In this research new RF/microwave-based sensor solutions were developed for the monitoring of biological cells and human beings to obtain a better understanding of their activity or state in a quick, cheap, easy and continuous way. The effect of different substances on cell behaviour can be monitored by measuring the electrical environment where changes are observed as cells react to a stimulus. The starting point of the study was a microchip with a capacitance measurement system integrated into the culturing chamber, enabling the monitoring of cell proliferation or death. The main challenge of the study was the correct interpretation of the received signals and the combination of “dry” electronics and “wet” biology, which is a difficult issue in terms of reliability and durability of the system. For this purpose, a low temperature co-fired ceramic package was developed which could withstand cell culture conditions and which did not interfere with the cell activity. A 1.1 MHz shift in resonance frequency of the system could clearly be measured, where the shift depended on the number of cells. Another topic of the research concentrated on a microwave sensor that can be utilized in the examination and analysis of fluid samples collected from the body which provide information about a person’s health status. A microwave sensor was developed, which was tested with liquid samples. Microfluidics were also integrated into the system which allowed the use of very small sample volumes and improved the usability of the device. The challenge of the work was to build the system so that the parts were integrated seamlessly without interfering with each other. The sensor concept was tested successfully using typical concentrations of NaCl found in human blood plasma i.e. 125 to 155 mmol/mol of water. The third topic of the thesis was aiming for a microwave sensor that enables real-time measurement of body fluid balance directly from the skin. The operation of the developed microwave sensor was based on a resonator whose resonance frequency reacted to the electrical properties of materials in its proximity, in this case the water content of the skin and its changes. The function of the sensor was tested with artificial skin, made in the laboratory, which corresponded to the properties of real skin. The observed changes in resonance frequency was +370 MHz and -220 MHz for dehydrated and hydrated skin compared to normal skin, thus providing a wide frequency range for detection of the status of the skin.

Tutkimuksessa kehitettiin uusia RF-/mikroaaltoihin perustuvia anturiratkaisuja solujen ja ihmisen mittaukseen, jotta niiden toiminnasta tai tilasta saataisiin parempi kuva nopeasti, edullisesti, helposti ja jatkuvatoimisesti. Solujen toimintaa voidaan seurata mittaamalla niiden sähköistä ympäristöä missä havaitaan muutoksia, kun solut reagoivat erilaisiin aineisiin. Tutkimuksen lähtökohtana käytettiin soluanturiksi suunniteltua mikrosirua, jossa oli viljelyalustaan integroitu kapasitanssin mittausjärjestelmä, jonka avulla voitiin monitoroida solujen jakaantumista tai kuolemista. Tutkimuksen haasteena oli saatujen signaalien oikeanlainen tulkinta sekä ”kuivan” elektroniikan ja ”märän” biologian yhdistäminen järjestelmän luotettavuuden ja kestävyyden kannalta. Tähän tarkoitukseen työssä kehitettiin matalan lämpötilan yhteissintrattavaan keraamiin perustuva pakkaus, joka kestää soluviljelyn olosuhteita eikä häiritse solujen toimintaa. Testeissä voitiin havaita selvä 1.1 MHz muutos resonanssitaajuudessa, jonka suuruus riippui solujen lukumäärästä. Tutkimuksen toinen alue oli mikroaaltoanturi, jolla voidaan tutkia ja analysoida kehosta saatavia nestemäisiä näytteitä ja saada tietoa henkilön terveydentilasta. Työssä kehitettiin mikroaaltoanturi, jota testattiin nestemäisillä näytteillä. Nestenäytteiden käsittelemiseksi systeemiin integroitiin myös mikrofluidistiikka mikä mahdollistaa hyvin pienten näytemäärien käyttämisen ja parantaa laitteen. Työn haasteena oli järjestelmän rakentaminen siten, että osat integroituvat toisiinsa saumattomasti toisiaan häiritsemättä. Anturikonsepti testattiin onnistuneesti käyttämällä tyypillistä ihmisen veriplasmasta löytyvää NaCl-pitoisuutta vaihteluvälillä 125– 155 mmol/mol vedessä. Väitöstyön kolmas aihealue oli mikroaaltoanturin hyödyntäminen kehon nestetasapainon mittauksessa reaaliaikaisesti suoraan iholta. Kehitetyn mikroaaltoanturin toiminta perustui resonaattoriin, jonka resonanssitaajuus reagoi sen lähiympäristön sähköisiin ominaisuuksiin eli tässä tapauksessa ihon vesipitoisuuteen ja siinä tapahtuviin muutoksiin. Anturin toimintaa testattiin laboratoriossa valmistettujen keinoihojen avulla, jotka vastasivat ominaisuuksiltaan oikeata ihoa kuvastaen eri tilannetta kehon nestetasapainossa. Mitattu resonanssitaajuus muuttui +370 MHz ja -220 MHz kuivan ja kostean ihon välillä verrattuna normaaliin ihoon, tarjoten laajan taajuusalueen ihon tilanteen havainnointiin.