Field-effect based chemical and biological sensing : theory and implementation

Electrochemical sensors share many properties of an ideal (bio)chemical sensor. They can be easily miniaturized with high parallel sensing capabilities,with rugged structure and at low cost. The response obtained from thetarget analyte is directly in electrical form allowing convenient data post-processing and simple interfacing to standard electrical components. With field-effect transistor (FET) based sensors, the transducing principle relies on direct detection of interfacial charge allowing detection of various ions and charged macromolecules. This thesis investigates FET based sensors for biological and chemical sensing. First, an ion-sensitive floating gate FET (ISFGFET) structure is studied and modeled. The proposed model reveals novel abilities of the structure not found in conventional ion-sensitive FETs (ISFETs). With IS-FGFET, we can simultaneously optimize the transistor operating point and modulate the charging of the surface and the ionic screening layer via the field effect. This control is predicted to allow reduced electric double layer screening as well as the possibility to enhance charged molecule attachment to the sensing surface. The model can predict sensor characteristic curves in pH sensing in absolute terms and allows any potential to be computed in the sensor including the electrical part and the electrolyte solution. Furthermore, a compact ISFGFET variant is merged into electric circuit simulator, which allows it to be simulated as a standard electrical component with electrical simulations tools of high computational efficiency, and allows simple modifications such as addition of parasitic elements, temperature effects, or even temporal drifts. Next, another transistor based configuration, the extended-gate ISFET is studied. The simplicity of the proposed configuration allows a universal potentiometric approach where a wide variety of chemical and biological sensors can be constructed. The design philosophy for this sensing structure is to use the shelf electric components and standard electric manufacturing processes. Such an extended-gate structure is beneficial since the dry electronics can be completely separated from the wet sensing environment. The extended-gate allows simple functionalization towards chemical and biological sensing. A proof-of-concept of this structure was verified through organo modified gold platforms with ion-selective membranes. A comparison with standard open-circuit potentiometry reveals that the sensing elements in a disposable sensing platform arrays provide comparable performance to traditional electrodes. Finally, a universal battery operated hand-held electrical readout device is designed for multiplexed detection of the disposable sensors with wireless smartphone data plotting, control, and storage. Organic polymers play an important role in the interfacial properties of sensors studied in this thesis. The polymer coating is attractive in chemical sensing because of its redox sensitivity, bio-immobilization capability, ion-to-electron transducing capability, and applicability, for example via a simple low-cost drop-casting. This structure simplifies the design of the sensor substantially and the coating increases the amount of possible target applications.Siirretty Doriast

Development of a Radiometer Front End for Detection of Oil Spill on Sea Surface

Kaikki kappaleet säteilevät sähkömagneettista energiaa. Radiometreillä voidaan mitata tätä säteilyä, ja mittausten avulla voidaan kaukokartoituksessa analysoida monia ilmakehään ja maan pintaan liittyviä ilmiöitä. Säteilyä kerätään useimmiten radiometriin kytketyn antennin avulla. Mikroaaltoalueella säteilystä saatava teho on verrannollinen kohteen kirkkauslämpötilaan. Kirkkauslämpötila on puolestaan verrannollinen kohteen fyysiseen lämpötilaan materiaalin emissiivisyyden kautta. Emissiivisyys voi vaihdella suuresti eri pintojen ja materiaalien välillä. Näin ollen mittaamalla kohteen kirkkauslämpötilaa saadaan tietoa sen ominaisuuksista. Mikroaaltoradiometrin avulla voidaan havaita öljyläikkä meren pinnalta, sekä määrittää öljyläikän paksuus. Öljy muodostaa ohuen kalvon meren pinnalla. Ohuen kalvon ylä- ja alapinnasta heijastuneet aallot kulkevat eri matkan, jonka seurauksena muodostuu interferenssikuvio. Interferenssi on joko konstruktiivinen tai destruktiivinen riippuen heijastusten vaihe-erosta. Pistetaajuudella tästä seuraa kalvon paksuudesta riippuva sinimuotoinen emissiivisyys. Mallintamalla tämä ilmiö riittävän tarkasti voidaan radiometrin mittaamaa kirkkauslämpötilaa verrata mallinnettuun arvoon ja täten määrittää öljykerroksen paksuus. Tässä työssä esitetään kahden radiometrin suunnittelu ja testaus. Työ rajoittuu radiometrien alustavaan testausvaiheeseen. Radiometrit on suunniteltu 36,5GHz sekä 89GHz taajuuksille. Työn suurin kontribuutio on radiometrien etupään suunnittelussa ja testauksessa, kalibraatiomenetelmien kehittämisessä sekä kylmäkuorman suunnittelussa. Lisäksi työssä esitetään radiometrien systeemisuunnittelu sekä siihen liittyvät simulaatiot.Siirretty Doriast

