Optiset mikrospektrometrit

 

VTT:n säädettävän FPI-suodinteknologian avulla on mahdollista miniatyrisoida kokonaisia spektrometrejä pieniksi käsikäyttöisiksi antureiksi. Teknologiamme on tehokasta ja sarjavalmistukseen sopivaa eikä sen kanssa tarvita kalliita jäähdytettäviä rividetektoreja, joten se tarjoaa huomattavasti edullisemman vaihtoehdon hilaspektrometreille. FPI-suotimien optisten aukkojen suuri koko mahdollistaa myös spektroskopian ja kuvantamisen yhdistämisen; käsikäyttöisiä hyperspektrikameroita voi luoda korvaamalla säädettävien suotimien takana käytettävät pistedetektorit kameradetektoreilla. Tämä spektrometrien miniatyarisointi luo liiketoimintamahdollisuuksia moniin uusiin käyttötarkoituksiin, joihin isokokoiset ja kalliit pöytäinstrumentit eivät ole aiemmin soveltuneet – seuraava mullistava sovellus voi tehostaa teidän yrityksenne kilpailukykyä!

VTT:n palkitun FPI-teknologian pohjalta onkin kehitetty useita kaupallisia tuoteaihioita: Vaisalan CarbocapTM, Continentalin polttoaineen analysaattori, Rikolan kaukokartoituskamerat sekä InnoPharmalabsin hyperspektrikamerat lääketeollisuuteen.

FPI-teknologiaamme on sovellettu useilla sektoreilla, joihin kuuluvat muun muassa terveys ja diagnostiikka, ympäristön monitorointi, kaasujen mittaus, prosessiteollisuus, autoteollisuus, avaruusteollisuus, MEMS-anturituotanto, lääketeollisuus, turvallisuussektori ja mobiililaitteet.

MOEMS FPI -prosessi-integraatio ja räätälöidyt optiset instrumenttiratkaisut

Säädettäviä FPI-aallonpituussuotimia voidaan yhdistää erilaisiin detektoreihin ja optisiin valonlähteisiin käsikäyttöisten optisten instrumenttien ja sensorien toteuttamiseksi. Optinen spektroskopia on houkutteleva mittausmenetelmä moniin käyttötarkoituksiin. Sen avulla voi tunnistaa tai erotella selektiivisesti materiaaleja, kaasuja tai muita aineita niille ominaisten spektrisormenjälkien perusteella, ilman kontaktia mitattavan aineen kanssa. 

Käyttämämme FPI-teknologia jakautuu kahteen osa-alueeseen käytetyn valmistustavan mukaisesti: optiset, sarjavalmistukseen sopivat MEMS-pohjaiset sirut (MOEMS FPI) suuren volyymin sovelluksiin sekä erikseen koottavat, säädettävät pietsosähköiset suodinrakenteet (Pietso-FPI) räätälöityihin korkealaatuisiin optisiin PFPI- kamerainstrumentteihin.

Olemme kehittäneet MOEMS FPI -prosessialustoja näkyvän valon, NIR-alueen sekä keski- että termisen infrapunan aallonpituusalueille (MIR/TIR) ja olemme myös toteuttaneet monoliittisesti integroituja siruspektrometrejä. Olemme esitelleet asiakkaan tarpeisiin räätälöityjä optisia instrumentteja useisiin UV- ja infrapunasäteilyn alueella toimiviin sovelluksiin aina kaasusensoreista maataloudessa ja lannoitusvalvonnassa käytettäviin lennokeihin (UAV), rikospaikkatutkimukseen sekä nanosatelliittilennoilla käytettäviin avaruusinstrumentteihin. Olemme työskennelleet myös lääketieteellisten sovellusten parissa, mukaan lukien nopean diagnostiikan fluoresenssilukijat, silmänpohjakamera glaukooman ja diabeteksen toteamista varten sekä kuvantamisinstrumentit aivoleikkauksia ja ihosyövän nopeaa diagnosointia varten.

Instrumentteja monenlaisiin sovelluksiin

Viime vuosina tavoitteenamme on ollut osoittaa FPI-teknologian hyödyt rakentamalla demoja ja instrumentteja erilaisiin käyttötarkoituksiin. MOEMS-mikrospektrometrejä on käytetty kompaktien hiilidioksidianalysaattoreiden, käsikäyttöisten hyperspektrikameroiden, sekä kaasujen, esimerkiksi asetonin ja etanolin, mittaamisen demonstroimiseen termisellä infrapuna-alueella.

Uusinta teknologiaamme kaasuanalysaattoreiden alalla edustaa erittäin herkkä ja laaja-apertuurinen pietsosähköinen FPI-rakenne MIR-alueelle. Ensimmäinen koekappale toimii aallonpituudella 4–5 µm, ja toinen alusta on korrelaatiospektroskopiaa varten, jossa interferometri antaa kampamaisen transmissiokuvion jäljitellen kaksiatomisten molekyylien absorptiota aaltoalueella 4,7–4,8 µm. Olemme myös toteuttaneet yhdessä ruotsalaisen puolustusalan tutkimuslaitos Totalförsvarets forskningsinstitutin (FOI) kanssa korkean resoluution (~0.2 nm FWHM) UV-FPI-suotimen, jonka voidaan tunnistaa pieniä ainejäämiä.

