Rikoimme väitöskirjassani kolme maailmanennätystä, kertoo Tapio Pernu.
Tapio Pernu teki väitöskirjansa VTT:llä ryhmässä, joka oli keskittynyt pienenpieniin MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) -antureihin. Näitä piikiekolta valmistuvia mikroskooppisen pieniä mikroelektroniikkakomponentteja on esimerkiksi nykykännykkä pullollaan: mikrofoni, kiihtyvyysanturit, gyroskooppi, kompassi, kameran kuvakenno, ilmanpaineanturi.
Yksi väitöskirjan maailmanennätyksistä oli maailman herkin kaasuvirtausmittauksessa käytettävä kapasitiivinen MEMS-paineanturi. Kapasitiivinen paineanturi on rakenteeltaan kuin hyvin herkkä kondensaattori, jonka toinen levy liikkuu paineen vaikutuksesta. Kondensaaattori taas on pieni sähkövarasto. Mikrosysteemien rakenneosat mitataan nano- ja mikrometreissä.
Pernun anturin painetta aistivan piikalvon halkaisija on 800 mikrometriä, paksuutta on yksi mikrometri, siis millimetrin tuhannesosa.
– Se on kuin kahdeksan metrin mittainen silta, joka on sentin paksuinen, hän havainnollistaa.
Kun paineen muutos taivuttaa kalvoa, aistii mittauselektroniikka sen sähkökentän eli kapasitanssin muutoksena. Pernun ja hänen kollegoidensa 1,5 x 2 millimetrin kokoiselle piisirulle pakkaaman anturin mittaustarkkuus, +–0,85 prosenttia, löi laudalta vastaavat kaupalliset tuotteet. Toinen valtti on, ettei anturi tarvitse lämpötilakalibrointia, kuten nykytuotteet.
– Kalibrointi on merkittävä kuluerä, jopa 30 prosenttia anturin valmistuskustannuksista.
Entä ne kaksi muuta maailmanennätystä? Ne taas rikottiin väitöskirjan kahdessa seuraavassa artikkelissa.
Tutkimusartikkelit esittelivät kaksi eri tekniikalla toteutettua ultraäänipohjaista anturia, jotka pystyvät mittaamaan ennätyspieniä kaasuvirtauksia. Mikrokokoinen ultraäänilähetin, vastaanotin ja tutkijoiden niitä varten rakentama mittauselektroniikka kertovat, miten nopeasti ultraäänisignaali kulkee kaasuvirtauksessa.
– Virtaus muuttaa äänen kulkuaikaa. Mitä suurempi virtaus, niin sitä nopeammin ääni kulkee, Pernu yksinkertaistaa toimintaperiaatetta.
Anturi pystyy mittaamaan prosentin tarkkuudella hyvin pieniä kaasuvirtauksia.
– Virtaus voi olla vain 50 millilitraa minuutissa, kehaisee Pernu.
Tarkkuus riittäisi lääketieteellisiin mittauksiin. Kaupallista potentiaaliakin on, sillä vastaavia tuotteita ei tällä hetkellä markkinoilla ole.
(Juttu jatkuu kuvan jälkeen.)
Tekniselle sivistykselle on käyttöä
Tapio Pernu päätti hypätä yrittäjän uralle, kun väitöstyö oli viittä vaille valmis. Kesällä 2024 hän, silloinen VTT:n Senior Scientist, päätti kahdeksanvuotisen tutkijanuransa ja perusti Snowbyte-suunnitteluyrityksen. Sulautetun elektroniikan suunnittelutoimisto yhdistää tutkimusosaamisen, elektroniikan, mekaniikan, ohjelmistot ja testauksen toimivaksi kokonaisuudeksi ja työllistää seitsemän henkeä.
– Erikoisalaamme on erittäin pienikohinaisen elektroniikan suunnittelu. Sitä tarvitaan esimerkiksi anturikehityksessä.
Joulukuussa 2025 yritys sai toisenkin tohtorin, kun toimitusjohtaja Pernu puolusti väitöstilaisuudessa ansiokkaasti väitöskirjaansa.
Korkeimmalle tekniselle sivistykselle on käyttöä, sillä yrityksen asiakkaita on esimerkiksi Vaisala – Pernun työnantaja reilun kymmenen vuoden takaa – sekä Arctic Instruments, joka suunnittelee ja valmistaa parametrivahvistimia kvanttitietokoneisiin.
– Me ymmärrämme myös fysiikan mittausten taustalla, miten suuretta voisi mitata, jos valmista anturia ei kaupan hyllyltä löydy, Pernu kertoo.
Pernu vilauttaa myös Snowbyten ensimmäistä tuotetta, jossa on hyödynnetty hänen väitöskirjansa oppeja. Yrityksen laboratoriotilassa kiemurtelee yli 50 metriä ilmastointiputkea, johon kätkeytyy yrityksen kehittämiä ultraäänipohjaisia virtausmittareita.
Talotekniikan tarpeisiin suunniteltu anturi asennetaan ilmastointikanavan pintaan, eikä se häiritse nuohousta. Tulevaisuus näyttää, syntyykö siitä menestystuote LVI-urakoitsijoiden ja ilmanvaihtokonevalmistajien keskuudessa.
Tutkimuksen kaupallistaminen kestää
Väitöskirjassa kehitetyn uudenlaisen mikroelektroniikan kaupallistamiseen eivät sen sijaan pienen – eikä monen suuremmankaan – yrityksen rahkeet riitä.
