Mariusz Karwowski
Dr inż. Tomasz Karpisz
Koszmarem każdego innowatora jest rozwiązanie, choćby najbardziej rewolucyjne, które po wdrożeniu nie działa tak, jak powinno. Wystarczy nieodpowiedni materiał użyty do produkcji, by telefony komórkowe, czujniki, skanery, radary i wiele innych urządzeń wykorzysatujących fale elektromagnetyczne przestało spełniać oczekiwania użytkowników. Na skutek tak prostego błędu nawet najlepsza technologia zaprojektowana do przesyłania danych w określonych częstotliwościach może nie nadawać się do użytku. Oczywiście, da się wprowadzić poprawki, które wyeliminują zauważone defekty, tyle że wymaga to czasu i dodatkowych nakładów. Jak więc tego uniknąć?
Elektromagnetyczne właściwości materiałów mierzy się zaawansowanymi metodami, które można podzielić na dwie grupy. Każda ma swoje wady i zalety. Za pomocą metod transmisyjnych określa się parametry w szerszym zakresie częstotliwości. Badanie tak szerokiego spektrum obarczone jest jednak niedoskonałą precyzją. Dlatego można sięgnąć po drugą kategorię: metody rezonansowe. Te są od kilku do kilkunastu razy dokładniejsze, ale w zamian umożliwiają charakterystykę materiału tylko dla jednej wybranej częstotliwości. Dla przykładu, w początkach funkcjonowania telefonii komórkowej operatorzy korzystali z częstotliwości megahercowych. W podobnych działają nadajniki radiowe. Ale już w kuchenkach mikrofalowych, podobnie jak w WiFi, używa się częstotliwości gigahercowych. Urządzenia radiolokacyjne, skanery lotniskowe czy komunikacja satelitarna pracują z kolei najczęściej w zakresie do 100 GHz. Na Politechnice Warszawskiej postanowiono połączyć obie metody.
– Pomysł, który zaproponowałem w swoim doktoracie, a teraz rozwijam w ramach programu LIDER, nie tylko zwiększa dokładność, ale pozwala też pokryć szerokie pasmo częstotliwości. Bazuje więc na metodzie rezonansowej posiadającej wszak cechy metod transmisyjnych – wyjawia dr inż. Tomasz Karpisz z Instytutu Radioelektroniki i Technik Multimedialnych PW.
Prof. Jerzy Krupka
Dodaje, że ideę podsunął mu prof. Jerzy Krupka. To chodząca legenda Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych. Dzięki niemu Polska, choć mało kto o tym wie, jest światową potęgą w dostarczaniu rezonatorów i oprogramowania służącego do wykonywania pomiarów. Stanowi ono najważniejszy, a przy tym najtrudniejszy do skopiowania element powstającej aparatury. Jest niepowtarzalne, dzięki czemu urządzenia różnią się od siebie, a dwóch takich samych próżno szukać.
Pracę nad metodami pomiaru właściwości materiałów elektronicznych prof. Krupka zaczął jeszcze w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku. Przełomem okazała się współpraca z National Institute of Standards and Technology (NIST), amerykańskim odpowiednikiem Głównego Urzędu Miar. Tam trafiły pierwsze egzemplarze polskich modeli, a autorska metoda dzielonego rezonatora dielektrycznego (split post dielectric rezonator, SPDR) została uznana za międzynarodowy standard pomiarowy w przemyśle, medycynie, meteorologii, radiolokacji, satelitach, bezprzewodowych sieciach komputerowych czy telefonii komórkowej.
O wartości polskiej myśli inżynierskiej dobitnie świadczy fakt, że od lat o urządzenia konstruowane na PW toczą boje najpotężniejsze światowe koncerny i czołowe instytucje naukowe z Europy, ale także Japonii, Indii, Korei Południowej, Chin, Australii czy Stanów Zjednoczonych. Wykorzystują je jako narzędzia niezbędne w procesie kontroli produkcji, które pozwalają na uzyskanie wyrobów o określonej jakości właściwości elektromagnetycznych. Od 2001 roku firma QWED, będąca dystrybutorem rezonatorów i software’u do nich, sprzedała już ponad tysiąc egzemplarzy do 300 przedsiębiorstw i ośrodków naukowych. Za granicę trafiły m.in. rezonatory do badań dielektryków niskostratnych w zakresie temperatur od ciekłego helu do około 400 K, do pomiaru zespolonej przenikalności elektrycznej ferrytów mikrofalowych oraz metamateriałów planarnych, do bezkontaktowego pomiaru rezystywności półprzewodników, a także konduktywności cienkich warstw przewodzących naniesionych na podłoże dielektryczne. Były również modele służące do badania azotku galu, stanowiącego podstawę niebieskich laserów, a także grafenu.
– Podobnie jak w przypadku nadprzewodników wysokotemperaturowych, podstawowym problemem było stwierdzenie, jakie są właściwości azotku galu i grafenu oraz czy mieszczą się one w zakresie pomiarowym rezonatora – wspomina prof. Krupka.
Jak widać, to on przecierał szlaki dla młodych inżynierów. Śmiało można rzec, że bez niego, jego doświadczenia i wyczucia na ten temat, wielu rozwiązań, takich jak choćby najnowszy otwarty rezonator Fabry Perot, po prostu by nie było.
