Sensori per IOT e Sviluppo Sostenibile - Sensori di gas e sostanze volatili (VOC)

I sensori chemoresistivi di gas e altre sostanze volatili (o VOC, acronimo inglese per “volatile organic compounds”) basano il proprio funzionamento sulla variazione della loro resistenza elettrica quando vengono in contatto e reagiscono con determinate sostanze nell’ambiente in cui si trovano. Misurando la loro resistenza è quindi possibile misurare la quantità proporzionale di gas o sostanza volatile presente.

Questo tipo di sensori, realizzati principalmente con ossidi metallici semiconduttori, è caratterizzato da altissima sensibilità e da basso costo. Ciò li rende ideali per tantissime applicazioni in diversi campi, dai controlli di sicurezza alla misura degli inquinanti ambientali, dal settore medico a quello industriale per il monitoraggio sulle linee di produzione. Il fatto che siano generalmente piccoli, poco costosi e a basso consumo, li rende in particolare perfetti per l’impiego in reti di sensori distribuite e integrati in oggetti di uso comune, nell’ottica dell’emergente realtà dell’IOT (“Internet of things” o “Internet delle cose”).

IMEM sviluppa materiali e processi per la realizzazione di sensori di gas chemoresistivi basati su nanostrutture di ossidi. Dispone di un know-how ventennale nella crescita di materiali nanostrutturati, nella loro caratterizzazione (morfologica, strutturale e funzionale), nella realizzazione di dispositivi, test, nella modellizzazione e analisi dati.

 

Ossidi in forma di nanostrutture

Se gli ossidi metallici che vengono utilizzati come chemoresistori vengono sintetizzati in forma di nanostrutture, è possibile sfruttare le peculiarità di queste per migliorare i sensori di gas. Infatti, le nanostrutture hanno un elevatissimo rapporto superficie/volume (un grammo di questi materiali può avere la stessa superficie di un campo da calcio) e poichè la parte sensibile degli ossidi è proprio la superficie (attraverso di essa vengono in contatto con i gas e le altre sostanze presenti nell'aria), è facile intuire quanto questo ne aumenti le potenzialità come sensori di gas. Inoltre alcune di queste nanostrutture sono potenzialmente anche più stabili nel tempo e possono creare porosità via via maggiori.

I nostri laboratori dispongono di reattori per sintesi da fase vapore e sistemi di crescita solvotermale per la sintesi di nanostrutture di ossido di zinco, stagno, indio, gallio, rame e piombo. Molti di questi sono utilizzabili per realizzare sensori di gas. In particolare l'osido di stagno e l’ossido di zinco, che è inoltre possibile ottenere in diverse morfologie: nanowires, nanorods, nanotetrapods, nanostrutture mesoporose (nanobelt e platelet).

E’ inoltre possibile ingegnerizzare il sensore accoppiando alla nanoscala diversi materiali, quali semiconduttori (organici e inorganici) o metalli (oro, argento, platino, palladio, ...), al fine di migliorare la risposta e/o la selettività del sensore.

Prototipazione

Per la fabbricazione dei dispositivi è stata sviluppata una procedura adatta a fabbricare sensori di gas che sfruttano queste polveri nanostrutturate o film per lo strato di attivo.
Il materiale sensibile (ossido nanostrutturato) viene cresciuto direttamente o depositato su un substrato di allumina, in un'area dove sono previsti i contatti di sensing (a sinistra nella figura qui sotto). Sullo stesso substrato viene depositata anche una piccola resistenza di platino che consente in seguito di scaldare per effetto joule l'intero sensore fino a 500°C. Il tutto viene quindi saldato su un supporto TO8 in modalità flottante, per evitare dissipazioni termiche.

Questa procedura permette la realizzazione di sensori indipendentemente dalla natura del materiale e dalla sua morfologia (nanostrutture free-standing o film).

Una versione "evoluta" di questa tecnica permette, grazie alla tecnologia MEMS, di realizzare sensori su una micromembrana di nitruro di silicio. Poiché in questo caso sia l’area sensibile che il volume da riscaldare sono molto più piccoli, i consumi di questo tipo di dispositivo sono molto più ridotti.

Ad oggi questi prototipi sono stati utilizzati per studiare le proprietà sensoristiche di:

• nanofili di SnO₂
• nanotetrapods di ZnO
• platelet e nanobelt mesoporosi di ZnO
• Film sottili di ZnO depositati mediante sputtering

 

Test dei sensori

I nostri laboratori dispongono di apparecchiature dedicate alla caratterizzazione funzionale dei prototipi: una camera di test termostatata con controllo di umidità relativa, possibilità di testare diversi gas o sostanze volatili campione (come ad esempio CO, NOx, alcoli, benzene, aldeidi, metano) anche a concentrazioni molto basse (ppm, ppb), sistema automatizzato di controllo per flusso, temperatura e acquisizione dati.

 

 

Analisi dati e modellizzazione

I sensori resistivi a base di ossidi metallici nanostrutturati, la cui fabbricazione è relativamente semplice ed economica, e le cui dimensioni ne permettono l’integrazione a dimensioni simili a quelle di uno smartphone, sono oggi ampiamente utilizzati.
Purtroppo questo tipo di sensori è a volte fin troppo sensibile e riesce a rivelare la maggior parte dei gas, ma non discriminando in modo diretto i gas differenti. Per questo motivo l’approccio innovativo che abbiamo sviluppato negli ultimi anni prevede l’utilizzo di alcuni di questi sensori integrati in un piccolo chip (delle dimensioni di pochi decimi di millimetro) sottoposto ad un gradiente termico. 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.

L’uso di tecniche di apprendimento supervisionato necessita di una fase di calibrazione del sensori, ma permette di stimare la concentrazione del gas classificato con un errore molto buono (intorno al 10-15%).