Personalization of Affective Models to Enable Neuropsychiatric Digital Precision Health Interventions: A Feasibility Study

Mobile digital therapeutics for autism spectrum disorder (ASD) often target emotion recognition and evocation, which is a challenge for children with ASD. While such mobile applications often use computer vision machine learning (ML) models to guide the adaptive nature of the digital intervention, a single model is usually deployed and applied to all children. Here, we explore the potential of model personalization, or training a single emotion recognition model per person, to improve the performance of these underlying emotion recognition models used to guide digital health therapies for children with ASD. We conducted experiments on the Emognition dataset, a video dataset of human subjects evoking a series of emotions. For a subset of 10 individuals in the dataset with a sufficient representation of at least two ground truth emotion labels, we trained a personalized version of three classical ML models on a set of 51 features extracted from each video frame. We measured the importance of each facial feature for all personalized models and observed differing ranked lists of top features across subjects, motivating the need for model personalization. We then compared the personalized models against a generalized model trained using data from all 10 participants. The mean F1-scores achieved by the personalized models were 90.48%, 92.66%, and 86.40%, respectively. By contrast, the mean F1-scores reached by non-personalized models trained on different human subjects and evaluated using the same test set were 88.55%, 91.78%, and 80.42%, respectively. The personalized models outperformed the generalized models for 7 out of 10 participants. PCA analyses on the remaining 3 participants revealed relatively facial configuration differences between emotion labels within each subject, suggesting that personalized ML will fail when the variation among data points within a subjects data is too low

Energy Revolution in Cuba : Pioneering for the Future?

The aim of this report is to make Cuban energy reforms more widely known. Cuba has succeeded in achieving high human development index while keeping its ecological footprint small. This is largely because of the low energy consumption in the country. At the same time the electrification rate is one of the highest in the Caribbean region. Even at the time of energy crisis the electrification continued in the remote rural areas, mostly based on renewable energy sources and having priorities set in electrifying schools, health centres and communal centres

Uncertainty of Radiometer Calibration Loads and Its Impact on Radiometric Measurements

We present an uncertainty analysis of radiometer calibration. The procedure can be used to determine the uncertainty in the nominal brightness temperature of the unknown scene. A total power radiometer requires frequent calibration with known reference loads that are connected to the radiometer. Our analysis includes uncertainties from the radiometer calibration loads and from the connecting network (CN) that is required to multiplex calibration loads and scene to the radiometer input. We show the design and analysis of three calibration loads and how their uncertainties propagate from load terminals to the radiometer calibration plane and to the scene. All three loads, including a cryogenic load, are simple, inexpensive, and show great stability and accuracy. We give an uncertainty calculation example for our three calibration loads and for the CN. We validate our model and the long-term stability of the loads through measurements. The analysis is done at 52 GHz, but the analysis and the construction of the loads are generic and easily scalable to other frequencies.</div

Ruotsinkielisten asiakkaiden kielellisten oikeuksien toteutuminen lastensuojelussa

Tämä pro gradu -tutkielma tarkastelee kaksikielisten kuntien lastensuojelun sosiaalityöntekijöiden kokemuksia kaksikielisyyteen liittyen. Tutkielmassani kysytään, miten sosiaalityöntekijät merkityksellistävät ruotsinkielisten asiakkaiden kielellisten oikeuksien toteutumista lastensuojelussa ja mitä merkityksiä sosiaalityöntekijät antavat kielelle asiakastyössään. Suomi on virallisesti kaksikielinen maa, jonka kansalliset kielet ovat suomi ja ruotsi. Ruotsinkielisen väestön kielellisistä oikeuksista on säädetty laissa ja laki takaa oikeuden oman kielen käyttöön valtion ja kaksikielisten kuntien viranomaisissa. Käytännössä lain toteutuksessa ja ruotsinkielisten palveluiden saannissa on kuitenkin haasteita. Tässä tutkielmassa tavoitteena on tarkastella kielen merkitystä lastensuojeluviranomaisessa. Tutkielmassani kieli ja sen merkityksellisyys näyttelevät siten merkittävää osaa ja siksi lähestynkin tutkielmassani kielen merkitystä lastensuojelussa sosiaalisen konstruktionismin viitekehyksestä käsin. Tutkielmani aineisto koostuu kuudesta länsisuomalaisten kaksikielisten kuntien lastensuojelun sosiaalityöntekijöiden haastatteluista, jotka toteutin puolistrukturoituina teemahaastatteluina. Aineiston analyysini pohjautuu sisällönanalyysin keinoin tehtyyn teemoitteluun, jonka perusteella olen pyrkinyt tunnistamaan lastensuojelun sosiaalityöntekijöiden puheessa kielelle antamia merkityksiä. Tutkielmani tuloksissa esitetään, että lastensuojelun sosiaalityöntekijät antavat kielelle keskeisen merkityksen työssään, mutta eivät yhtä suurta merkitystä joka tilanteessa. Kielen nähdään kuitenkin olevan asiakkaan perustuslaillinen oikeus. Kieli koetaan sosiaalityöntekijöiden keskuudessa tärkeänä vuorovaikutusvälineenä ja keskeisenä asiakkaiden yhdenvertaisuuden toteutumisen kannalta. Tutkielman johtopäätöksenä ja keskeisinä tekijöinä sosiaalityöntekijöiden merkitystenantojen taustalla nousivat niin sosiaalityöntekijän työhön liittyvä ammatillinen arvomaailma kuin yksittäisen työntekijän yksilöllinen arvomaailmakin

