Väitös mikro- ja nanotekniikan alalta, DI Tapio Pernu

Väitöskirjan nimi: High Sensitivity MEMS Sensors for Air Flow Measurement

Väittelijä: Tapio Pernu
Vastaväittäjä: Prof. Matti Mäntysalo, Tampereen yliopisto
Kustos: Prof. Ilkka Tittonen, Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulu

Väitöskirjassa on kehitetty uusia mikroelektromekaanisia (MEMS) antureita pienten kaasuvirtauksen ja paine-erojen mittaukseen. Tutkimus keskittyy kolmeen innovatiiviseen anturityyppiin: kapasitiiviseen paine-eroanturiin, pietsosähköiseen ultraäänianturiin (pMUT) ja kapasitiiviseen ultraäänianturiin (cMUT). Näitä antureita tarvitaan esimerkiksi rakennusten ilmanvaihdossa, lääketieteellisissä laitteissa ja teollisuuden prosesseissa.

Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää erittäin herkkiä ja lämpötilavakaita antureita, jotka mahdollistavat tarkan mittauksen ilman kallista tehdaskalibrointia. Perinteiset paine-eroanturit ja lämpömassavirtausmittarit vaativat usein tehdaskalibroinnin ja ovat herkkiä ympäristöolosuhteiden muutoksille.

Väitöskirjan ratkaisut sijoittuvat MEMS-antureiden kehityksen kärkeen erityisesti pienten paineiden- ja virtausten sovelluksissa. Kehitetty kapasitiivinen paine-eroanturi saavuttaa mittausvirheen ±0.85 % painealueella 0–500 Pa lämpötila-alueella 0–50 °C ilman lämpötilakalibrointia ja -kompensointia. pMUT-pohjainen virtausanturi mittaa erittäin matalia virtausnopeuksia (±50 sccm) 0.2 %:n tarkkuudella huoneenlämpötilassa, ja cMUT-pohjainen anturi saavuttaa 1.1 %:n tarkkuuden 0–50 °C lämpötila-alueella. Lisäksi cMUT-anturissa esiteltiin uusi reaaliaikainen taajuuden sovituspiiri, joka vähentää lämpötilasta johtuvaa nollavirtausryömintää.

Tutkimus tuo uutta tietoa MEMS-ultraäänitekniikan soveltuvuudesta erittäin matalien virtausnopeuksien mittaukseen sekä virtausmittauksessa käytettävien paine-eroantureiden lämpötilavakauden parantamisesta. Uudet ratkaisut mahdollistavat kustannustehokkaammat ja luotettavammat anturit esimerkiksi rakennusten ilmanvaihdon, lääketieteellisten laitteiden ja teollisuuden ohjaukseen.

Tulosten perusteella MEMS-ultraäänitekniikka ja kapasitiiviset paine-eroanturit tarjoavat merkittäviä etuja perinteisiin teknologioihin verrattuna: ne ovat tarkkoja, lämpötilavakaita ja tarjoavat suuren potentiaalin tehdaskalibroinnin tarpeen poistamisen.

Avainsanat: MEMS, paine-eroanturi, cMUT, pMUT, ultraääni, ilmavirtausanturi

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aaltodoc 

Yhteystiedot: tapio.pernu@snowbyte.fi