Ten aparat, choć bazuje – jak wcześniejsze – na metodach rezonansowych, radykalnie różni się od poprzedników. Głównie jeśli chodzi o możliwości. Technologia 5G, satelity, samochody autonomiczne, przemysł kosmiczny… – zdaje się, że olimpijska dewiza „szybciej, wyżej, mocniej” przyświeca dziś także inżynierom. W tym przypadku chodzi o szybsze, tańsze i dokładniejsze pomiary dla wielu branż nowych technologii. Pod tym względem rozwiązanie dr. inż. Tomasza Karpisza nie ma sobie równych. Pierwszych kilka miesięcy pracy nad nim było wyjątkowo frustrujące. Wiedział, że musi stworzyć urządzenie lepsze od już obecnych na rynku, ale kolejne próby nie dawały pożądanych efektów. Zaczął się zastanawiać, czy zadanie, jakie sobie postawił, jest w ogóle możliwe do zrealizowania. Przekonania nabrał, gdy tworzył oprogramowanie, które miało zautomatyzować proces pomiaru – to był najbardziej żmudny, ale i owocny etap. Rezultat w pełni wynagrodził ten wysiłek. Sprzedało się już ponad 20 sztuk tego rezonatora.
Rezonator Fabry Perot
Jest wielkości niedużego ekspresu do kawy, waży nieco ponad 10 kg. To otwarta struktura składająca się z dwóch wklęsłych luster, które odbijają fale elektromagnetyczne. Gdyby go obudować, przypominałby do złudzenia kuchenkę mikrofalową, w której fala odbija się od metalowych ścian. Tutaj promieniowanie utrzymywane jest w środku przez dwa pokryte srebrem talerze. Jak działa? Najpierw charakteryzuje się rezonator „na pusto”, później dokonywany jest ponowny pomiar już z umieszczoną w maksimum pola magnetycznego próbką. Na podstawie różnicy własności rezonansu, czyli zachowania się rezonatora, można określić właściwości badanego materiału.
– Kiedy do pudła rezonansowego gitary włożymy jakiś przedmiot, wówczas instrument zmieni barwę dźwięku. Przy czym różne „wkładki” wpłyną inaczej na ten dźwięk. Na podobnej zasadzie badamy materiały do urządzeń elektronicznych – obrazuje mój rozmówca, wyliczając przykładowe: plastik, szkło, krzem, szafir, jednym słowem wszystko, co ma postać stałą, poza laboratoryjnie tworzonymi ceramikami. Choć i to niebawem może się zmienić. Inżynierowie z PW wraz z kolegami z Southern University of Science and Technology w Chinach już pracują nad rozszerzeniem możliwości pomiarowych urządzenia.
Jak zauważa naukowiec, w materiałoznawstwie elektronicznym uczyniono w ostatnich latach ogromny postęp. To umożliwiło jednocześnie wejście na wyższe częstotliwości. Tradycyjne metody rezonansowe (jak np. SPDR prof. Krupki) działają w zakresie do 15 GHz. Tymczasem znakomita większość nowych technologii operuje znacznie powyżej tego zakresu. Wraz z rozwojem elektroniki bariera coraz bardziej się przesuwała. A dzięki miniaturyzacji, która umożliwiła sięganie po mało dotąd wykorzystywane częstotliwości, zaczęto ochoczo zagospodarowywać również wyższe zakresy. Pojawiły się nowe wyzwania i możliwości. I choć trudniej taką elektronikę w wersji mini projektować, to z drugiej strony szersze pasma pozwalają na przesyłanie większej ilości danych. Nic zatem dziwnego, że producenci stawiają na rozwiązania, które usprawnią proces produkcji.
Wyjątkowość rezonatora Fabry-Perot tkwi nie tylko w tym, że można nim mierzyć na kilku częstotliwościach, w zakresie do 110 GHz. Istotna jest także dokładność pomiaru własności próbki – udało się osiągnąć poziom 0,5%, podczas gdy w podobnym produkcie dostępnym na rynku wynosi on 1–2%. Do tego urządzenie jest w pełni automatyczne, więc do jego obsługi można skierować nawet kogoś niezaznajomionego z elektroniką, zostanie poprowadzony niemalże za rękę. Wreszcie, last but not least, sam pomiar trwa od kilkunastu minut do pół godziny. To znacznie mniej niż jeden dzień u konkurencji.
Dr inż. Tomasz Karpisz na tym nie poprzestaje. Chce jeszcze zwiększyć maksymalną grubość mierzalnej próbki. Obecnie to przedział od pół do jednego milimetra. Celem jest przesunięcie górnej granicy do kilku milimetrów – w świecie elektroniki to bardzo duża wartość. Ponadto zamierza zamknąć rezonator w szczelnej obudowie, która ograniczy wahania wilgotności, temperatury. Urządzenie jest bowiem na tyle czułe, że wychwytuje wszystko, co dzieje się w jego otoczeniu, np. rozmowę stojących przy nim ludzi. Planowane usprawnienia zwiększą możliwości jego zastosowania np. w zakresie różnych temperatur. Przyda się to z kolei do ulepszenia elektroniki, która w samolocie, na dużej wysokości, zachowuje się zupełnie inaczej niż używana w domu.
– To, że rezultat moich badań w postaci tego urządzenia można nie tylko opisać w publikacjach naukowych, ale zwyczajnie w świecie sprzedać jako produkt rynkowy, wydaje mi się źródłem ogromnej satysfakcji dla naukowca – kończy naszą rozmowę już zza oceanu, gdzie jako postdok zaczął właśnie pracę na University of Colorado oraz – jak swego czasu jego mentor – w NIST. Po pół wieku historia rezonatorów z Politechniki Warszawskiej zatoczyła więc koło.
Wróć