Integroidut optiset piirit (PIC-piirit) minimoivat puettavan teknologian kustannukset, energiankulutuksen ja koon. Rockley Photonics kehittää yhdessä VTT:n kanssa alaa mullistavia antureita ja aloittaa niiden massatuotannon.
Lyhyesti
Monikäyttöiset, puettavat terveys- ja hyvinvointilaitteet ovat nyt kuluttajille edullisia.
Puettavat anturit voisivat muodostaa integroidun fotoniikan suurimmat markkinat.
Paksujen piivalokanavien ansiosta voidaan luoda erittäin laajalla aallonpituusalueella toimivia antureita, jotka ovat tarkkoja, pieniä ja energiatehokkaita.
Integroidun fotoniikan pioneerin Andrew Rickmanin vuonna 2013 perustama Rockley Photonics on integroidun fotoniikan eturintamassa. Se hyödyntää kahden entisen piifotoniikkayhtiön, Bookhamin ja Koturan, perintöä. Listauduttuaan pörssiin SC Healthin kanssa toteutetun SPAC-fuusion myötä elokuussa 2021 yhtiö on ollut noteerattuna New Yorkin pörssissä (NYSE) yli miljardin dollarin lähtöarvolla.
Piifotoniikan potentiaali kuluttajasovelluksissa on suuri
Rockley yhdistää integroidut optiset piirit (PIC-piirit) kehittyneisiin mikroelektroniikkapiireihin (IC) kehittääkseen pienikokoisia optisia antureita, jotka toimivat hyvin kuluttajasovelluksissa.
Useimmat integroidun fotoniikan alalla toimivat yritykset kehittävät PIC-piirejä, joissa on mikrometrikokoluokkaa pienempiä valokanavia. PIC-piirejä on käytetty pääasiassa nopeassa optisessa tiedonsiirrossa datakeskuksissa sekä jossain määrin teollisessa ja lääketieteellisessä kuvantamisessa ja laserkuvantamisessa (LiDAR).
Rockley Photonics on kuitenkin visioinut paksuihin piivalokanaviin perustuvan alustan mahdollisuuksia. Tämä laajentaisi piifotoniikan käyttökohteita useammanlaisiin volyymisovelluksiin, erityisesti kuluttajalaitteisiin. Yritys on keskittynyt tutkimaan ja kehittämään puettavia antureita, joilla pystytään mittaamaan useita biometrisiä arvoja samanaikaisesti ja joita voidaan käyttää monenlaisissa laitteissa.
Mikrometrikokoluokan (>1 µm paksuus) piivalokanavat sopivat hyvin kuluttajatuotteisiin. Paksujen valokanavien käyttäminen
- minimoi optiset häviöt
- helpottaa III–V-laserdiodien tiivistä integrointia
- parantaa aallonpituuden tarkkuutta ja täsmällisyyttä, mikä parantaa valmistettavuutta
- pitää sirukoon pienenä.
Paksujen valokanavien ansiosta voidaan myös käyttää monia eri aallonpituuksia. Tämä ominaisuus on ratkaisevan tärkeä valvottavien biomarkkereiden valikoiman laajentamiselle sekä sellaisen alustan luomiselle, jota voidaan soveltaa monenlaisiin tuotteisiin puettavan kuluttajateknologian ja lääketieteellisen teknologian markkinoilla.
T&k-yhteistyön ensimmäiset vaiheet
Rockley Photonics on alusta asti ulkoistanut valmistuksen. Sen sijaan, että Rockley käyttäisi resursseja omaan tuotantolaitokseensa, se on keskittynyt huippututkimukseen ja kehittämään parasta mahdollista mukautettua piifotoniikka-alustaa.
Rockley tarvitsi kumppanin optisten piirien valmistamiseen piikiekoille, mutta ketterän tutkimus- ja kehitystyön yhdistäminen massatuotantoon on helpommin sanottu kuin tehty. Laajan tuotannon mikroelektroniikkavalmistajat eivät mielellään tarjoa pienimuotoista tutkimus-, kehitys- ja pilottitoimintaa. Pienemmät laitokset, kuten yliopistolaboratoriot, taas eivät yleensä voi tarjota nopeita läpimenoaikoja, prosessien toistettavuutta, hyvää saantoa ja kaupallisia valmistuspalveluja.
Onneksi VTT:n puhdastila Micronova tarjosi joustavia tutkimus- ja kehityspalveluja ja pilottituotantoa yhdistettynä 17 vuoden kokemukseen mikrometrikokoluokan piivalokanavateknologian kehittämisestä. T&k- ja pilottituotannon lisäksi VTT tarjosi mahdollisuuden siirtää teknologiaa suuriin tuotantolaitoksiin.
Tästä syystä Rockley on ollut VTT:n kanssa yhteistyössä vuodesta 2014 lähtien tutkimus- ja kehitystoiminnassa sekä toteutettaessa sen nopean piifotoniikan prototyyppi- ja kaupallistamistarpeita.
Täydentävää osaamista ja laitteistoja
VTT oli ihanteellinen kumppani Rockleylle, sillä VTT:llä oli
- vahva mikrometrikokoluokan piiifotoniikan osaaminen
- valmistus- ja testauslaitteet tutkimukselle, jossa kehitetään ja jalostetaan Rockleyn prosesseja
- Micronova-puhdastilojen pienimuotoisen pilottituotannon prosessilinja
- laaja kansainvälisten tutkimus-, kehitys- ja kaupallistamiskumppaneiden yhteysverkosto.
