Sensore optofluidico per l'analisi in linea di oli lubrificanti

In recent years, the improvement of photonic devices micromachining by femtosecond laser pulses has led to many advances in the field of Lab On a Chip. These micro-systems rely on a network of fluidic channels that allow the analysis and management of a low scale volume samples. In this technological landscape a new discipline has emerged: optofluidic field exploits the synergy between optics and fluidics, with both functions miniaturized on chips. Simultaneous presence of networks of microfluidic channels with optical structures has allowed the creation of the first integrated optofluidic devices used as compact, stable and monolithic sensors, solving the problem of having a strong alignment between the two micro-components. One of the most important field of applications of these devices is the analysis of small quantities of liquid samples useful in biomedical diagnostics or broad spectrum sensors. In this paper it is shown how, through the techniques of Femtosecond Laser Micromachining (FLM), has been realized an integrated sensor in fused silica with the coexistence of a microfluidic structure (as hydraulic system for the oil) and waveguides for the management of laser light which is essential for the optical investigation. In particular, the sensor has been conceived to be installed on industrial machinery in order to check the wear state of the oil in the circuit: the tested sensor has demonstrated good reliability and proper operation. Therefore it has gone beyond the prototype stage: creation of a dedicated packaging and the subsequent integration with a management software and a proper hardware. In the end preliminary tests were carried out to simulate a live industrial system. Our final goal is the realization of an optofluidic, integrated, monolithic and compact sensor for the analysis of the wear state of lubricant oil.

Negli ultimi anni il perfezionamento delle microfabbricazioni con laser a femtosecondi hanno portato ad innumerevoli progressi nel campo dei Lab On a Chip, ossia dei dispositivi costituiti da reti di canali microfluidici che consentono l’analisi e la gestione di piccoli volumi di campione. In questo ambito tecnologico si è collocata l’optofluidica, una disciplina che si pone l'obiettivo di sfruttare l'integrazione di ottica e di fluidica miniaturizzata sulla scala spaziale del micron su chip. La presenza contemporanea di reti di canali microfluidici con strutture ottiche ha permesso la realizzazione dei primi dispositivi optofluidici integrati che si propongono come piccoli sensori compatti, stabili e monolitici e con cui viene risolto il problema di avere un solido allineamento tra le due micro-componenti. Uno dei più importanti ambiti di applicazione di questi dispositivi è l’analisi di piccole quantità di campione di liquido finalizzata agli studi biologici o alla sensoristica ad ampio spettro. In tale contesto si colloca il lavoro di tesi esposto in questo elaborato. Sfruttando le tecniche di microlavorazione mediante laser a femtosecondi (Femtosecond Laser Micromachining) è stato realizzato un sensore optofluidico integrato in fused silica con la compresenza di una struttura microfluidica per la gestione del fluido e di guide d’onda per il controllo della luce laser indispensabile per l’indagine ottica. Nello specifico, il sensore in linea è stato realizzato per essere installato su macchinari industriali per il monitoraggio dello stato d'usura dell’olio presente nel circuito di lubrificazione: è stato fabbricato e testato un sensore in fused silica che ha dimostrato affidabilità, robustezza e stabilità nelle misure. Si è quindi andati oltre alla fase di prototipazione, realizzando un packaging dedicato ed integrandolo con un controllo software ed hardware per essere poi pronto per svolgere test preliminari su veri e propri sistemi industriali. Il risultato di questo lavoro è pertanto la realizzazione di un sensore optofluidico compatto, integrato con un sistema digitale d'acquisizione dati in tempo reale, per l’analisi dello stato d'usura degli oli da macchinari industriali.