Testbench for a bluetooth speaker

Tämän diplomityön tarkoituksena oli laatia Westend Musical Instruments Ltd -yrityksen uudelle bluetooth-kaiuttimelle testialusta. Tavoitteena oli suunnitella sekä valmistaa kaiuttimen piirilevyille testialusta, joka kävisi läpi piirilevyjen funktionaalisen testauksen sekä lisäisi piirilevyt tietokantaan mahdollisine virheineen. Tällaisen alustan luominen on eduksi yritykselle, sillä sen avulla voidaan uudet piirilevyt testata nopeasti ja mahdolliset viat löydetään alkuvaiheessa. Tämä säästää sekä aikaa että rahaa, kun vialliset piirilevyt voidaan havaita jo tehtaalla, missä piirilevyt valmistetaan. Työssä käydään ensin läpi itse piirilevyjen valmistamista sekä millaista kehitys on piirilevyvalmistuksessa ollut. Lisäksi käydään läpi eri testausmenetelmiä. Tämän jälkeen esitellään itse kaiutin, jolle tämän työn testausalusta on tehty. Loput työstä on testausalustan luomista: käytössä olevat laitteet ja mittausvälineet, testattavat elementit, LabView-testikoodin luomista sekä lopuksi testaustuloksia. Diplomityö on laadittu ohjetekstimuodossa, eli vastaavanlaisen testausalustan voisi luoda käyttämällä samoja menetelmiä kuin tässä työssä on käytetty. Testausalusta koostuu teholähteestä, taajuuslaskimesta, signaaligeneraattorista, DAQlaitteesta sekä itse pohjalevystä, johon testattavat piirilevyt kytketään. Testausrutiini on laadittu LabView-ohjelmalla ja sillä ohjataan kaikkia alustaan kuuluvia laitteita sekä tehdään kaikki mittaukset. LabView-ohjelmia oli luotava kaksi, sillä kaiuttimessa on kaksi eri piirilevyä, joiden toimintaa on testattava.The objective for this thesis was to design a test environment for a new bluetooth speaker made by the Westend Musical Instruments Ltd company. The goal was to plan and build a testbench for the two PCBs used in the speaker. The testbench would perform all the necessary testing and add each PCB to the database, including any possible fault information. A testbench like this is beneficial for the company because the new PCBs can be tested quickly, and any possible failures are discovered at an early stage. This saves the company both time and money as any malfunctional PCBs can be discovered already at the PCB manufacturing site. The thesis begins with some insight about PCB manufacturing and what kind of progress has been made in the PCB field. Furthermore, some of the most commonly used PCB testing methods are also listed. After this, the speaker itself is described to get an understanding of what kind of product the testbench is designed for. The rest of the thesis is about designing the testing environment: the kind of equipment being used, which elements need to be tested, how to program the LabView test code and how the testbench itself is made. The thesis is written in a guideline fashion, meaning that the reader could build a similar testbench to the one made in the thesis simply by following the same methods being used in the text. The testbench consists of a power supply, a frequency counter, a signal generator, a DAQdevice and the base PCB where the PCBs under test are attached. The testing software is made with LabView and it is controlling the whole test environment and taking all the required measurements. Two LabView programs had to be made for this speaker as there are two PCBs in the speaker that need to be tested

Teknologiakeskukset Suomen innovaatiojärjestelmän uudistuvassa toimintaympäristössä

