Kopioi artikkelin PDF-versio
Kustannustehokkaille, tarkoille ja älykkäille antureille on yhä enemmän tarvetta sekä fysikaalisten että biologisten ja kemiallisten suureiden mittaamisessa. Jyväskylän yliopiston Fysiikan laitoksen tutkimusprojektissa kehitetään miniatyrisoituja antureita muun muassa lämpötilan, sähkökentän sekä erilaisten kemiallisten ja biologisten suureiden mittaamiseen. Tutkimuksessa hyödynnetään Fysiikan laitoksen mikrovalmistustekniikoiden ja nanoelektroniikan asiantuntemusta. Ensimmäiset mikroanturiprototyypit ovat jo valmiina, pidemmän tähtäyksen tavoitteena ovat nanoanturit.
Kustannustehokkaat, tarkat ja älykkäät anturit mahdollistavat informaatioyhteiskuntaan kuuluvan laitteen, prosessin tai jopa ihmisen terveydentilan jatkuvan monitoroinnin ja ohjauksen etäältä. Moniin tehtäviin on jo olemassa sopivia anturityyppejä, mutta ne ovat usein kookkaita, kalliita ja niistä saattaa puuttua vähäisen integrointiasteen vuoksi toiminnallisuutta.
Miniatyrisointi on useissa tapauksissa vastaus kaikkiin näihin kehityshaasteisiin. Jokapäiväisiksi muodostuneet mikromekaaniset kiihtyvyysanturit autojen turvatyynyissä on hyvä esimerkki tällaisista antureista. Edellisten lisäksi uutena haasteena nimenomaan nanoantureiden kehityksessä on elektroniikan ja kemiallis-biologisten prosessien yhdistäminen mikroskooppisessa (ja jopa nano-) skaalassa toimiviksi laitteiksi.
Visiona laitteiden ja prosessien ohjauksessa ovat mikroanturit, jotka ovat niin halpa resurssi ja luotettavuudeltaan sitä luokkaa, että jatkuva monitorointi ja säätely etäältä muodostuu kustannustehokkaimmaksi vaihtoehdoksi ja syrjäyttää perinteisemmät ratkaisut.
Ihmisläheisen teknologian pitkän tähtäyksen visiona ovat implantoitavat anturit, jotka pystyvät mittaamaan ihmiskehon kemiallisia ja biologisia ilmiöitä, esimerkiksi sairauksia, ja signaloimaan niistä, aivan samoin kuin ihmiskehon hermojärjestelmä jo nyt pystyy mittaamaan lämpötilaa, painetta, ääntä ja säteilyä - kyse on siis uusien aistien luomisesta ihmiselle.
Laaja-alaista anturitutkimusta
Projektissa tutkitaan mikroantureiden valmistusta yhä vaativimpiin mittaus-, valvonta- ja tutkimussovelluksiin. Projektissa mukana olevilla yrityksillä on kullakin tuotteita, joissa anturit ovat keskeisessä asemassa. Tutkimuksen kohteena on siten hyvin erityyppisiä antureita: mittauskohteet vaihtelevat lämpötilasta ja sähkö- sekä magneettikentistä kemiallisiin ja biologisiin suureisiin.
Yhteisenä nimittäjänä tutkimuksessa on antureiden miniatyrisointi. Samoja mikroprosessointitekniikoita voidaan hyödyntää erityyppisten antureiden valmistuksessa. Myös antureiden vaatiman integroidun signaalinkäsittelyelektroniikan kehittämisessä löytyy synergiaetuja.
Antureiden valmistus
Mikroanturien valmistuksen perustyökalu Fysiikan laitoksella on SEM (Scanning Electron Microscope) eli pyyhkäisyelektronimikroskooppi, jonka avulla pystytään piirtämään kuvioita ja karakterisoimaan näytteitä 30-40 nanometrin tarkkuudella. Projektissa jo valmistettujen anturiprototyyppien kohdalla tyypilliset viivanleveydet ovat kymmenen mikrometrin luokkaa.
