Sensori per IOT e Sviluppo Sostenibile
Referente: Coppedè Nicola
Industria e Spazio

Dispositivi e detector per raggi X e gamma

I rivelatori di raggi X e gamma trovano applicazioni in svariati campi che spaziano da specifici argomenti di ricerca (astrofisica, fisica fondamentale) a settori più pratici legati alla vita quotidiana (ispezioni di prodotti industriali, controlli di sicurezza).

Nel primo caso, la capacità di rilevare questa tipologia di radiazione elettromagnetica ha un ruolo cruciale nell'osservazione di corpi celesti e della radiazione cosmica. Infatti, la luce proveniente dallo spazio copre l’intero spettro elettromagnetico e, quindi, la sua rilevazione nell'intervallo energetico da pochi keV a pochi MeV è essenziale per completare il quadro.

Nel secondo caso, il potere penetrante di fotoni altamente energetici ha portato alla realizzazione di nuove tecnica di ispezione in grado di letteralmente “vedere” dentro un oggetto senza romperlo o aprirlo. Tale processo è definito “controllo non distruttivo” e ha rappresentato una svolta in ambito industriale poiché ha permesso di verificare rapidamente la qualità dei prodotti finiti e di rilevare la presenza di contaminanti all'interno di essi.

IMEM è da anni attiva in entrambi questi settori grazie ai suoi detector a base di CZT.

xray for space and industry

 


Rivelatori Deep UV

Lo strato di ozono atmosferico agisce da filtro per la luce solare nel lontano UV. Per questo motivo, non esistono fonti naturale di luce nel range tra 230 e 270 nm( UV-C).
Sorgenti artificiali di UV-C sono ad esempio combustioni chimiche, scariche corona, lampade a mercurio.

In collaborazione con il dipartimento di Fisica dell'Università di Parma stiamo sviluppando sensori UV-C solar blind a base di ossido di gallio, un semiconduttore ad altissima gap (4.7-5 eV) che ha riscosso un notevole interesse e attenzione dalla comunità della scienza dei materiali. La sua alta gap lo rende un candidato ideale alla rivelazione della luce ultravioletta nella banda UV-C, rendendolo allo stesso tempo insensibile alla luce visibile, UV-A e UV-B (solar blind).
 
Sensori UV-C solar blind trovano impiego nel monitoraggio di:
•    incendi
•    combustione di motori (aerei, missili - security)
•    effetto corona di apparati operanti ad alta tensione

Ga2O3 per solar blind deep-UV sensing
Il gruppo ha dimostrato che la fase epsilon del Ga2O3 può essere impiegata con successo per la realizzazione di rivelatori solar blind nella banda UV-C.

sensore uv 1
Schema di un rivelatore UV-C a base di Ga2O3
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Rrisposta di fotocorrente del rivelatore
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Risposta in fotocorrente di Ga2O3 in funzione della lunghezza d'onda

 


Sensori di Gas

In ambito industriale i sensori di gas sono impiegati per scopi differenti: dalla sicurezza dei lavoratori in merito alla potenziale presenza di gas o sostanze pericolose nell'aria, al controllo di potenziali perdite, dal monitoraggio di alcuni processi che devono o non devono sviluppare determinate sostanze volatili, all'analisi in linea o in locali specifici.
La disponibilità di sensori a basso costo e basso consumo, come quelli realizzabili con gli ossidi metallici nanostruturati, rende possibile la realizzazione di reti distribuite con sensori dislocati in molteplici posizioni all'interno delle fabbriche o degli impianti, interagenti con i sistemi di allarme, di sicurezza o di produzione. Questo è un concetto fondamentale nell'ambito della cosiddetta Industria 4.0, nella quale l'automazione industriale integra alcune nuove tecnologie produttive per migliorare le condizioni di lavoro, creare nuovi modelli di business e aumentare la produttività e la qualità produttiva degli impianti.

gas sensor for industry 1
gas sensor for industry 2
gas sensors for industry 3

I sensori di questo tipo possono essere utilizzati singolarmente, ma più spesso, soprattutto per affrontare ambienti e condizioni di misura piuttosto complicate, in matrici di diversi sensori. Purtroppo, infatti, questo tipo di sensori è talvolta fin troppo sensibile, oppure è in grado di rivelare un gran numero di gas, senza però essere in grado di discriminare e quantificare direttamente i singoli gas costituenti. Per questo motivo l’approccio innovativo che abbiamo sviluppato negli ultimi anni prevede anche l’utilizzo di alcuni di questi sensori integrati in un unico dispositivo.

Le risposte dei vari sensori vengono combinate ed analizzate con tecniche di machine learning, rendendo il sistema capace non solo di individuare il gas presente, ma anche la sua concentrazione.

 


MEMS

I sistemi MEMS (Micro Electro Mechanical System) e i microsistemi definiscono sia una classe di dispositivi che tecnologie associate, standardizzate e sviluppate negli ultimi due decenni. Rappresentano una chiave per la miniaturizzazione, l'integrazione e la produzione in grandi volumi per una nuova generazione di sensori. Le competenze fondamentali per la progettazione e la fabbricazione di MEMS e microsensori sono ben consolidate nell'istituto e abbiamo sviluppato diversi microsensori MEMS sia per varie applicazioni industriali che per ricerche fondamentali e applicate, tra cui citiamo:

  • microsensori gravimetrici (microcantilever), anche sotto forma di matrice, per la misurazione di specie chimiche e del vuoto;
  • microsensori per gas pericolosi e combustibili basati sulla microtecnologia delle hot-plate e sull'integrazione di un materiale attivo nanostrutturato;
  • sensori basati sulla trasduzione elettrica [matrici multielettrodo-chimiche, transistor elettrochimici organici (OECT), EGOFET, ...] con capacità di scalabilità alla nanoscala;
  • sensori basati su risonatori in silicio e risonatori a membrana SiN ad alto stress, con sensibilità di forza che consente di osservare gli effetti quantistici indotti dall'interazione optomeccanica, sia nel comportamento degli oscillatori che nelle proprietà delle radiazioni stesse.
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