Veijo Hänninen

Anturitekniikan uudet ulottuvuudet

Anturitekniikka ulottuu yksinkertaisista passiivista materiaalipaloista aina juopumuksen tilaa seuraaviin konenäköjärjestelmiin saakka.

Yksinkertaisinkin anturi tarvitsee tulostensa käsittelyjärjestelmän mutta esimerkiksi itsenäisesti liikkuvien alustojen anturijärjestelmät saattavat tuottaa jo niin paljon dataa, että nykyiset prosessorijärjestelmät eivät kykene sitä kaikkea käsittelemään.

Yksinkertaisimmissa antureissa kehitystä tapahtuu erityisesti painoteknisesti edullisesti valmistettavissa antureissa.

Esimerkiksi Åbo Akademin ja Ulmin yliopiston tutkijat ovat kehittäneet täysin painoprosessilla paperille tuotettavan kupariasetaattiperustaisen rikkivetyanturin (H2S).

Anturi osoittaa useiden kertaluokkien suuruisen muutoksen resistanssissa kun se altistetaan rikkivedyn 10 miljoonasosan pitoisuuksille.

Rikkivetyä esiintyy esimerkiksi kemiallisessa metsäteollisuudessa, jätevedenpuhdistamoissa ja kaivosteollisuudessa. Hengitettynä rikkivety voi pahimmissa tapauksissa johtaa kuolemaan kuten viime keväänä kävi Talvivaaran kaivoksella.

Uusien anturien edullisuus, pieni jännite, nopea tunnistusvaste ja toiminta huonelämpötilassa tekevät ne lupaaviksi teollisiin käyttöön kuten esimerkiksi elintarvikkeiden pakkaukseen.

Muovinen magneettikentän anturi

Utahin yliopiston fyysikoiden johdolla on puolestaan kehitetty erittäin halpa ja tarkka magneettikentän anturi.

Uudenlainen magneettiresonanssiin perustuva magnetometri kestää myös lämpöä ja materiaalin ikääntymistä ja toimii huoneenlämmössä eikä sitä tarvitse koskaan kalibroida.

Tämän spintroniikkaan perustuvan anturin perustana on pohjimmiltaan muovimaali eli orgaanisen puolijohdepolymeerin ohutkalvo nimeltään MEH-PPV.

Uusi anturimateriaali sisältää negatiivisesti varattuja elektroneja ja positiivisia aukkoja, jotka vaihtavat spininsä yhden- tai erisuuntaisiksi magneettikentän resonoidessa puolijohdemaalin syötetyn muuttuvan radiotaajuuden kanssa.

Uusi magnetometri voi havaita magneettikenttiä jotka ovat tuhat kertaa heikompia kuin Maan magneettikenttä ja kymmeniä tuhansia kertoja vahvempia. Magneettikentän lukuun ne tarvitsevat aikaa muutaman sekunnin.

Myös Toyohashi University of Technologyn tutkijat ovat kehittäneet herkkiä huonelämpötilassa toimivia magneettikentän antureita.

Niillä voidaan mitata heikkoja magneettikenttiä esimerkiksi lääketieteen sovelluksissa, kuten sydämen ja aivojen toimintaa. Nykyisin tällaisia kuvauksia tehdään suprajohdelämpötiloissa toimivilla antureilla.

Antureiden perustana ovat magnoniset (magnonic) kiteet. Niiden ilmaisuherkkyys on yli kymmenen kertaa suurempi kuin jättimäisen magneto-impedanssielementin (GMI).

Parempia typpioksidiantureita

Iranilaiset ja espanjalaiset tutkijat ovat löytäneet uuden tavan tuottaa typpioksidia (NO2) mittaava nanoanturi. He onnistuivat syntetisoimaan anturiin indiumoksidin (In2O3) nanohiukkasia vaihtovirtaisen elektroforeesimenetelmän avulla.

Typpidioksidi on ilmansaaste ja sitä syntyy energian tuotannon, teollisuuden ja liikenteen savukaasupäästöistä. Indiumoksidi tunnetaan puolijohdeoksidina, joka sopii kaasujen tunnistamiseen matalissa lämpötiloissa.

Uusi nanoanturi tarjoaa enemmän tilaa kaasun kululle koska toisiinsa ketjumaisesti liittyvät nanopartikkelit tuottavat rakenteeseen huokosia. Tämä seikka tuottaa nanoanturiin paremman ja nopeamman vasteen verrattuna muihin antureihin.

