VTT:n johtama fotoniikan tutkimushanke kehittää pienikokoisia spektrikuvantamisen ja kaasunmittauksen teknologioita. Uudenlaisilla optisilla MEMS-ratkaisuilla voidaan valmistaa uusia mittalaitteita ja -antureita teollisuuden tai lääketieteen diagnostiikkaan.
VTT:n vetämä EPheS-hanke (Efficient Photonics for Sustainable Imaging and Sensing) kehittää säädettäviä optisia spektrisuodattimia ja niihin perustuvia järjestelmiä. Näitä tarvitaan esimerkiksi haitallisten kaasujen tunnistukseen ja vihreästä energiasta elintarvike- ja lääketurvallisuuteen sekä lääketieteelliseen diagnostiikkaan, kuten kudosten analysointiin.
Vuoden 2025 alussa alkanut kolmivuotinen hanke kuuluu Chip Zero -ekosysteemiin, jota vetää Applied Materials. Hankkeen muut kumppanit ovat VTT:n lisäksi Tampereen yliopisto, Vaisala, Gasera ja Schott Primoceler.
Hanke aikoo hyödyntää VTT:n uutta 200 mm kiekkolinjaa.
”Käynnistämme vuodenvaihteen tienoilla komponenttien valmistuksen VTT:n uudessa 200 mm kiekkokoon puhdastilassa’’. kertoo projektikoordinaattori ja lääketieteellisten mikrosysteemien tutkimustiimin vetäjä Aapo Varpula VTT:ltä.
Metalinssit ja MEMS-teknologia mahdollistavat läpimurron. 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”, VTT:n 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”, VTT:n 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.
Chip Zero -ekosysteemin osana EPheS-hanke tuo mukaan fotoniikan osaamista ja rakentaa aihepiirin ympärille kansallista osaamiskeskittymää.
Lisää: Chip Zero (LINKKI) ja EPheS ja muut hankkeet (LINKKI)
Chip Zeron EPheS-hanke
- Business Finlandin Co-Innovation -hanke
- Osana Chip Zero Veturi-ohjelmaa
- Kokonaisbudjetti 4,2 M€
- Kaksi tutkimus- ja teknologiaorganisaatiota: VTT ja Tampereen yliopisto
- Neljä yritystä: Applied Materials, Vaisala,Gasera ja Schott Primoceler
- Kesto kolme vuotta
Kuva: Ensimmäinen (a) konseptikuva optisesta metapinnasta, (b) skannaava elektronimikroskooppinen kuva metapinnasta, jonka on valmistanut Tampereen yliopistossa Linzhi Yu.