Les capteurs infrarouges constituent une technologie qui va bien au-delà du simple éclairage et offre sécurité et confort. Comment ces capteurs, qui utilisent des matériaux supraconducteurs, transforment-ils nos vies ? Dans cet article, nous explorerons les principes de fonctionnement des capteurs infrarouges et leurs diverses applications.
Après avoir terminé mes cours comme d'habitude, j'ai dîné puis suis rentré dans mon appartement vide. Malgré l'obscurité et l'exiguïté de la pièce, un ami fidèle m'y attendait, arborant toujours un sourire radieux pour m'aider à ne pas trébucher dans le noir. Cet ami, c'est une lampe à capteur infrarouge, un produit du génie des matériaux qui contribue à éclairer nos vies.
Ces capteurs infrarouges, que l'on trouve couramment dans les salles de bains, les couloirs et les entrées de maison, fonctionnent en détectant le rayonnement infrarouge émis par notre corps. La lumière infrarouge a une longueur d'onde plus longue que la lumière visible, et notre corps émet un rayonnement infrarouge d'une longueur d'onde d'environ 9.4 micromètres. Cependant, contrairement à la lumière visible, ce rayonnement est invisible à l'œil nu, et nous n'en avons donc généralement pas conscience. Ce capteur détecte le rayonnement infrarouge d'un objet lorsqu'il entre dans son champ de détection à une vitesse comprise entre 30 cm/s et 2 m/s, à condition que la température de l'objet diffère d'au moins 3 degrés de la température ambiante. Si aucun mouvement n'est détecté après un certain temps, le capteur s'arrête, ce qui permet d'économiser de l'énergie. C'est pourquoi, en été, lorsque l'écart entre notre température corporelle et la température ambiante est faible, le capteur peut avoir des difficultés à détecter les mouvements.
L'arrivée des capteurs infrarouges a permis des progrès considérables, non seulement en termes de confort, mais aussi de sécurité et d'efficacité. Par exemple, les systèmes d'éclairage automatique dans les entrées ou les salles de bains réduisent le gaspillage d'énergie et contribuent aux économies d'énergie en n'éclairant que lorsque c'est nécessaire. De plus, cette technologie joue un rôle crucial dans les systèmes de sécurité. En cas d'intrusion, des lumières d'avertissement s'allument automatiquement ou une alarme retentit, renforçant considérablement la sécurité des habitations. Ainsi, les capteurs infrarouges améliorent notre quotidien de multiples façons.
De quels matériaux sont faits ces capteurs qui leur permettent de détecter le rayonnement infrarouge émis par notre corps ? C’est grâce aux « matériaux pyroélectriques » – un produit du génie des matériaux évoqué précédemment – que de tels capteurs sont devenus possibles. Les différentes molécules qui composent un matériau possèdent des propriétés variées selon leur structure moléculaire ou les atomes qui les constituent. Parmi celles-ci, certaines molécules cristallines présentent des modifications de leur surface lorsque le cristal est soumis à des variations de température, dues à des altérations du mouvement atomique causées par la chaleur ou à des changements de forme résultant de la dilatation thermique. Il en résulte une variation du potentiel électrique. En d’autres termes, il s’agit de la propriété qui permet de générer de l’électricité grâce aux variations de température ; c’est ce qu’on appelle la piézoélectricité, et les matériaux possédant cette propriété sont appelés « matériaux piézoélectriques ».
Pour fonctionner efficacement comme matériau piézoélectrique, les molécules doivent présenter un degré élevé de polarisation (présence d'une polarité au sein de la molécule) à l'état naturel. Ces matériaux sont appelés ferroélectriques et sont largement utilisés dans la fabrication de capteurs piézoélectriques. Les céramiques en sont un exemple représentatif. La plupart de ces matériaux piézoélectriques céramiques sont à base de PZT (une molécule céramique à forte piézoélectricité), et l'ajout de divers composants permet d'améliorer leur durabilité ou de créer des matériaux aux propriétés spécifiques.
Les capteurs piézoélectriques utilisent ces matériaux. Un capteur piézoélectrique mesure l'intensité de la lumière incidente grâce à l'effet piézoélectrique : la polarisation du champ électrique se modifie lorsque la lumière frappe un matériau, provoquant une élévation de la température de l'objet sous l'effet de l'énergie lumineuse. C'est sur ce principe que reposent les capteurs piézoélectriques, utilisés comme capteurs de température et capteurs infrarouges. Les capteurs de température peuvent mesurer la température soit par contact direct, soit en mesurant le rayonnement infrarouge émis par un objet. Les capteurs infrarouges, quant à eux, mesurent la lumière émise par l'objet lui-même. Ceci permet l'observation même de nuit. De plus, la lumière infrarouge pouvant traverser la plupart des fumées et des brumes, il est possible de capturer une image même lorsque l'objet est masqué. Toutes ces applications sont rendues possibles par les matériaux pyroélectriques.
Grâce à ces principes, des capteurs peuvent désormais nous accueillir à notre porte. Ils sont également utilisés dans les systèmes de portes automatiques, les détecteurs de mouvement, les alarmes anti-intrusion, les détecteurs d'incendie et la photographie infrarouge. Par exemple, dans le cas des détecteurs de gaz, un capteur pyroélectrique qui détecte les longueurs d'onde autour de 4.3 μm — émises par le CO₂ — est utilisé pour déterminer la concentration de CO₂ dans l'air. Autre exemple : le vidicon. Ce que l'on appelle communément une caméra infrarouge utilise des matériaux pyroélectriques pour capturer une image d'un objet, puis acquérir une image thermique. Il focalise ensuite la lumière émise par l'objet pour former une image, à l'instar d'un appareil photo classique, nous permettant ainsi de la voir à l'œil nu.
Par ailleurs, les matériaux pyroélectriques et la technologie des capteurs sont également utilisés dans le domaine médical. Par exemple, les thermomètres sans contact utilisent des capteurs pyroélectriques pour mesurer avec précision la température corporelle à distance ; ces thermomètres se sont révélés essentiels pour le dépistage de la température sans contact, notamment pendant la pandémie. De plus, des capteurs infrarouges sont utilisés dans les matelas intelligents qui réduisent l’inconfort causé par les variations de température nocturnes, contribuant ainsi à une meilleure qualité de sommeil.
Grâce à l'invention de ces matériaux pyroélectriques, les scientifiques ont pu développer des capteurs pyroélectriques qui nous apportent d'innombrables avantages dans divers aspects de notre vie, souvent sans même que nous nous en rendions compte. Alors que je termine d'écrire ces lignes et que je pénètre dans ma maison vide, le capteur pyroélectrique – qui m'est désormais devenu familier – m'accueillera en illuminant vivement le sol sous mes pieds.