Herkkiä optisia ilmaisimia

Grafeenia tutkitaan maailmalla innokkaasti ja sen yksi tulevaisuuden lupauksista liittyykin anturitekniikoihin.

Grafeeni on houkutteleva materiaali käytettäväksi esimerkiksi optisissa ilmaisimissa koska se imee valoa keski-infrapunasta ultravioletteihin aallonpituuksiin lähes yhtä vahvasti.

Siten sen ajateltiin sopivat myös lämpösäteilyn mittauslaitteisiin eli bolometreihin. Kuitenkaan grafeeni ei sellaisenaan toiminutkaan lämpösäteilyn anturina vaan tutkijat ovat joutuneet kehittämään tarkoitukseen paremmin sopivan kaksikerroksisen grafeenianturin.

Sellaisella onkin sitten saavutettu monta kertaa perinteisiä laitteita pienempiä kohina-arvoja sekä kolmesta viiteen kertaluokkaa parempia nopeuksia kuin kaupallisissa piibolometreissa ja suprajohtavien Transition-Edge antureiden laitteissa.

Infrapuna-anturi hiilinanoputkista

Ryhmä kiinalais-amerikkalaisia tutkijoita on nyt kehittänyt erittäin herkän jäähdytystä kaipaamattoman infrapunailmaisimen. Yleensä herkät infrapunailmaisimet vaativat toimiakseen konstikkaan jäädytysjärjestelmän.

Tämä fotoni-tyyppinen anturi on valmistettu yksiseinämäisistä hiilinanoputkista.

Hiilinanoputkilla on vahva ja laajakaistainen infrapunavalon absorbtiokyky, jota voidaan säädellä valitsemalla halkaisijaltaan erilaisia nanoputkia. Koska hiilinanoputkilla on korkea elektronien liikkuvuus, uudenlainen anturi reagoi erittäin nopeasti, käytännössä pikosekunneissa.

Tutkijoiden mukaan ilmaisin osoittaa hyväksyttävää herkkyyttä huonelämpötilassa ja sitä voi vielä parantaa kasvattamalla hiilinanoputkien tiheyttä.

Anturin rakenne eliminoi jäähdytyksen koska hiilinanoputket emittoivat huoneen lämpötilassa verrattain vähän omaa infrapunasäteilyä ja erityisesti silloin kun ne ovat jollain alustalla. Lisäksi ne ovat erittäin hyviä lämmönjohteita, joten lämpö ei kerry ilmaisimeen itseensä.

Korkeiden lämpötilojen mittauksia

Toyohashin teknillisen yliopiston tutkijat ovat jatkokehitelleet Hall-ilmöön perustuvia magneettikentän antureita.

Heidän tuottamansa uudenlaiset mikro-Hall -anturit toimivat ainakin 400 Celsius-asteen lämpötiloissa ja erittäin vahvoissa säteilyolosuhteissa. Ne perustuvat galliumnitridipohjaiseen heterorakenteeseen jossa on kaksiulotteista elektronikaasua.

Pii ja III-V yhdistepuolijohteisiin perustuvia Hall-tyyppisiä magneettikentän antureita käytetään yleisesti pyörivien laitteiden ohjauksiin mutta tähän asti niitä ei ole voitu käyttää avaruudessa ja ydinvoimalaitoksissa koska näissä ympäristöissä on suuria lämpötilavaihteluita ja haitallista säteilyä.

Ryhmä Case Western Reserve Universityn insinöörejä on puolestaan kehittänyt integroidun vahvistinpiirin, joka toimii aina 600 asteen lämpötiloissa. Vahvistin perustuu piikarbidiin, joka näissä lämpötiloissa toimii puolijohteena.

Anturin ja vahvistimen sisältävällä ratkaisulla on suunniteltu korvattavan korkeissa lämpötiloissa käytettyjä perusantureita, joiden pitkät liitäntäjohdot tuottavat mittauksiin helposti häiriöitä.

Yksinkertainen termopari

Pekingin yliopistossa on kehitetty lämpötilan termoparianturi joka koostuu vain yhdestä kalvolle tuotetusta metallikerroksesta (Ni, Pd, W tai Pt). Sen rakenne haastaa pitkään vaikuttaneen konseptin ja saattaa johtaa uuden laitetyypin kehitykseen.