Innovaatiotoiminnan merkitys on kasvanut 2000–luvulla huomattavasti. Osaaminen ja innovaatiot ovat muodostuneet yhteiskuntien kehityksen päätekijöiksi. Samalla tehokkaan innovaatiojärjestelmän merkitys on korostunut taloudellisen kasvun ja ihmisten hyvinvoinnin luomisessa. Tutkielman teoriaosuudessa perehdytään innovaatiotoiminnan pääpiirteisiin Suomessa sekä teknologiakeskusten merkitykseen kansalliselle innovaatiotoiminnalle. Lisäksi luodaan katsaus Suomen innovaatiojärjestelmän muutokseen. Tutkimuksen empiirinen aineisto on hankittu valtaosin teemahaastattelujen avulla, mutta tutkimus-materiaalina on käytetty myös seminaariaineistoa. Empirian pohjalta tutkimuksen tavoitteena on analysoida suomalaisten teknologiakeskusten roolia kansallisen innovaatiojärjestelmän uudistuvassa toimintakentässä. Suomen innovaatiojärjestelmän muutoksen keskiössä ovat strategisen huippuosaamisen keskittymät, osaamiskeskusohjelman klusterimalli sekä kansallinen innovaatiostrategia. Näitä kolmea myös pidetään valtioneuvoston linjausten perusteella olennaisina kehittämisinstrumentteina alueellisten innovaatio-ympäristöjen vahvistamisessa. Teknologiakeskukset ovat puolestaan keskeisimpiä toimijoita alueellisten innovaatioympäristöjen kehittämisessä. Kansallisten instrumenttien ja teknologiakeskusten välinen yhteys tekee tutkielmasta yhteiskunnallisesti varsin mielenkiintoisen. Kansallisen innovaatiotoiminnan kehittyminen voi tapahtua ainoastaan aktiivisessa yhteistoiminnassa globaalien yritysten kanssa. Suomi tarvitsee tehokasta innovaatiotoimintaa pysyäkseen koko ajan lisääntyvän kansainvälisen kilpailun kärkijoukossa. Sen vuoksi teknologiakeskusten roolit tiedon ja osaamisen levittäjinä sekä yritysten kansainvälistäjinä tekevät niistä kansallisen innovaatiojärjestelmän kehityksen kannalta todella tärkeitä. Teknologiakeskusten yksi tärkeimmistä tehtävistä on rakentaa ammattitaitoisille työntekijöille tehokas toimintaympäristö, joka edesauttaa uusien innovatiivisten yritysten perustamista. Kansallisen innovaatio-järjestelmän näkökulmasta kuitenkin korostuu keskusten rooli toimia toteuttajaorganisaationa alueen eri innovaatiotoimijoiden välillä. Siten teknologiakeskukset toimivat yritysten, tiedeyhteisön ja julkisten toimijoiden välisen yhteistyön vahvistajina. Teknologiakeskuksilla on merkittävä rooli osaamiskeskusohjelman klusterimallin kautta yhdistää Suomen hajallaan olevia osaamisresursseja. Keskukset toimivat myös aktiivisina yhteistyökumppaneina strategisen huippuosaamisen keskittymien kanssa. Lisäksi keskuksilla on roolinsa kansallisen innovaatiostrategian keskeisenä toimeenpanijana. Teknologiakeskusten tehtäväkirjo suomalaisen innovaatiotoiminnan edistämisessä on poikkeuksellisen kattava, joten keskusten roolia osana kansallista innovaatiojärjestelmää voidaan pitää erittäin merkittävänä.fi=Opinnäytetyö kokotekstinä PDF-muodossa.|en=Thesis fulltext in PDF format.|sv=Lärdomsprov tillgängligt som fulltext i PDF-format

Detection principles of biological and chemical FET sensors

The seminal importance of detecting ions and molecules for point-of-care tests has driven the search for more sensitive, specific, and robust sensors. Electronic detection holds promise for future miniaturized in-situ applications and can be integrated into existing electronic manufacturing processes and technology. The resulting small devices will be inherently well suited for multiplexed and parallel detection. In this review, different field-effect transistor (FET) structures and detection principles are discussed, including label-free and indirect detection mechanisms. The fundamental detection principle governing every potentiometric sensor is introduced, and different state-of-the-art FET sensor structures are reviewed. This is followed by an analysis of electrolyte interfaces and their influence on sensor operation. Finally, the fundamentals of different detection mechanisms are reviewed and some detection schemes are discussed. In the conclusion, current commercial efforts are briefly considered