Design of service-purpose-vehicles through the sense of smell

Abstract

(English) This thesis arose from the need to design new tools that enable a better control of indoor air quality in vehicles. Even though indoor air quality has been widely explored in buildings, this topic has often been overlooked by most automotive manufacturers. In recent years, especially after the COVID-19 pandemic, a better control of in-vehicle air quality has become a prominent need for most customers and operators of vehicle fleets. Traditionally, on-demand ventilation systems have used carbon dioxide (CO2) concentration to regulate indoor air quality. However, within the confined space of vehicles, the concentration of volatile organic compounds (VOCs) can also pose a real risk to the health and comfort of passengers. Therefore, in order to ensure optimal air quality conditions, it seems necessary to complement CO2 detectors with sensors that can effectively monitor VOCs. In the new era of e-mobility and connectivity, vehicles incorporate dozens of sensors in their architecture. Thus, reducing the fabrication and operational costs of new monitoring devices has become a critical requirement to justify their implementation. Recent advancements in micro-fabrication techniques and new materials have enabled the creation of VOCs sensors that are increasingly sensitive, compact, and cost-effective. However, the performance of some of these devices is still conditioned to high energy requirements during operation. In addition, the effectiveness of current gas sensors needs further improvement, so that they not only have high sensitivity, but also a certain degree of selectivity towards multiple VOCs in the environment.

This thesis focuses on the design, fabrication, and implementation of a new device for the monitoring of VOCs in vehicles. The results demonstrate the suitability of integrating a gas sensor and a microfluidic channel, which exploit the unique properties of polymers for the sensitive and selective detection of VOCs at ambient temperature. First, this work evaluates the response of a gas sensor coated with single and hybrid polymer films. The addition of carbon nanoparticles within the polymer not only contributes to an increase in the sensitivity and response times of the sensor, but also helps to improve the selectivity of the polymer films. Secondly, this work evaluates the responses of a microfluidic channel for the discretization of VOCs in a mixture. The empirical results obtained in this thesis indicate that polymer thickness is critical in both the sensitivity and selectivity of the different fabricated devices. In general, thicker polymer films help to increase or optimize the performance of both, the gas sensor and the microfluidic channel. Moreover, the chemical compatibility between VOCs and the polymer also proves to be very important in the performance of both devices. For this reason, this work proposes a new methodology, based on the Hansen solubility parameters, which can help assess and predict the response of polymers for VOCs monitoring. Finally, this thesis describes the implementation of an air quality monitoring system that effectively measures CO2 and VOCs levels inside the vehicle cabin. A series of pilot tests validate that VOCs monitoring is relevant to the customer experience and the proper control of indoor air quality in vehicles. Furthermore, these activities contribute to defining how this system should be integrated with the overall vehicle and environment. To the authors knowledge, it is the first time that the devices presented in this thesis have been investigated for their implementation in vehicles, which showcase the originality and potential of this work.

(Català) Aquesta tesi doctoral va sorgir de la necessitat de dissenyar nous dispositius que permetin un millor control de la qualitat d'aire interior en els vehicles. En els últims anys, i especialment després de la COVID-19, la qualitat d'aire a l'interior dels vehicles s'ha convertit en una necessitat essencial per a la majoria de clients i operadors de flotes. Encara que la qualitat d'aire s'ha estudiat abastament en sectors com el de la construcció, aquest tema no ha estat tractat amb profunditat per la majoria de fabricants d'automòbils a Europa. Tradicionalment, els sistemes de ventilació a la demanda han utilitzat la concentració de diòxid de carboni (CO2) per regular la qualitat d'aire en espais interiors. De totes maneres, a l'interior dels vehicles, la concentració dels anomenats compostos orgànics volàtils (COVs) també pot suposar un risc real per a la salut i el confort de les persones. Per tant, sembla essencial haver de complementar els detectors de CO2 amb sensors de COVs efectius, que assegurin unes condicions òptimes de qualitat d'aire en tot moment. En la nova era de la connectivitat, els vehicles incorporen desenes de sensors en la seva arquitectura. Per aquest motiu, reduir els costos associats a la fabricació i operació de nous dispositius de control ha esdevingut en un requisit fonamental per tal de poder justificar la seva implementació. En aquest context, els avenços recents en tècniques de micro-fabricació i la ciència de nous materials, han permès crear sensors de COVs cada vegada més sensibles, compactes i rentables. Tot i així, el rendiment d'alguns d'aquests dispositius segueix lligat a alts nivells de consum energètic durant el seu funcionament. En paral·lel, segueix essent necessari millorar les prestacions dels sensors actuals perquè aquests no només tinguin una alta sensibilitat, sinó també un cert grau de selectivitat en entorns amb múltiples COVs.

