VTT:n johtama tutkimushanke kehittää erityisen pienikokoisia spektrikuvantamisen ja kaasunmittauksen teknologioita teollisuuteen ja lääketieteen diagnostiikkaan. Valon tieteeseen eli fotoniikkaan perustuvat innovaatiot hyödyntävät esimerkiksi infrapunavaloa kaasujen tunnistukseen. Uusilla optisilla MEMS-ratkaisuilla on helpompi ja edullisempi valmistaa mittalaitteita ja -antureita helposti saatavista ja myrkyttömistä raaka-aineista.
Lue tiivistelmä
- Hankkeen keskiössä ovat metalinssit ja MEMS-teknologia, joiden avulla voidaan luoda kevyempiä, kustannustehokkaampia ja ekologisempia järjestelmiä ja vähentää teollisuuden hiilijalanjälkeä.
- EPheS-projektissa hyödynnetään piipohjaisia materiaaleja, jotka ovat ympäristöystävällisiä - vastakohtana perinteisille kalliille ja myrkyllisille materiaaleille.
- Hanke osana Chip Zero -ekosysteemiä kehittää kansallista osaamiskeskittymää fotoniikassa ja tähtää kestäviin, skaalautuviin ja integroituviin fotoniikkajärjestelmiin.
Tiivistelmä on tekoälyn tekemä ja ihmisen tarkistama.
Neljän edelläkävijäyrityksen ja kahden tutkimuslaitoksen EPheS-hanke (Efficient Photonics for Sustainable Imaging and Sensing) kehittää säädettäviä optisia spektrisuodattimia ja niihin perustuvia järjestelmiä. Näitä ratkaisuja tarvitaan laajassa kirjossa eri sovelluksia, jotka vaihtelevat ympäristön tilan seurannassa esimerkiksi haitallisten kaasujen tunnistukseen ja vihreästä energiasta elintarvike- ja lääketurvallisuuteen sekä lääketieteelliseen diagnostiikkaan, kuten kudosten analysointiin.
”Uudet spektrikuvantamisen ja kaasunmittauksen teknologiat sekä sovellukset ovat elintärkeitä, kun halutaan luoda kestävää kiertotaloutta. Niiden avulla voidaan pienentää eri teollisuudenalojen hiilijalanjälkeä ja kasvattaa kädenjälkeä eli näiden teknologioiden myönteistä ympäristövaikutusta”, sanoo projektikoordinaattori ja lääketieteellisten mikrosysteemien tutkimustiimin vetäjä Aapo Varpula VTT:ltä.
Vuoden 2025 alussa alkanut kolmivuotinen hanke kuuluu Chip Zero -ekosysteemiin, jota vetää Applied Materials. Hankkeen muut kumppanit ovat Tampereen yliopisto, Vaisala, Gasera ja Schott Primoceler.
"Yhteistyö on käynnistynyt erinomaisesti. Suunnitteluvaihe on menossa, ja käynnistämme vuodenvaihteen tienoilla komponenttien valmistuksen VTT:n uudessa 200 mm kiekkokoon puhdastilassa. VTT:lle tämä on erinomainen tilaisuus kehittää uusia infrapunateknologioita ja näyttää, kuinka niitä voidaan käyttää uusilla osa-alueilla.”
Metalinssit ja MEMS-teknologia mahdollistavat läpimurron
Yhteistyökumppanien ainutlaatuinen materiaalien, metaoptiikan, MEMS-teknologian (mikroelektromekaaninen järjestelmä) ja integroitujen optisten järjestelmien osaamisen yhdistelmä erottaa hankkeen muista vastaavista maailmanlaajuisesti. EPheS yhdistää metalinssit ja MEMS-pohjaiset viritettävät suodattimet kompakteiksi järjestelmiksi kaasujen spektripohjaiseen tunnistamiseen ja hyperspektrikuvantamiseen.
”Metalinssit ovat litteitä, nanorakenteisia linssejä, joilla voidaan korvata perinteistä optiikkaa. Niiden avulla voi valmistaa yksinkertaisempia, kevyempiä sekä resurssi- ja kustannustehokkaampia järjestelmiä”, Varpula selostaa.
Metaoptiikkaa käytetään Suomessa vasta hyvin harvoissa teollisissa sovelluksissa. Hankkeessa uusi pitkäaaltoisen infrapuna-alueen teknologia (LWIR) mahdollistaa sekä kaasuantureiden tehokkaamman toiminnan että järjestelmien pienentämisen.
Kestävyyttä korostaa hankkeessa materiaalivalintojen ekologisuus. Esimerkiksi pii ei ole myrkyllistä ja sitä on runsaasti saatavilla, toisin kuin monet perinteiset infrapuna-alueen materiaalit, jotka ovat kalliita, harvinaisia ja myrkyllisiä.
Kaasuja voidaan tunnistaa infrapunavalon ja äänisignaalien avulla
Kehitettävien fotoniikkateknologioiden turvin voidaan esimerkiksi analysoida kaasuja ja materiaaleja reaaliaikaisesti suurella herkkyydellä. Tämä onnistuu ilman muiden kaasujen aiheuttamia häiriöitä fotoakustiikan ja infrapunaspektroskopian kaltaisten menetelmien avulla. Kaasuantureissa ja instrumenteissa käytetään mikrovalmistettuja, säädettäviä LWIR-suodattimia.
