie de systèmes de contrôle plus vastes, la facilité avec laquelle un capteur spécifique ou un module à plusieurs capteurs peut être intégré à un système plus vaste est cruciale. En outre, avec autant de capteurs envoyant chacun des données continuellement, la nécessité de disposer d'interfaces aidant à maîtriser les données est vitale. La standardisation des protocoles de connectivité et de communication est clairement nécessaire, car l'échange de données entre les domaines apporte des informations précieuses. De plus, les conceptions de système sur puce intégrant des modules de détection à des modules d'alimentation, de traitement et RF standard prennent de plus en plus d'importance. Ce modèle de conception et de standardisation des communications réduit les coûts, la taille des appareils et la consommation énergétique tout en augmentant les fonctionnalités et le champ d'application des appareils. 

Figure 7 : Nœuds de détection environnementale intégrés

Un avantage significatif de la standardisation réside également dans la sécurité. Avec un vaste éventail de menaces à la sécurité affectant tous les réseaux et appareils numériques, il est crucial que les capteurs et les réseaux de capteurs ne soient pas des sources de vulnérabilité. Le fait d'adhérer à des standards établis garantit que les sorties de capteur ne sont pas manipulées et que seuls les récepteurs autorisés peuvent recevoir ces sorties.

Automatisme et intelligence : Avec la prolifération de capteurs hautement performants autour de nous, il n'y a aucun doute que nous serons en mesure de mieux comprendre beaucoup d'aspects de notre environnement et des changements dont il fait l'objet. Les dispositifs capteurs s'améliorent rapidement pour pouvoir fonctionner dans des modes opérationnels automatiques et plus intelligents. La clé d'une telle efficacité opérationnelle réside dans le traitement approprié des données de capteur. Les véritables informations nécessitent souvent de regrouper des données issues de sources multiples. De plus, les données de tendance ont souvent plus de valeur que les mesures ponctuelles. Pour arriver à ce mode de fonctionnement, on étudie déjà l'augmentation de l'intégration fonctionnelle en fonction de composants hautement intégrés dans l'électronique des capteurs. La détection des formes, l'acquisition de données supplémentaires et l'analyse algorithmique avancée sont déterminants pour faire évoluer les données de capteur au niveau supérieur. À cette fin, les dispositifs capteurs sont de plus en plus équipés d'analyses intégrées et peuvent également se connecter à des plateformes cloud afin d'obtenir de nouvelles informations. Le dispositif capteur lui-même est de plus en plus intégré à des fonctionnalités telles que l'auto-surveillance, la détection et le diagnostic des interférences, l'autocalibrage (réglage automatique) et la reconfiguration. Utiliser ces fonctionnalités pour exécuter une maintenance préventive présente le potentiel de réduire radicalement les coûts opérationnels liés aux environnements industriels et commerciaux. Un autre domaine dans lequel les dispositifs capteurs progressent est la facilité d'utilisation et la facilité d'implémentation (pour les interfaces de communication intégrées, les fonctionnalités plug & play, la localisation automatique, etc.) pour s'adapter au contexte de l'environnement.

Parvenir à un mode opérationnel automatique mais hautement intégré nécessite une approche très globale de la conception des capteurs, qui implique l'utilisation d'outils de conception 3D nouveaux, le calcul FEM (Finite Elements Method), l'intégration de Matlab/Simulink et l'utilisation de données d'équipement complètes et exactes. De plus, fusionner des données obtenues de différents capteurs physiques pour fournir des informations plus complètes à partir d'un seul capteur « logique » ou « virtuel » est un domaine clé auquel s'intéressent les fabricants de capteurs.

Toutes les tendances ci-dessus introduiront des changements sans précédent dans notre monde. Ensemble, les avancées dans le cloud computing, la technologie de capteur, les appareils portables et les smartphones se traduiront probablement par une sensibilisation accrue de l'environnement dans lequel nous vivons, travaillons et nous distrayons. Il est difficile de concevoir un monde dans lequel des réseaux de capteurs fournissent directement sur nos smartphones des informations sur les niveaux de pollution de l'air, les conditions routières, les niveaux de bruit, les conditions météorologiques, les niveaux de rayonnement et la qualité de l'eau de notre environnement. Bien que toutes ces applications soient des applications urbaines, un ensemble de flux de données tout aussi vaste sera disponible dans les régions sauvages et dans les domaines écologiquement sensibles tels que la détection des feux de forêt, la détection des niveaux d'ozone, la détection des taux de fonte des glaces, la salinité, etc. Toutes ces informations nous permettront non seulement de contrôler les environnements mais aussi de les comprendre sous de nouvelles facettes.