Nämä yksimetalliset (SMTC) termoparit voivat olla nopeasti sovellettavissa erityisesti joustaville alustoille ja korkeisiin lämpötiloihin. Niiden avulla voidaan toteuttaa edullisesti kaksiulotteiseen matriisiin perustuvia lämpötila-antureita.

Testauksissa niitä on käytetty, materiaalista riippuen, yli 300 ja 400 Celsius-asteen lämpötiloissa.

Tarkkoja kaasumittauksia

Purdue Universityn tutkijat ovat selvittäneet kuinka parantaa pienten värähtelevien mikroulokepalkkiin perustuvien anturien suorituskykyä havaita kemiallisia ja biologisia aineita.

Mikropalkkianturit saatetaan värähtelemään resonanssitaajuudellaan ja analysoinnissa taajuuden muutos, kun partikkeli laskeutuu mikropalkille paljastaa hiukkasen läsnäolon ja mahdollisesti sen massan ja koostumuksen.

Aiempaa pienempien antureiden luonti on ollut vaikeaa koska taajuuden muutoksen mittaustapa ei toimi kovin hyvin, kun anturin koko pienenee.

Purduen tutkijat kiersivät ongelman mittaamalla taajuuden sijaan amplitudia tai sitä kuinka kauan mikropalkki liikkuu. Amplitudin avulla mittaaminen on paljon helpompaa kuin taajuuden avulla koska se muuttuu dramaattisesti, kun hiukkanen laskeutuu mikropalkille, kun taas taajuuden muutos on minimaalista.

Uuden lähestymistavan avulla voidaan rakentaa antureita, joilla voidaan mitata hiukkasia, joiden massa on pienempi kuin yksi pikogramma huonelämpötilassa ja ilmakehän paineessa.

Niille löytynee sovelluksia hengitysilman analysaattoreissa, teollisuudessa ja elintarvikkeiden jalostuksessa sekä ruoan ja veden laadun seurannassa.

Nanotekninen koiran nenä

University of California, Santa Barbaran tutkijat ovat suunnitelleet ilmaisimen, joka hyödyntää nanoteknologiaa matkiakseen koiran tuoksureseptoreiden mekanismia.

Tutkijoiden kehittämällä laitteella on vähintään yhtä hyvä herkkyys kuin koiran hajuaistilla. Laite voi havaita esimerkiksi ilmassa olevia TNT-pohjaisesta räjähteistä peräisin olevia kemiallisia molekyylejä. Se kykenee reaaliaikaisesti tunnistamaan tietyn tyyppisiä molekyylejä jopa alle miljoonasosan pitoisuuksina.

Koirien biologinen haistelumekanismi, joka imee ja sitten tiivistää ilmassa olevia molekyylejä hajuaistin limakerrokselle on inspiroinut tutkijoita.

Kehitetty tekniikka yhdistääkin mikrofluidistiikkaa ja Raman-spektroskopiaa (SERS) keräämään ja tunnistamaan molekyylejä.

Mikrokanavaan imeytyneet molekyylit ovat vuorovaikutuksessa nanopartikkeleiden kanssa, jotka laservalolla viritettynä vahvistavat niiden ominaisspektriä. Erilaisten spektrien tietokanta tunnistaa sitten millainen molekyyli on kyseessä.

Sovelluksina voisivat tulla kyseeseen esimerkiksi sairauksien diagnosointi tai huumeiden ja pilaantuneiden elintarvikkeiden havaitsemiseen. Teknologia on jo patentoitu ja lisensoitu SpectraFluidics yritykselle.

Paineanturi nanoteknologialla

Pienikokoisia paineantureita käytetään esimerkiksi lääketieteellisissä valvomassa potilaan verenpainetta. Useimmat pienet paineanturit perustuvat pietsoresistiivisiin materiaaleihin mutta ne eivät ole erityisen herkkiä ja ne kehittävät harmillisen paljon sähköistä kohinaa.

Sen sijaan nanolangoilla on paineantureihin sopivia sähköisiä ja mekaanisia ominaisuuksia, joten singaporelaisen A*STAR tutkimuslaitoksen tutkijat ovatkin kehittäneet niihin perustuvan herkän paineanturin.

Nanolankojen vahvaa pietsoresistiivistä ilmiötä hyödyntäen tutkijat sijoittivat SOI-alustalle kahden elektrodin väliin kaksi piinanolankaa. Langat ovat parisataa nanometriä pitkiä ja noin 10 nanometriä paksuja ja piinitridistä ja piidioksidista tehtyyn painekalvoon liitettyinä ne muodostivat nanosähkömekaanisen paineanturin, jonka tunnistinelementtinä on nanolankainen kenttävaikutustransistori (NWFET).