Vain VTT:n kaltaiset tutkimusorganisaatiot tekevät näin korkean riskin tutkimushankkeita, sillä ensimmäisten MEMS-anturiprototyyppien valmistus on huikean kallista. Se tapahtuu puhdastiloissa massatuotantoon suunnitelluilla puolijohdevalmistuksen menetelmillä.
– Jotta voit kaupallistaa MEMS-komponentin, sitä pitäisi pystyä myymään miljoonia kappaleita.
Paineanturia varten VTT:n tutkijoiden piti kehittää myös uusi rakennekerros atomikerroskasvatusta hyödyntäen. Se estää anturin mikrometrin ohuita piikalvoja tarttumasta toisiinsa.
Toivoa kuitenkin on, että Pernun väitöskirjan toimiviksi osoittautuneita MEMS-antureita vielä nähdään osana tulevaisuuden elektroniikkaa. Idea pitäisi vain saada myytyä jollekin isolle anturivalmistajalle, jolle olisi hyötyä esimerkiksi siitä, etteivät valmistuslinjalta tulevat paineanturit tarvitse lämpötilakalibrointia.
Pernu muistuttaa, että tutkimushankkeiden tie kaupallisiksi tuotteiksi saattaa viedä helposti 10–20 vuotta. Hän ottaa esimerkiksi toisen mikroelekroniikkakomponentin, kvartsikiteitä korvaavat MEMS-resonaattorit, joiden kehitystyö alkoi Aalto-yliopistolla ja VTT:llä 1990-luvun lopulla.
Nämä elektroniikkaa tai prosessoreita tahdistavat piipohjaiset komponentit ovat entistä pienempiä, edullisempia ja kellotaajuudeltaan tarkempia. Niiden maailmanvalloitus on kuitenkin vasta alkamassa.
(Juttu jatkuu kuvan jälkeen.)
Vakaa. Markkinoilla olevien MEMS-paineanturien mittauslukemat muuttuvat lämpötilan noustessa tai laskiessa. Lukemia pitää korjata ohjelmallisesti eri lämpötilassa mitattujen kalibrointiarvojen mukaan. Tapio Pernun väitöskirjan maailman herkin kapasitiivinen MEMS-paineanturi ei sen sijaan tarvitse tehdaskalibrointia.
Tapio Pernun tie tekniikan tohtoriksi
- 1983. Tapio Pernu syntyy Kouvolassa.
- 1999. Aloittaa lukion ja ammattikoulussa elektroniikan opinnot.
- 2002. Valmistuu tietotekniikan mekaanikoksi. – Sulautettujen järjestelmien opettaja Jari Koskinen oli hauska ja inspiroiva. Sain käytännön ymmärrystä enemmän kuin ammattikorkeassa tai yliopistossa.
- 2003. Ylioppilastodistus kouraan.
- 2005. Aloittaa insinööriopinnot Kotkan ammattikorkeakoulun elektroniikkalinjalla.
- 2009. Pernu valmistuu ammattikorkeakoulusta insinööriksi.
- 2011. Kahden työvuoden jälkeen takaisin koulun penkille Aalto-yliopistoon DI-opintoihin.
- 2017. Tapio Pernu valmistuu elektroniikka-alan DI:ksi ja aloittaa tohtoriopinnot VTT:llä työskentelyn ohessa.
- 2024. VTT:n Senior Scientist Pernu perustaa Snowbyte-suunnitteluyrityksen.
- 2025. Väitöstyö. ”High Sensitivity MEMS Sensors for Air Flow Measurement” hyväksytään.
Mitä haluaisit saada aikaan tekniikan tohtorina?
– Haluaisin saada innovaatioita jalkautettua, tuottamaan hyötyä yhteiskunnalle.
Suosikkileikkikalu?
Kynä. – Suunnittelu lähtee usein liikkeelle fläppitaululta, ja harrastan myös sarjakuvien piirtämistä.
Lempiharrastus?
Piirtäminen – Se on jäänyt harmillisen vähälle lapsiperhearjen keskellä. Nyt vapautui tosin vähän kaistaa, kun väitöskirja valmistui.
VTT:n opeilla yrittäjäksi
Ovatko tutkijan työt tuoreella yrittäjällä lopullisesti ohi?
– Ei ole. Meidän projekteissamme joutuu menemään välillä aika pitkälle tieteen syvään päätyyn, että asiakkaan ongelma saadaan ratkaistua. Tämä ei ole akateemista tutkimusta, mutta samoja työkaluja ja menetelmiä käytämme, kertoo Tapio Pernu.
Hän muistelee lämmöllä kahdeksaa vuotta VTT:n mikroelektroniikan tutkimusryhmässä.
– Sain tehdä töitä tosi kovien ammattilaisten kanssa. Aluksi olin enemmänkin oppipoikana.
Myös tutkimusympäristö ja laitteet ovat huippuluokkaa.
– Jos on luonteeltaan Pelle Peloton ja haluaa tutkia ja löytää uusia asioita, niin siellähän on kuin lapsi karkkikaupassa.
Pernu arvelee, että harvassa työpaikassa on samanlaista mahdollisuutta miettiä oman firman perustamista. Siihen jopa kannustetaan, on tarjolla apua rahoituksen hankintaan ja oma yrityskiihdyttämö.
– Jos on yrittäjämindsettiä ja halu lähteä kaupallistamaan tutkimustaan, niin VTT on unelmatyöpaikka.