Infrared-based contactless fluid sensing: a multiscale approach

Infrared (IR) sensing technologies provide powerful methods for contactless monitoring and analysis of fluidic systems across multiple scales. Their non-invasive nature makes them ideal for applications where contamination must be minimized or prevented, while their versatility allows integration into diverse sensing strategies. This thesis explores the use of IR radiation through a multiscale approach, starting from the detection of bulk liquid properties at macroscopic distances (on the order of tens of centimeters) and progressively shifting to smaller scales (hundreds of micrometers) for precise interaction, both stimulating and sensing. To implement smart and contactless fluid sensing, low-cost IR-based sensors were integrated into fluidic and microfluidic technologies, demonstrating key advantages such as (i) minimizing contamination in applications ranging from beverage dispensing to biomedical analysis while ensuring user safety, (ii) increasing measurement accuracy and precision, (iii) reducing both device and sample costs, (iv) minimizing device size, and (v) facilitating the development of smart platforms and all-in-one systems. At the macroscopic scale, a Time-of-Flight IR sensor was employed for real-time liquid level detection in beverage dispensing systems. A novel algorithm was developed to ensure accurate monitoring. Moving to intermediate distances, a Thermal Metal-Oxide Semiconductor (TMOS) sensor, originally designed for presence detection, was repurposed for Non-Dispersive IR gas sensing, with the aim of measuring CO2 concentration in liquids. At near distances, contactless temperature measurement of liquids inside pipes was achieved exploiting the IR radiation emitted, balancing sensitivity and response time. Finally, extending the findings of the previous technology to the microscale, a method exploiting heat transport and IR sensing enabled the estimation of flow rate in microfluidic channels without direct contact with fluid media. The results reported in this work confirm the feasibility of IR-based sensing as a scalable and versatile approach for fluidic and microfluidic applications, demonstrating its potential for smart sensing technologies.

Le tecnologie di rilevamento a infrarossi (IR) forniscono metodi potenti per il monitoraggio e l'analisi senza contatto di sistemi fluidici su più scale. La loro natura non invasiva le rende ideali per applicazioni in cui è necessario ridurre al minimo o prevenire la contaminazione, mentre la loro versatilità consente l'integrazione in diverse strategie di rilevamento. Questa tesi esplora l'uso della radiazione IR attraverso un approccio multiscala, partendo dal rilevamento delle proprietà dei liquidi a distanze macroscopiche (dell'ordine di decine di centimetri) e passando progressivamente a scale più piccole (centinaia di micrometri) per un'interazione precisa, sia per stimolare che per analizzare. Per implementare un rilevamento dei fluidi intelligente e senza contatto, sono stati integrati sensori a infrarossi a basso costo in tecnologie fluidiche e microfluidiche, dimostrando vantaggi chiave quali (i) la riduzione al minimo della contaminazione in applicazioni che vanno dalla distribuzione di bevande all'analisi biomedica, garantendo al contempo la sicurezza degli utenti, (ii) l'aumento dell'accuratezza e della precisione delle misurazioni, (iii) una riduzione dei costi sia dei dispositivi che dei campioni, (iv) la riduzione al minimo delle dimensioni dei dispositivi e (v) semplificazione dello sviluppo di piattaforme intelligenti e sistemi all-in-one. Su scala macroscopica, è stato impiegato un sensore IR Time-of-Flight per il rilevamento in tempo reale del livello dei liquidi nei sistemi di erogazione delle bevande. È stato anche sviluppato per questo scopo un nuovo algoritmo per garantire un monitoraggio accurato. Passando alle distanze intermedie, un sensore TMOS (Thermal Metal-Oxide Semiconductor), originariamente progettato per il rilevamento di presenza, è stato riproposto per il rilevamento di gas con tecnologia Non-Dispersive IR, con l'obiettivo di misurare la concentrazione di CO2 nei liquidi. A distanze ravvicinate, è stata ottenuta la misurazione senza contatto della temperatura dei liquidi all'interno dei tubi sfruttando la radiazione IR emessa, bilanciando sensibilità e tempo di risposta. Infine, estendendo i risultati della tecnologia precedente alla microscala, un metodo che sfrutta il trasporto di calore e il rilevamento IR ha permesso di stimare la portata in canali microfluidici senza contatto diretto con i fluidi. I risultati riportati in questo lavoro confermano la fattibilità del rilevamento basato su IR come approccio scalabile e versatile per applicazioni fluidiche e microfluidiche, dimostrando il suo potenziale per tecnologie di rilevamento intelligenti.