Tutkimuksen aikana anturi saatiin mittaamaan alhaisiakin paineita hyvällä signaali-kohinasuhteella ja tutkijat uskovat, että kehitetty ratkaisu on lupaava vaihtoehto sovelluksille joissa vaaditaan pieniä paineantureita ja pientä tehonkäyttöä.

Kosketukseton interaktiivinen näyttö

Kosketusnäyttö vaatii fyysisen kosketuksen mutta Samsung Advanced Institute of Technologyn, Cambridge Universityn ja London Centre for Nanotechnologyn tutkijat ovat kehittäneet tekniikan joka mahdollistaisi näyttöön sijoitettavat valoanturiryhmät. Näin ne tunnistaisivat mihin kohtaan näyttöä pelkkä varjostus osuu.

Oksidipuolijohteet tunnetaan optisesta läpinäkyvyydestään ja ne voidaan periaatteessa muokata valojohteiksi tai valoanturiksi. Tällöin niillä on kuitenkin niin hitaat vasteajat, ettei se sovellu näyttösovelluksiin.

Nyt tutkijat ovat edistäneet ratkaisua kehittämällä amorfisen oksidipuolijohteisen ohutkalvovalotransistorin (photo-TFT), joka voi tuottaa suoran ohjauksen aktiivisessa kerroksessa.

Lisäksi he onnistuivat poistamaan perusmateriaalin hitauden lyhytkestoisella jännitepulssilla sekä integroimaan transistoreista muodostetun valoanturiryhmän läpinäkyväksi ja nopeasti toimivaksi aktiivimatriisiksi.

Seuraavan sukupolven kiihtyvyysantureita

California Institute of Technology (Caltech) ja University of Rochesterin tutkijat ovat kehitellet erittäin herkkää uuden sukupolven kiihtyvyysanturia.

Nykyiset kiihtyvyysanturit mittaavat liikettä joustavasti asennetun tunnetun massan avulla luennan tapahtuessa elektronisesti yleensä kapasitanssin avulla. Koska laservalo on yksi herkimmistä tavoista mitata paikkaa, on labroissa mietitty miten vastaava laite voitaisiin toteuttaa optisella luennalla.

Toisin kuin aiemmin on arveltu, optisen interferometrin konsepti voitaisiin skaalata piimikrosirulle nanomittoihin. Kun laitteen mittamassa liikkuu se muuttaa heijastuvan laservalon intensiteettiä jolloin jopa femtometrien siirtymät tulevat havaituksi.

Lisäksi kävi ilmi, että näin pienillä rakenteilla laservalo pehmentää ja vaimentaa mittamassan liikkeitä. Useimpien antureiden toimintaa rajoittaa lämpökohina tai mekaaninen värinä jolloin pienimmät kiihtyvyydet peittyvät kohinaan. Tutkijoiden kehittämässä laitteessa, valon siihen kohdistama voima pyrkii vähentämään lämpöliikettä eli jäähdyttää järjestelmää.

Higgsin bosonin löytäjä

Norjalaisen SINTEF-tutkimusorganisaation tutkijoiden kehittämä (silicon drift diode) SDD-tyyppinen siruanturi osallistui kesällä Higgsin bosonin löytämiseen. Tämä säteilyanturi voi paljastaa materiaalien koostumuksen sekunnin murto-osassa ja sille löytyy käyttöä muun muassa lääketieteen röntgenjärjestelmistä tai taiteen ja arkeologian parissa.

Anturi koostuu kaksipuolisesta mikrorakenteesta, joka on valmistettu piidioksidikiekolle. Piirin valmistus kestää kahdeksan viikkoa ja sen on tapahduttava erittäin puhtaassa ympäristössä.

Anturin käyttö perustuu spektroskopiaan, jossa valo lähetetään läpinäkyvän objektin läpi ja sen toiselta puolelta anturi lukee valon muutoksista sen ominaisuuksia.

Tuplaydinkuitu mittaa paineita

Southamptonin yliopistossa toiminut tutkijaryhmä on kehittänyt tuplaytimisen valokuidun, joiden valoa kuljettavat ytimet riippuvat alle yhden mikrometrin päässä toisistaan​​. Niille löytyy käyttöä tietoliikenteen parista mutta ne toimivat myös antureina.