”Fotoakustisessa menetelmässä kaasu kerätään mittauskammioon ja valaistaan infrapunavalolla. Kun valo absorboituu kaasuun, syntyy äänisignaali. Näin käy ainoastaan, jos kammio sisältää sitä kaasua, jonka aallonpituuteen infrapunavalo on viritetty”, Varpula kertoo.
Säädettävät Fabry-Pérot-interferometriin perustuvat MEMS-suodattimet sisältävät optisia mikrokalvoja, joiden välissä on ilmarako. Ohuesta piikalvosta valmistettava kerrosrakenne mahdollistaa tehokkaan toiminnan LWIR-alueella.
Tavanomaiset ratkaisut ovat kalliita, suuria ja toimivat vain yhdelle kaasulle kerrallaan. Uusien säädettävien komponenttien ansiosta voidaan tunnistaa laaja valikoima kaasuja. Ne ovat myös pienempiä ja edullisempia sekä tarjoavat monipuolisempia kaasujen mittausjärjestelmiä.
Kansallinen osaamiskeskittymä rakenteilla
Chip Zero -ekosysteemin osana EPheS-hanke tuo mukaan fotoniikan osaamista ja rakentaa aihepiirin ympärille kansallista osaamiskeskittymää.
“EPheS-projektissa atomikerroskasvatus (ALD) parantaa merkittävästi optisten komponenttien materiaalien laatua ja luotettavuutta, mikä lupaa merkittäviä edistysaskelia spektrikuvantamiseen ja kaasujen tunnistukseen. Nanometrimittakaavan tasoinen tarkkuus täytyy varmistaa monispektristen suodattimien äärimmäisen ohuita kalvoja ja MEMS-komponenttien kestäviin kerroksia varten. Olemme ylpeitä, että saamme kehittää yhdessä uusia ratkaisuja muun muassa ympäristön valvontaan ja teollisuuden automaatioon”, sanoo Applied Materialsin Suomen organisaation johtava tutkija Jesse Kalliomäki.
”Tampereen yliopistossa kehitämme metaoptisia komponentteja, jotka käsittelevät valoa nanomittakaavan tarkkuudella. EPheSissä suunnittelemme metalinssejä ja metapintoja, jotka vievät kehittynyttä kuvantamista ja mittaustoimintoja kompaktiin ja integroituun muotoon. Yhdistämällä metaoptiikkaa ja MEMS-teknologiaa tavoitteemme on tehdä erittäin tehokkaista fotoniikan järjestelmistä kestävämpiä, skaalautuvampia ja käytettävämpiä todellisiin sovelluksiin”, sanoo Tampereen yliopiston fysiikan professori Humeyra Caglayan.
KUVA
Metaoptics.png: (a) Konseptikuva optisesta metapinnasta. (b) Skannaava elektronimikroskooppinen kuva metapinnasta, jonka on valmistanut Tampereen yliopistossa Linzhi Yu.
EPheS-hanke lyhyesti
- Business Finlandin Co-Innovation -hanke osana Chip Zero Veturi-ohjelmaa
- Kokonaisbudjetti 4,2 milj. euroa
- Kaksi tutkimus- ja teknologiaorganisaatiota
- VTT
- Tampereen yliopisto
- Neljä yritystä
- Applied Materials
- Vaisala
- Gasera
- Schott Primoceler
- Kesto 3 vuotta
Lisätietoja
VTT
Aapo Varpula, tutkimusalueen johtaja, [email protected], puh. 040 357 1370
Applied Materials
Jesse Kalliomäki, johtava tutkija, [email protected], puh. 050 465 7233
Tampereen yliopisto
Humeyra Caglayan, fysiikan professori, [email protected], puh. 050 447 8330
MEDIAMATERIAALI
- VTT:n MEMS-teknologiaan perustuvat säädettävät optiset suodatinsirut (Kuvalähde: VTT)
- Kuvateksti kuvaan Metaoptics.png: (a) Konseptikuva optisesta metapinnasta. (b) Skannaava elektronimikroskooppinen kuva metapinnasta, jonka on valmistanut Tampereen yliopistossa Linzhi Yu.
Tutustu asiantuntijaamme
Aapo Varpula toimii tutkimustiimin vetäjänä VTT:llä, jossa hän johtaa lääketieteellisten mikrojärjestelmien tiimiä. Hänellä on tekniikan tohtorin tutkinto Aalto-yliopistosta. Vuodesta 2011 lähtien hän on työskennellyt VTT:llä tieteellisissä ja teollisissa projekteissa fotoniikan sekä MEMS- ja puolijohdeteknologioiden parissa. Varpulalla on vahvaa asiantuntemusta mm. optisista ja kemiallisista sekä lämpöantureista ja -komponenteista, termo- ja aurinkosähköstä sekä energianlouhinnasta. Hänen johtajuutensa edistää vaikuttavia innovaatioita VTT:llä ja kuroo umpeen kuilua akateemisen tutkimuksen ja teollisten sovellusten välillä.