Metallien höyrystämiseen käytetään tyhjiöhöyrystintä, käytetyt metallit ovat tyypillisesti alumiini, kupari ja kulta. Joissakin sovelluksissa tarvitaan myös magneettisia materiaaleja tai välimateriaaleja kuten titaniumia. Alustana on yleensä pii.
Etenkin edistyneempien bioantureiden kohdalla nanomittakaavan rakenteet ovat välttämättömiä. Fysiikan laitokselle ollaankin hankkimassa muun muassa CVD-laitetta, joka mahdollistaa ohuiden kalvojen valmistuksen.
Valmistusvirheet lisääntyvät pienempiin viivanleveyksiin mentäessä, joissakin tapauksissa myös kapeampien johtavien elementtien suurempi resistanssi on ongelma.
Uudet laitehankinnat ja vuonna 2004 valmistuvat korkeamman puhtausluokituksen puhdastilat tulevat mahdollistamaan joidenkin tässä projektissa suunniteltujen antureiden valmistamisen nanomittakaavassa.
Prototyyppien optimointi
Projektissa on tähän mennessä valmistettu neljä erilaista mikroanturiprototyyppiä kolmeen eri mittaussovellukseen. Prototyyppien avulla päästään testaamaan ideoiden toimivuutta ja optimoimaan antureiden rakennetta.
Vaatimuksena on tyypillisesti riittävän suuri signaali pienellä kohinatasolla - useiden anturityyppien kohdalla myös riippumattomuus ulkoisista häiriöistä ja lämpötilanvaihteluista on oleellista. Miniatyrisointi edistää usein riippumattomuutta ulkoisista makroskooppisista häiriöistä, lämpötilariippuvuuden eliminoinnissa taas esimerkiksi materiaalien valinnalla on keskeinen rooli. Kun anturiin integroidaan signaalia analysoiva vahvistinpiiri, myös sen aiheuttamat mahdolliset häiriöt täytyy eliminoida.
Jotkut prototyypeistä ovat osoittautuneet niin toimiviksi, että sarjatuotannon mahdollisuutta kartoitetaan. Toisissa kehitystyö on vielä kesken, ja muutamat ovat suunnitteluvaiheessa. Suunnittelussa ja optimoinnissa on käytetty hyväksi myös simulaatioita, lähinnä elementtimenetelmään perustuvaa Femlab-ohjelmaa.
Projektissa valmistettavien anturiprototyyppien kehitys tuotteiksi on mahdollista yritysten omassa jatkotutkimuksessa.
Poikkitieteellistä tutkimusta
Kemiallisia ja biologisia suureita mittaavien anturien kehityksessä tarvitaan luonnollisesti näiden alojen syvällistä asiantuntemusta. Projektiin liittyykin kiinteää yhteistyötä Jyväskylän yliopiston Bio- ja ympäristötieteiden laitoksen, Kemian laitoksen sekä Psykologian laitoksen (EEG-anturit) kanssa.
Kemian laitoksen kanssa yhteistyössä on käytetty muun muassa NMR-tekniikkaa, ja optisia menetelmiä kuten laserspektroskopiaa, tarvittavien kemiallisten analyysien suorittamiseen.
Projekti luo pohjaa yhteistyöverkostolle, johon kuuluvat yliopiston eri laitokset ja projektissa mukana olevat yritykset ja joka paneutuu pitkän tätäimen anturituotekehitykseen.
Aiheesta enemmän
Fysiikan laitoksen kotisivu: www.phys.jyu.fi
Tutkimusta fysiikan laitoksella: http://www.phys.jyu.fi/research/index.html
Elektronisuihkumikroskopia-linkkejä: http://www.jeol.com/links.html
Taustat
Kirjoittajat:Professori Päivi Törmä, projektin vastuullinen johtaja, FM Jari Salmela, projektipäällikkö, Fysiikan laitos, Jyväskylän yliopisto
Yhteyshenkilö: paivi.torma@phys.jyu.fi
Tutkimus: AMI (antureiden miniatyrisointi)
Yhteistyössä: Jyväskylän yliopisto, Enermet Oy, Metso Drives Oy, Jyväskylän Teknologiakeskus Oy ja Nanoway Oy.
Teknologiaohjelma: ELMO