I ricercatori hanno sviluppato il primo completamente integrato, sensore di gas a infrarossi non dispersivo (NDIR) abilitato da materiali sintetici appositamente progettati noti come metamateriali. Il sensore non ha parti in movimento, richiede poca energia per funzionare ed è tra i sensori NDIR più piccoli mai creati.

Il sensore è ideale per il nuovo Internet of Things e i dispositivi domestici intelligenti progettati per rilevare e rispondere ai cambiamenti nell'ambiente. Potrebbe anche trovare impiego nella diagnostica medica futura e nelle apparecchiature di monitoraggio.

Un documento che spiega questi risultati sarà presentato alla conferenza Frontiers in Optics + Laser Science (FIO + LS), tenutosi dal 15 al 19 settembre a Washington, DC, STATI UNITI D'AMERICA.

"Il design del nostro sensore unisce semplicità, robustezza, ed efficienza. Utilizzando metamateriali, possiamo omettere uno dei principali driver di costo nei sensori di gas NDIR, il filtro dielettrico, e contemporaneamente ridurre le dimensioni e il consumo energetico del dispositivo, " ha affermato Alexander Lochbaum dell'Istituto di campi elettromagnetici dell'ETH di Zurigo, Svizzera, e autore principale della carta. "Questo rende i sensori utilizzabili per volumi elevati, mercati a basso costo come l'automotive e l'elettronica di consumo."

I sensori NDIR sono tra i tipi commercialmente più rilevanti di sensori di gas ottici, utilizzato per valutare lo scarico del veicolo, misurare la qualità dell'aria, rilevare perdite di gas e supportare una varietà di servizi medici, applicazioni industriali e di ricerca. Le dimensioni ridotte del nuovo sensore, costo potenzialmente basso, e il ridotto fabbisogno energetico aprono nuove opportunità per questi e altri tipi di applicazioni.

Ridurre il percorso ottico

I sensori NDIR convenzionali funzionano emettendo luce infrarossa attraverso l'aria in una camera finché non raggiunge un rilevatore. Un filtro ottico posizionato davanti al rivelatore elimina tutta la luce tranne la lunghezza d'onda che viene assorbita da una particolare molecola di gas in modo che la quantità di luce che entra nel rivelatore indichi la concentrazione di quel gas nell'aria. Sebbene la maggior parte dei sensori NDIR misuri l'anidride carbonica, diversi filtri ottici possono essere utilizzati per misurare un'ampia gamma di altri gas.

Negli ultimi anni, gli ingegneri hanno sostituito la sorgente e il rivelatore di luce a infrarossi convenzionali con la tecnologia dei sistemi microelettromeccanici (MEMS), minuscoli componenti che collegano segnali meccanici ed elettrici. Nel nuovo lavoro, i ricercatori integrano i metamateriali su una piattaforma MEMS per miniaturizzare ulteriormente il sensore NDIR e aumentare notevolmente la lunghezza del percorso ottico.

La chiave del design è un tipo di metamateriale noto come metamaterial Perfect Absorber (MPA) costituito da una complessa disposizione a strati di rame e ossido di alluminio. A causa della sua struttura, MPA può assorbire la luce proveniente da qualsiasi angolazione. Per approfittare di questo, i ricercatori hanno progettato una cella multiriflettente che "piega" la luce infrarossa riflettendola molte volte. Questo design ha permesso di schiacciare un percorso di assorbimento della luce lungo circa 50 millimetri in uno spazio che misura solo 5,7 × 5,7 × 4,5 millimetri.

Mentre i sensori NDIR convenzionali richiedono che la luce passi attraverso una camera lunga pochi centimetri per rilevare gas a concentrazioni molto basse, il nuovo design ottimizza la riflessione della luce per ottenere lo stesso livello di sensibilità in una cavità lunga poco più di mezzo centimetro.

Un semplice, robusto, e sensore a basso costo

Utilizzando metamateriali per un filtraggio e un assorbimento efficienti, il nuovo design è sia più semplice che più robusto rispetto ai design dei sensori esistenti. Le sue parti principali sono un emettitore termico in metamateriale, una cellula di assorbimento, e un rilevatore a termopila in metamateriale. Un microcontrollore riscalda periodicamente la piastra riscaldante, facendo sì che l'emettitore termico metamateriale generi luce infrarossa. La luce attraversa la cella di assorbimento e viene rilevata dalla termopila. Il microcontrollore poi raccoglie il segnale elettronico dalla termopila, e trasmette i dati a un computer.

Il fabbisogno di energia primaria deriva dalla potenza necessaria per riscaldare il corpo scaldante. Grazie all'elevata efficienza del metamateriale utilizzato nell'emettitore termico, il sistema funziona a temperature molto più basse rispetto ai progetti precedenti, quindi è necessaria meno energia per ogni misurazione.

I ricercatori hanno testato la sensibilità del dispositivo utilizzandolo per misurare concentrazioni variabili di anidride carbonica in un'atmosfera controllata. Hanno dimostrato di poter rilevare le concentrazioni di anidride carbonica con una risoluzione limitata al rumore di 23,3 parti per milione, un livello alla pari con i sistemi disponibili in commercio. Però, per fare ciò il sensore ha richiesto solo 58,6 millijoule di energia per misurazione, una riduzione di circa cinque volte rispetto ai sensori di anidride carbonica NDIR termici a bassa potenza disponibili in commercio.

"Per la prima volta, realizziamo un sensore NDIR integrato che si basa esclusivamente su metamateriali per il filtraggio spettrale. L'applicazione della tecnologia dei metamateriali per il rilevamento del gas NDIR ci consente di ripensare radicalmente il design ottico del nostro sensore, portando a un dispositivo più compatto e robusto, " disse Lochbaum.