Aquesta tesi se centra en el disseny, la fabricació i la implementació d'un nou dispositiu per al control de COVs a l'interior dels vehicles. Els resultats demostren la idoneïtat d'integrar un sensor de gasos i un canal microfluídic, que exploten les propietats úniques dels polímers per a la detecció sensible i selectiva de COVs a temperatura ambient. En primer lloc, aquest treball avalua la resposta d'un sensor de gasos recobert amb capes fines de polímer simples i híbrides. La addició de nanopartícules de carboni dins del polímer no només contribueix a augmentar la sensibilitat y els temps de resposta del sensor, sinó també a millorar la selectivitat de les capes polimèriques. En segon lloc, aquest treball avalua la resposta d'un canal microfluídic per a la separació i classificació de diferents COVs en una mescla. Els resultats obtinguts indiquen que l'espessor del polímer és una propietat crítica per a la sensibilitat i selectivitat dels diferents dispositius fabricats respectivament. En general, les capes més gruixudes contribueixen a optimitzar la resposta del sensor i el canal microfluídic. La compatibilitat química entre els COVs i el polímer és també molt important en el rendiment d'ambdós dispositius. Per això, aquesta tesi proposa una metodologia, basada en els paràmetres de solubilitat de Hansen, que pot ajudar a avaluar i preveure la resposta de les capes polimèriques en el futur. Finalment, aquesta tesi descriu la implementació d'un sistema de control de la qualitat d'aire, que mesura de forma efectiva els nivells de CO2 i COVs a l'interior de diferents vehicles. Una sèrie de proves pilot validen que el control de COVs és rellevant per l'experiència del client i el control adequat de la qualitat d'aire. Les activitats realitzades també ajuden a definir com ha de ser la integració d'aquest sistema amb el vehicle i el seu entorn. És la primera vegada que s'investiguen els dispositius presentats en aquesta tesi per a la seva implementació en vehicles, el que denota l'originalitat i el potencial que té aquest treball.

(Español) Esta tesis surgió de la necesidad de diseñar nuevas herramientas que permitan un mejor control de la calidad del aire interior en los vehículos. En los últimos años, especialmente tras el COVID-19, una mejor supervisión de la calidad del aire interior se ha convertido en una necesidad destacada para la mayoría de los usuarios de vehículos privados y operadores de flotas. Aunque la calidad del aire se ha estudiado ampliamente en los edificios, este tema ha sido pasado por alto por la mayoría de los fabricantes de automóviles. Tradicionalmente, los sistemas de ventilación a la demanda han utilizado la concentración de dióxido de carbono (CO2) para regular la calidad del aire en espacios interiores. Sin embargo, dentro del espacio confinado de los vehículos, la concentración de compuestos orgánicos volátiles (COVs) también puede suponer un verdadero riesgo para la salud y el confort de los pasajeros. Por lo tanto, con la finalidad de garantizar unas condiciones óptimas de calidad del aire en todo momento, parece necesario complementar los detectores de CO2 con sensores de COVs que sean efectivos. En la nueva era de la conectividad, los vehículos incorporan decenas de sensores en su arquitectura. Por ello, reducir los costes asociados a nuevos dispositivos de control se ha convertido en un requisito fundamental para justificar su implantación. Los avances recientes en técnicas de micro-fabricación y nuevos materiales han permitido crear sensores de COVs cada vez más sensibles, compactos y rentables. Sin embargo, el rendimiento de algunos de estos dispositivos sigue ligado a altos niveles de consumo energético durante su funcionamiento. Además, es necesario seguir mejorando la eficacia de los sensores actuales, para que estos no sólo tengan una alta sensibilidad, sino también un cierto grado de selectividad frente a múltiples COVs en el ambiente.

Esta tesis se centra en el diseño, la fabricación e implementación de un nuevo dispositivo para el control eficaz de COVs dentro de los vehículos. Los resultados demuestran la idoneidad de integrar un sensor de gases y un canal microfluídico, que explotan las propiedades únicas de los polímeros para la detección sensible y selectiva de COVs a temperatura ambiente. En primer lugar, este trabajo evalúa la respuesta de un sensor de gases recubierto con capas finas de polímero simples e híbridas. La adición de nanopartículas de carbono dentro del polímero no sólo contribuye a aumentar la sensibilidad y los tiempos de respuesta del sensor, sino también a mejorar la selectividad de las capas de polímero. En segundo lugar, este trabajo evalúa la respuesta de un canal microfluídico para la separación y clasificación de diferentes COVs en una mezcla. Los resultados obtenidos indican que el espesor del polímero es crítico en la sensibilidad y selectividad de los diferentes dispositivos fabricados. En general, las capas más gruesas contribuyen a optimizar la respuesta tanto del sensor como del canal microfluídico. Además, la compatibilidad química entre los COVs y el polímero resulta también ser muy importante en el rendimiento de ambos dispositivos. Este trabajo propone una metodología, basada en los parámetros de solubilidad de Hansen, que puede ayudar a evaluar y predecir la respuesta de los polímeros en el futuro. Finalmente, esta tesis describe la implementación de un sistema de control de la calidad del aire, que mide de forma efectiva los niveles de CO2 y COV dentro del habitáculo. Una serie de pruebas piloto validan que el control de COVs es relevante para la experiencia del cliente y el control adecuado de la calidad del aire interior. Además, estas actividades contribuyen a definir cómo debe integrarse este sistema con el conjunto del vehículo. Es la primera vez que se investigan los dispositivos presentados en esta tesis para su implementación en vehículos, lo que denota la originalidad i potencial de este trabajo.