Kuidun joustava tukijärjestelmä reagoi helposti pieneenkin painemuutokseen, jolloin kaksi ydintä siirtyvät lähemmäksi tai etäämmälle toisistaan. Siten paineen avulla voi hallita milloin ja miten valosignaalit siirtyvät yhdestä ytimestä toiseen.

Tällaisen eräänlaisen MEMS-rakenteisen kuidun avulla voitaisiin toteuttaa myös pitkiä rakenteiden muutoksia seuraavia antureita esimerkiksi siltoihin, patoihin ja muihin rakennuksiin.

Optisista kuiduista materiaalien hermosto

Optisia kuituja käytetään tietyissä sovelluksissa muun muassa lämpötilan mittauksiin. Tähän asti dataa on voitu kerätä pisteistä, jotka ovat noin metrin etäisyydellä toisistaan.

Sveitsiläisessä EPFL-yliopistossa kehitetty uusi tekniikka tekee mahdolliseksi kerätä tietoja huomattavasti paremmalla tarkkuudella ja monipuolisemmin kuin aiemmin.

Menetelmä avaa uusia sovellusmahdollisuuksia, erityisesti paljon pienemmissä esineissä kuin nykyään. Nyt mittaukset voidaan tehdä jopa senttimetrin välein.

Erityisesti uusi tekniikka mahdollistaa käyttää optisia kuitumittauksia pienemmissä esineissä kuten roboteissa, kodinkoneissa tai suksissa.

Käytännössä järjestelmä asettaa kuidun tietynlaiseen resonanssiin lähettämällä siihen laserilla valonsäteen kuidun kummastakin päästä. Nämä valoaallot tuottavat akustista värähtelyä, joka muuttuu lämpötilan funktiona.

Juoppojen skannausta lämpökameralla

Lämpökuvaustekniikka käytetään jo varsin monissa teollisuuden ja turvatekniikan sovelluksissa. Uusin keksintö on, että sitä voitaisiin käyttää juoppojen tunnistamisessa ennen kuin heistä tulee riesaa baareissa, lentokentillä tai muissa julkisissa tiloissa.

Kasvoista tehtävää lämpökuvausta on käytetty lentokentillä muun muassa SARS-epidemian aikoihin. Lämpökuvauksella pystytän mittamaan ihmisistä myös lihasten arkuutta ja ruskean rasvakudoksen määrää.

Kreikkalaisen Patrasin yliopiston tutkijat ovat kehitelleet ohjelmistoa, joka voi määrittää, onko henkilö nauttinut liikaa alkoholia. Järjestelmä perustuu henkilön kasvojen eri osissa oleviin suhteellisiin lämpötiloihin.

Työryhmä on kehittänyt kaksi algoritmia, jotka rinnakkain toimiessaan, voivat nopeasti skannata henkilön humalatilan syvyyden hänen tullessa julkisiin tiloihin ja yrittäessä ostaa lisää alkoholia.

Tehoa anturidatan käsittelyyn

Monilla liikkuvilla sotilastietojärjestelmillä on rajalliset laskennalliset valmiudet vähäisen sähkötehon, lämmöntuoton sekä koon ja painon suhteen olevien rajoituksien takia.

Täten monissa tiedustelu-, valvontajärjestelmissä on antureita, jotka keräävät enemmän tietoa kuin voidaan käsitellä reaaliaikaisesti.

Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) -toimisto käynnistikin viime vuonna Power Efficiency Revolution For Embedded Computing Technologies (PERFECT) -ohjelman, jonka tarkoituksena on tuottaa taistelukoneissa tarvittava tehohyötysuhde sulautetuille järjestelmille.

Kun nykyisten sulautettujen järjestelmien prosessorien tehohyötysuhde on noin 1 giga liukulukutoimintoa sekunnissa wattia kohti (GFLOPS/w) niin viisivuotisen ohjelman tavoitteena on vähintään 75 GFLOPS / watti.

Tutkimusohjelman lähestymistapana on lähes kynnysjännitteellä toimivat transistorit ja massiivisen heterogeenisen prosessoinnin samanaikaisuus.

Ohjelma pyrkii hyödyntämään myös teollisuuden odotettavissa olevaa seitsemän nanometrin valmistusgeometriaa. Yhdeksi tutkimusosapuoleksi DARPA on valinnut grafiikkaprosessoreistaan (GPU) tunnetun NVIDIA-yhtiön.

Tammikuu 2013