Sviluppo di sistemi sensoriali per il monitoraggio della qualità dell'aria e per la sicurezza in ambienti esterni e confinati: i casi del CH4, CO2, CO

Due to the dramatic growth in industrial development and population, the natural atmospheric environment has become polluted. In fact, when the hazards of environmental pollution that can cause severe injury within a short time period is considered, the precise monitoring of pollutant emissions becomes rather important. Conventional instruments for monitoring the environment are not so popular because they are bulky, time consuming, and expensive. As a consequence, compact, robust, and inexpensive solid-state gas sensors are required as an effective alternative for environmental monitoring. In this work we present two systems suitable for the detection of volatile compounds: an electro-optical infrared sensor and a capacitive chemical sensor array. The working principle of the electro-optical system is based on the absorption of infrared energy by gas molecules at their characteristic absorption bands; the absorbance is proportional to the concentration according to Lambert-Beer law. The system comprises a micro-heater (used as an infrared source), a multipass cell (required to direct the radiation toward the detector), a thermopile array (detector) with three different filters centered on the absorption peaks of CH4, CO2, CO, and a reference filter. Furthermore, an electronic system has been developed to drive the micro-heater with a sine modulation and to acquire, amplify, filter, and show on a graphic display the output signal. The results show a limit of detection of 100 ppm for methane, 20 ppm for carbon monoxide and <50 ppm for carbon dioxide. The capacitive chemical sensor array is based on a commercial fingerprint detector. The device is an array of 300x256 micro-capacitors. Chemical sensors were made by deposition of different metallo-porphryins on the device surface. The volatile compounds present in the close environment and interacting with the sensing materials are detected through the measure of the dielectric constant variation of the cells composing the array. The variation of the relative dielectric constant causes the variation of the capacitance of each element. Tests were performed exposing the sensor to CO with a limit of detection of 30 ppm. In this thesis are described and commented with details the characteristics of both systems, the experimental results and the future developments.

Questo lavoro di ricerca è mirato allo sviluppo di sistemi sensoriali per il monitoraggio della qualità dell'aria. Infatti quando si considera che il rischio di inquinamento può causare grossi problemi di salute anche in un breve periodo di tempo, si evince che il monitoraggio preciso di emissioni inquinanti risulta di fondamentale importanza per la sicurezza e la salute dell'uomo. Gli strumenti convenzionali di monitoraggio della qualità dell'aria non sono molto popolari a causa del fatto che essi risultano essere ingombranti e soprattutto molto costosi. Da qui la necessità di sviluppare un sistema sensoriale economico, compatto, affidabile e soprattutto accurato in grado di poter essere installato in qualunque abitazione ed in qualunque altro luogo ove ci sia bisogno di monitorare una determinata specie gassosa. Inoltre il crescente desiderio di vivere in un ambiente sicuro e confortevole spinge la ricerca verso lo sviluppo di sistemi sensoriali per il monitoraggio di gas tossici, esplosivi ed inquinanti sempre più performanti. In questo contesto vengono presentati due sistemi sensoriali per la rilevazione di gas: un sensore elettro-ottico ed un array capacitivo. Il principio di funzionamento del sensore elettro-ottico si basa sulla legge di Lambert Beer. Il sistema è costituito da un microriscaldatore su membrana (utilizzato come sorgente di radiazione infrarossa), da una cella multipasso (necessaria per aumentare il cammino ottico tra sorgente e rivelatore) e da un array di termopile con filtri ottici centrati nella regione di massimo assorbimento dei gas. Inoltre è stata sviluppata un’elettronica di condizionamento al fine di pilotare in regime sinusoidale il corpo nero ed un’elettronica di rivelazione per acquisire, amplificare, filtrare e visualizzare su un display grafico i segnali in uscita. I risultati sperimentali mostrano un limite di rivelazione di 100 ppm per il CH4, di 20 ppm per il CO ed inferiore a 50 ppm per la CO2. Il sensore chimico basato su un array di 300x256 micro-capacità è stato realizzato utilizzando un fingerprint sensor commerciale. Sulla superficie del sensore sono state depositate differenti metallo-porfirine; in questo modo i composti volatili presenti nell’ambiente circostante che interagiscono con il materiale sensibile possono essere rivelati dal dispositivo attraverso la misura della variazione della costante dielettrica delle celle che compongono l’array. La variazione della costante dielettrica relativa provoca una variazione della capacità di ogni elemento dell’array. Le misure preliminari hanno evidenziato un limite di rivelazione di 30 ppm per il CO. In questa tesi verranno descritte e commentate in dettaglio le caratteristiche di entrambi i sistemi, i risultati sperimentali ed i possibili sviluppi futuri.