Senzori în infraroșu pentru detecţia gazelor periculoase

OBIECTIVELE PROIECTULUI

Obiectivul principal al proiectului este de a dezvolta senzori optici nondispersivi, cu sensibilitate ridicata, care operează în domeniul spectral infraroșu, pentru detecția de gaze periculoase în încăperi industriale, în vederea creșterii gradului de securitate în aceste infrastructuri.
Principalul avantaj al senzorilor propuși este selectivitatea lor ridicată în raport cu tipurile de gaze detectate (calibrarea pe intervale de absorbție specifice gazului de interes – exemplu: metan, monoxid/dioxid de carbon), fapt care va diminua riscurile de a avea semnale fals negative sau fals pozitive.
Caracterul de inovare al proiectului propus constă în obținerea unei selectivități ridicate a senzorului prin suprapunerea cât mai precisă între caracteristica spectrală a sursei de infraroșu și a răspunsului detectorului cu benzile de absorbție situate în MIR (3 µm – 8 µm) a gazului de interes utilizând metasuprafețele. Noutatea adusă de acest proiect constă în aplicarea unui concept nou in domeniul fotonicii, anume cel de metasuprafață, realizându-se astfel controlul și ajustarea caracteristicii spectrale (reflexie, transmisie, absorbție, emisie) a unei suprafețe micro/nanostructurate.

Parteneri

IMT

Institutul Naţional de Cercetare – Dezvoltare pentru Microtehnologie (IMT)
COORDONATOR

www.imt.ro
INFLPR

Institutul Naţional de Cercetare – Dezvoltare Pentru Fizica Laserilor, Plasmei și Radiaţiei (INFLPR)

www.inflpr.ro

IMT este responsabil cu modelarea metasuprafețelor plasmonice, dezvoltarea senzorilor de gaz și a tehnologiilor aferente de fabricare. INFLPR realizează testările și caracterizările optice și mecanice, inclusiv calibrarea senzorului.

Rezultate

În cursul anului 2018 au fost obţinute:

  • specificaţiile fiecărei componente a sistemului de detecţie de gaze din infrastructuri și au fost realizate schemele corespunzătoare;
    au fost simulate doua tipuri de lentile Fresnel, utilizate pentru colimarea radiaţiei obţinute de la sursa și focalizarea către detectorul de gaze comercial;
  • de asemenea, au fost studiate diferite tipuri de metasuprafețe absorbante pentru a obține sursa de radiaţie selectivă și, totodată, diverse geometrii configurate pe trei tipuri de substraturi, obținându-se maxime de absorbţie pentru mai multe gaze de interes.
  • tot în această etapă a fost propus un flux tehnologic necesar pentru fabricarea structurilor dorite și au fost realizate primele teste tehnologice, obținându-se astfel rezistenţe de tip meandre și metasuprafeţe alcătuite din rezonatori circulari utilizând fotolitografia, metoda lift-off, depuneri prin pulverizare sau ALD.
  • pe baza acestor structuri test a fost dezvoltat procesul experimental pentru caracterizarea componentelor senzorului de gaze.

De asemenea, obiectivele proiectului și rezultatele preliminare obținute in această etapă au fost prezentate la conferințe internaționale de către tinerii cercetători Roxana Tomescu (responsabil proiect), Laura Mihai (responsabil partener INFLPR) și Bodgan Călin (INFLPR).

În plus, în cadrul proiectului au fost ocupate trei posturi de asistent de cercetare: 2 posturi – IMT-București și 1 post – CETAL-INFLPR. Cercetătorii nou angajați au posibilitatea utilizării unor echipamente de ultimă generație pentru simulare, proictare, realizare și caracterizare spectrală a dispozitivelor din cadrul proiectului, echipamente ce fac parte din noile infrastructuri CENASIC/IMT si CETAL/INFLPR.

Exemplu de metasuprafață cu rezonatori cilindrici de Au pe substrat de Al2O3:

a) schema structurii propuse

b) Layout structura

c) Distribuția câmpului electromagnetic în interiorul metasuprafeței

Modul de functionare al sistemului de detectie propus: la nivelul sursei termice de emisie se aplica un curent electric ce determina incalzirea rezistentei prin efect Joule. Metasuprafata plasata direct peste sursa termica clasica va absorbi tot spectrul larg emis si prin intermediul structurilor rezonatoare va filtra si transmite catre detector lungimi de unda specifice lungimilor de absorbtie diferitelor gaze ce se gasesc in incaperile industriale; lentile Fresnel sunt utilizate pentru a colima radiatia, iar pentru detectia radiatiei emise de sursa selectiva se va utiliza un detector comercial.

In cadrul etapei 2 au fost fabricate tehnologic si caracterizate cele trei componente ale sistemului propus: sursa de radiatie de spectru larg, metasuprafata specific configurata si lentilele Fresnel. In vederea optimizarii geometriilor si proceselor tehnologice utilizate, au fost atinse urmatoarele obiective:

  1. Proiectarea si simularea unei surse termice clasice (rezistor): utilizand doua abordari diferite de simulare: i) utilizand programul saftware Ansys Icepack si aplicand o putere de 0.2 sau 4W; ii) utilizand programul software COMSOL Multiphysics si aplicand o tensiune de 10V. Astfel au fost stabilite materialele utilizate, geometria (configuratie tip menadre cu 2 sau 3 meandre, cu paduri inguste sau late) si aria acesteia (1cm2);
  2. A fost stabilita geometria metasuprafetelor absorbante configurate pentru absorbtia la anumite lungimi de unda;
  3. Au fost proiectate lentile Fresnel care sa functioneze la lungimi de unda specifice tinand cont de rezultatele masuratorilor absorbtiei metasuprafetelor (3.3 µm, 4.25 µm, 5.25µm);
  4. Au fost concepute fluxuri tehnologice, urmate de fabricarea si caracterizarea morfologica a celor trei componente necesare dezvoltarii sistemului de detectie de gaze propus;
  5. Au fost masurate atat absorbtia metasuprafetelor cat si emisia surselor de radiatie.

Figura 1 Schema sistemului de detectie a gazelor

Figura 2 Componente sursa de radiatie termica a) Rezistenta de platina formata din 2 sau 3 meandre (layout si imagine a rezistentei obtinuta tehnologic); b) Metasuprafata utilizata ca absorber imbunatatit (layout si imagine SEM)