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Programmable multi-wavelength Mid-IR source for gas sensing

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Sensori miniaturizzati a basso costo «vedono» i gas in traccia

Un progetto finanziato dall’UE ha sviluppato nuovi componenti per sensori miniaturizzati per il rilevamento dei gas nocivi, offrendo un’alternativa economica e più pratica alla tecnologia convenzionale che opera nello spettro luminoso infrarosso. Questa tecnologia di rottura potrebbe quindi rendere questa misura di sicurezza accessibile anche per il settore industriale, civile e militare.

Tecnologie industriali

I sensori per gas a infrarossi rappresentano la tecnologia all’avanguardia per il rilevamento dei gas nocivi o esplosivi. I dispositivi attualmente disponibili sono tuttavia complicati, costosi o pesanti. Sono inoltre limitati da basse sensibilità e richiedono grandi quantità di campioni di gas. Guidato da un consorzio di centri di ricerca europei e partner industriali, il progetto MIREGAS, finanziato dall’UE, ha introdotto componenti rivoluzionari che possono essere integrati per l’analisi multi-gas. Rispetto alle tecnologie convenzionali dei sensori per gas a infrarossi, i nuovi componenti offrono una migliore precisione a un prezzo inferiore: le lunghezze d’onda della luce possono essere filtrate in modo più preciso ed è possibile escludere componenti del gas interferenti. La gamma di lunghezze d’onda dell’infrarosso aiuta a rilevare le «impronte molecolari» di numerosi gas in traccia. Multi-rilevamento rapido e conveniente Il consorzio del progetto ha creato un dispositivo che utilizza una sola sorgente di luce per l’analisi multi-gas, a differenza di diversi laser. La sorgente di luce utilizza una tecnologia che era stata originariamente sviluppata per applicazioni di comunicazione ottica: in questo modo si riducono al minimo i costi di misurazione rispetto alla misurazione tradizionale della spettroscopia. Il dispositivo MIREGAS può effettuare misurazioni multiple con un singolo filtro ottico multicanale regolabile e commutabile, e selezionare singoli gas da una miscela di emissioni. Questi includono metano, etano, butano, propano, anidride carbonica e acqua. È in grado anche di rilevare numerosi gas contemporaneamente, il che è utile nei processi industriali e nelle applicazioni di monitoraggio ambientale. Risultati del progetto MIREGAS sta colmando una lacuna nel mercato, in quanto non sono disponibili sorgenti a infrarossi ad alte prestazioni convenienti. Il minuscolo sensore di gas a basso costo MIREGAS utilizza diversi componenti innovativi che comportano importanti vantaggi in termini di costi, produzione quantitativa e affidabilità. Questi comprendono un nuovo diodo a emissione luminosa superluminescente (SLED), un filtro spettrale a circuito fotonico integrato (PIC) in silicio, ottiche a infrarossi modellate e tecnologie di assemblaggio e imballaggio ad alto volume. I membri del progetto hanno dimostrato un emissione SLED single-mode a banda larga a 2,65 μm che ha raggiunto una potenza di uscita di circa 0,5 mW con un ampio spettro di 300 nm. Per formare un fascio collimato dallo SLED, hanno sviluppato un nuovo tipo di vetro a basso tenore di ossigeno e ossido di metalli pesanti che trasmette la radiazione del medio infrarosso e viene formato in un processo di vetro foggiatura a stampo denominato goffratura a caldo. Le lenti in vetro sagomato che si adattano in un’architettura TO-can sono state prodotte sperimentalmente. Il PIC a bassa perdita di nuova concezione possiede due caratteristiche uniche: oltre alle lunghezze d’onda delle comunicazioni ottiche convenzionali a 1 550 nm, è applicabile per le lunghezze d’onda del medio infrarosso; consente inoltre l’integrazione di dispositivi attivi quali diodi laser o fotorilevatori direttamente sul chip del PIC. Il confezionamento e l’assemblaggio del minuscolo sensore hanno comportato l’allineamento submicronico dello SLED, cioè un flip-chip legato al PIC in silicio. La percezione di un futuro luminoso Le innovative tecnologie MIREGAS consentiranno ai partner del progetto di raggiungere un nuovo livello di selettività e accuratezza nelle misurazioni multi-gas a prezzi competitivi. «La possibilità di adattare l’uscita spettrale per abbinarla a qualsiasi serie di linee di assorbimento desiderata con qualsiasi larghezza di banda desiderata inferiore a 3 500 nm rappresenta il principale vantaggio della nostra sorgente luminosa rispetto alla singola linea stretta di un laser sintonizzabile. Le sorgenti di luce a multi-lunghezza d’onda economicamente vantaggiose sono fondamentali per l’ampia penetrazione dei sensori di gas a infrarossi», spiega il coordinatore del progetto, il dott. Pentti Karioja. «La nostra nuova fonte di luce che combina la fotonica al silicio e il rilevamento di gas a infrarossi non sarà solo vantaggiosa per il rilevamento dei gas, ma anche per tutti i tipi di sensori a medio infrarosso, la tecnologia di analisi del processo, la sicurezza ambientale e alimentare e le applicazioni di sicurezza», osserva Pentti. In questo modo dovrebbero aprirsi nuove opportunità commerciali, rafforzando la loro posizione tecnologica nella fornitura di misurazioni dei gas per applicazioni impegnative.

Parole chiave

MIREGAS, sensore di gas a infrarossi, diodo ad emissione luminosa superluminescente (SLED), circuito fotonico integrato (PIC), medio infrarosso, multi-gas, fotonica al silicio, vetro sagomato

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