Vain harva organisaatio maailmassa pystyi tarjoamaan sekä mikrometrikokoluokan piivalokanavien tutkimus- ja kehitystyötä että niiden valmistuspalveluita, eikä kenelläkään ollut VTT:n kerryttämää asiantuntemusta tällä alalla. VTT:n osaamisesta on ollut suurta apua Rockleylle pyrkimyksessä aloittaa fotoniikkapohjaisten anturiratkaisuiden massatuotanto.
Rockley perusti yksikön ja muodosti tiimin VTT:n tiloissa. Yhdessä yritykset aloittivat kehitystyön ja loivat prototyypit Rockleyn piifotoniikasta ja valmistusprosesseista tukien myös siirtymistä suurempiin tuotantolaitoksiin. Rockley halusi projektien etenevän nopeasti ja siirtyvän demovaiheeseen mahdollisimman pian.
Ymmärsimme välittömästi kumppanuuden tuomat mahdollisuudet ja vaatimukset ja kasvatimme tiimiämme pikaisesti, jotta voisimme ryhtyä nopeaan ja joustavaan yhteistyöhön Rockleyn kanssa.
Nopea kasvu antureiden massatuotantoon
VTT:n avulla Rockley kehitti PIC-alustaansa, kasvatti omaa monialaista tekniikkatiimiään ja kehitti kokonaisvaltaisia ”klinikka ranteessasi” anturiratkaisuja.
VTT keskittyi tuotteiden valmistamiseen ja tukemaan jatkuvaa sponsoroitua tutkimusta, kehittämistä ja testaamista PIC-tekniikkaprosessin pohjalta, kun taas Rockley johti PIC-piirien suunnittelua sekä osallistui anturituotteisiin tarvittavan elektroniikan, pakkauksien ja algoritmien suunnitteluun.
Koska keskeinen piifotoniikkaprosessi suunniteltiin alusta alkaen massatuotantoon, Rockleyn oli helppo käyttää piifotoniikka-alustaansa suurissa valmistuslaitoksissa tuotannon laajentamiseen. Tämä avasi tien kustannustehokkaalle anturialustalle, jota on helppo käyttää erilaisissa anturituotteissa.
Tämä johti siihen, että Rockley esitteli anturiteknologiansa useille suurimmista kulutuselektroniikkaa ja lääketieteellisiä laitteita valmistavista yrityksistä, jotka pyrkivät nyt käyttämään teknologiaa puettavissa tuotteissaan. Rockleyn uudet anturit saattavat mahdollistaa esimerkiksi verensokerin, verenpaineen, veren alkoholipitoisuuden ja laktaatin mittauksen rikkomatta ihoa.
Hankkeella on laajat seuraukset:
- Kuluttajat saavat laadukkaita puettavia terveys- ja hyvinvointituotteita, joiden mittaustulokset ovat entistä tarkempia ja joissa on entistä enemmän toimintoja.
- Rockleyllä on nyt massatuotettuja standardiantureita, joilla on huomattavasti suurempi markkinapotentiaali kuin perinteisillä PIC-pohjaisilla tuotteilla.
- Pienet ja tehokkaat sirun kokoiset anturit auttavat vähentämään ilmastonmuutoksen vaikutuksia, sillä niiden valmistamiseen tarvitaan vain vähän raaka-aineita ja sähköä.
Kumppanuus kasvaa kaupallistamisen myötä
VTT:n ja Rockley Photonicsin välinen kumppanuus on ollut hyödyksi molemmille osapuolille. Molemmat ovat edelläkävijöitä integroidussa fotoniikassa ja paksujen piivalokanavien alalla, mutta yhteistyön ansiosta organisaatiot ovat voineet oppia toisiltaan ja syventää osaamistaan. Rockley on hyötynyt VTT:n tutkimus- ja kehitystilojen käytöstä, ja VTT sai mahdollisuuden työskennellä alan parhaiden kanssa.
”VTT valmistuskumppanina mahdollisti sen, että saamme prototyyppimme markkinoille nopeammin kuin kenenkään muun kanssa olisi ollut mahdollista. Jatkuvalla tutkimus- ja kehityskumppanuudella saamme maailmanluokan t&k-kapasiteettia seuraavan sukupolven integroidun fotoniikan, terveydenhuollon ja lääketieteen tekniikoille ja ratkaisuille,” sanoo Aaron Zilkie, Rockleyn fotoniikan teknologiavastaava.
Koska yhteistyön tuloksena syntyi teknologiaa, joka parantaa olemassa olevia puettavan teknologian ratkaisuja, VTT:n ja Rockleyn yhteistyö leviää muille alueille, kuten uusien käyttökohteiden kehittämiseen antureille.
”Näen paljon mahdollisuuksia syventää suhdettamme Rockleyn kanssa. VTT:llä on laaja asiantuntemus säädöksistä ja standardeista sekä verkosto tahoista, jotka ovat kiinnostuneet alansa johtavasta puettavasta teknologiasta. Laadukkaan tutkimus- ja kehitystyön jatkaminen on ensisijaisen tärkeää, mutta myös olemassa olevien ratkaisujen kaupallistamisessa on synergiaa”, Aalto toteaa.