Hyperspektrikameroissa (HSI) yhdistyy kaksi merkittävää tapaa analysoida ympäristöä: kuvaan- ja spektriin pohjautuva data. Nykyisin markkinoilla olevat hyperspektrikamerat ovat yleensä erittäin kalliita (50 000–100 000 dollaria), kun taas VTT:n hyperspektrikamerat ovat pieniä, käsikäyttöisiä ja huomattavasti edullisempia, etenkin silloin, kun niitä valmistetaan sarjatuotantona. Tämä koko- ja hintaluokka luo uusia mahdollisuuksia löytää teknologialle uusia käyttötarkoituksia.

MOEMS-mikrospektrometriteknologiaa suuren mittakaavan sovelluksiin

Viime vuosina mikrospektrometreille on ilmaantunut nopeasti mahdollisia uusia ja kasvavia markkinoita. Niinpä viime aikoina on kehitetty keskitetysti useita MOEMS-mikrotuotantoprosessialustoja suodinelementtien toteuttamiseksi erilaisia sovelluksia ja aaltoalueita (näkyvästä UV-valosta lämpöinfrapunaan) varten. 

Vuonna 2008 VTT alkoi kehittämään uudenlaista NIR-mikrospektrometriprosessialustaa autoteollisuuden mittauksissa käytettävää sensoria varten. Teknologiamme tärkein kilpailuetu on se, että jännitettyihin kalvoihin perustuvat NIR-alueen monoliittiset mikrotyöstetyt MOEMS-rakenteet ovat rakenteeltaan erittäin kestäviä, ja selviävät jopa 18 000 G:n iskuista rekisteröimättä tärähdyksiä, jotka voisivat vääristää optisia mittauksia.

Esittelemämme ainutlaatuinen FPI-rakenne, jossa peilit koostuvat silikonista ja ilmasta, tarjoaa laajan toiminta-alueen sekä tuo merkittäviä parannuksia muihin säädettäviin suotimiin nähden tällä aaltoalueelle. Lisäksi se nimettiin Journal of Micromechanics and Microengineering -lehden vuoden 2012 kohokohdaksi.

Olemme jo esitelleet FPI-siruja näkyvän ja NIR-alueen välille sijaitsevalla aaltoalueelle. Yksi tämän aaltoalueen (alempi NIR) eduista on, että siinä voidaan käyttää edullisia silikonipohjaisia detektoreita, jotka tarjoavat herkän ja kustannustehokkaan detektorivaihtoehdon lämpöparistoille ja InGaAs-detektoreille. Alemmalla NIR-alueella toimivat laitteet tarjoavat mahdollisuuksia monenlaisiin terveysalan käyttötarkoituksiin, kuten ihosyöpäendoskopiaan, kudosten happisaturaation (diabetes) mittaamiseen sekä esimerkiksi hampaiden, ihon ja verisuonten analyyseihin.

Uuden ALD-tekniikan (atomic layer deposition) avulla VTT kehitti ensimmäiset näkyvän aaltoalueen Fabry–Perot-interferometrit, jotka paransivat vuonna 2010 resoluutiota huomattavasti aiempiin tällä aaltoalueella käytettyihin FPI-laitteisiin verrattuna, sekä esitteli monoliittisesti integroidun erittäin kompaktin siruspektrometrin. Vaikka näkyvälle aaltoalueelle on tarjolla hilaspektrometrejä, nämä laitteet eivät sovellu kuvantamissovelluksiin eikä niiden valmistusprosessi ole monoliittinen.

Tämä pintojen mikrotyöstämiseen perustuva suuri kestävyys antaa VTT:n MOEMS FPI -mikrospektrometriteknogialle selkeän edun kilpaileviin kaupallisiin miniatyrisoituihin spektrometriratkaisuihin nähden. Kestävyys on erityisen tärkeä piirre tärähtelylle ja liikkeelle altistuvissa ratkaisuissa, kuten auto-, mobiili- ja käsikäyttöisissä sensoreissa, joissa liikkuvia massaosia sisältävät elementit tai detektoririvejä sisältävät hilamikrospektrometrit eivät välttämättä täytä toimintavaatimuksia.

Yksittäisten FPI-sirujen kustannukset voivat jäädä varsin pieniksi, kun niitä valmistetaan suuria määriä MEMS-tuotantomenetelmien avulla. Näin spektrisille sensoreille voidaan keksiä uusia käyttötarkoituksia, joihin nykyisiä pöytäspektrometrejä ei ole aiemmin käytetty niiden korkean hinnan ja suuren koon vuoksi.

Kun spektrometrejä miniatyrisoidaan käsikäyttöisiksi instrumenteiksi, voidaan luoda ratkaisuja vaativiin avaruustutkimuksen ja lääketieteen sovelluksiin sekä vastata suurten kuluttajamarkkinoiden kysyntään mobiilien terveys- ja hyvinvointipalveluiden alalla sekä teollisessa internetissä. Esineiden ja asioiden internet -sovelluksissa voimme luoda ainutlaatuisia älyratkaisuja koteihin ja autoihin uudenlaisten spektrisensorien avulla.

Asiakaspalvelu
Sähköpostiinfo@vtt.fi
Puhelin020 722 7070
Avoinna arkisin klo 9.00 - 11.00 ja 12.00 - 15.00

  

Puhdastila piipohjaisille mikrojärjestelmille

VTT:llä on käytössään maailmanluokan puhdastila, Micronova, joka on täysin varusteltu pii-, lasi- ja ohutkalvopohjaisten mikrojärjestelmien valmistamiseen. 

Lue lisää »