Silicium is niet langer heilig in de chipsindustrie. Onderzoekers boren gaatjes in silicium plakken en zetten er allerlei machientjes op, zoals motortjes met tandwielen kleiner dan een haar.
Delen
Op de TU is onderzoek naar de micromachines, de zogenaamde Mems, al niet meer weg te denken.
Minibarometers in bloedvaten, minuscule spiegeltjes die vervormbaar zijn om het beeld zo goed mogelijk weer te geven of kleine motortjes met tandwieltjes kleiner dan een haar. Het zijn geen futuristische beelden in een wereld ver van ons vandaan. Onderzoekers zijn al volop bezig met de ontwikkeling ervan dankzij een nieuwe chiptechnologie die ze micro-elektromechanische systemen noemen, afgekort Mems.
De conventionele chipindustrie maakt transistoren op vlakke silicium plakken. Mems voegt hier een nieuwe dimensie aan toe. Het silicium zelf is niet langer heilig. Door het weghalen ervan ontstaan driedimensionale, bewegende onderdelen zoals motortjes, vrijhangende bruggetjes of kleine bewegende membramen.
Deze kleine micromachines zijn direct gekoppeld aan de elektronica op dezelfde chip. Hierdoor kunnen Mems devices sneller opereren en zijn ze goedkoop te maken. Wereldwijd beloopt de omzet in deze snel groeiende industrie al in de miljarden guldens.
Zoals de naam al aangeeft combineren Mems devices mechanische met elektrische eigenschappen. Maar volgens dr. Lina Sarro van de afdeling micro-elektronica is in de praktijk de betekenis ruimer. ,,Mems zijn miniatuur systemen waarin meerdere functies op een en dezelfde chip zitten.”
Suikerklontje
,,Het succes van Mems is ongetwijfeld de airbagsensor in auto’s”, vertelt prof.dr. Paddy French van dezelfde afdeling. Vroeger was die sensor ongeveer zo groot als een blikje cola en woog minstens een kilo. En dat voor de prijs van vijfendertig gulden. Nu meet een Mems-sensor met de afmetingen van een suikerklontje, de snelle afname van de autosnelheid om vervolgens de airbag aan het werk te zetten. Geïntegreerd op een siliciumchip kost het hele device slechts een paar euro.
Een voordeel van de Mems-airbagsensor is de mogelijkheid tot testen. ,,Een airbag hoeft in principe maar één keer werken”, aldus Sarro. ,,Oude versies kon je moeilijk testen.” Moderne auto’s testen bij opstarten hun Mems-airbagsysteem door de slimme elektronica naast de sensor aan het werk te zetten. Die elektronica kan een botsing veinzen door met een voltage de bewegende metalen onderdelen van de sensor over een bepaalde afstand te verplaatsen. De zelftest voldoet als de sensor de juiste verplaatsing meet.
Dat is nog lang niet alles wat de auto-industrie in petto heeft voor de weggebruiker. Wat te denken van slimme banden die zichzelf opdruk houden. Een Mems-barometertje kijkt voortdurend of de bandenspanning nog wel optimaal is. Indien er afwijkingen geconstateerd worden, blaast een pomp in de auto lucht in de banden. Daarmee ligt de verantwoordelijkheid van de bandenspanning niet meer bij de bestuurder, maar bij de auto zelf. De verwachting is dat hierdoor de veiligheid toeneemt en auto’s tien procent zuiniger gaan rijden.
Dat Mems-toepassingen het autorijden in de komende jaren drastisch verandert, is voor French geen verassing. ,,De autoindustrie is altijd al de grote gangmaker van Mems geweest, maar je ziet nu ook toepassingen op andere gebieden. Wij werken bijvoorbeeld ook aan medische en astronomische toepassingen.”
Zuurstof
Een voorbeeld van een Delftse medische toepassing is de biochip die chirurgen in de toekomst op een katheter het lichaam in kunnen sturen. De chip bepaalt tegelijkertijd de bloeddruk, de bloedsnelheid en de zuurstofverzadiging. Alleen het gedeelte dat de druk meet, is met Mems technologie gemaakt. Maar het is onmisbaar. Pas met een combinatie van deze drie gegevens kunnen artsen achterhalen hoeveel zuurstof het bloed transporteert. En daar gaat het uiteindelijk om.
,,Op dit moment zijn we nog in de testfase”, vertelt Hans Goosen. Hij is als onderzoeker verbonden aan het project. ,,De toestemming om in mensen te testen is er nog niet. Dat is een lang traject. Eerst laten zien dat de chip doet wat hij moet doen, dan dierproeven en dan pas zijn we bij de mens aanbeland. Dat kan nog wel anderhalf jaar duren.”
Kleine, vervormbare spiegeltjes vormen een ander groot Delfts project. Als promovendus begon dr.ir. Gleb Vdovin acht jaar geleden al met het maken ervan. Nu is hij vaste medewerker op de TU en heeft hij zijn eigen bedrijf, Flexible Optical, opgericht om zijn spiegeltjes aan de man te brengen. ,,Duizend keer goedkoper dan de conventionele technologie”, zo prijst Vdovin zijn waar aan. Hij hoopt op een ware revolutie in de markt van optische instrumenten zoals lasers en microscopen.
De spiegeltjes bestaan uit een flexibel membraam met daarop een laagje metaal. Onder het membraam zit een batterij aan elektrodes. Die kunnen de spiegel -met elektrostatisch krachten- elke gewenste vorm geven. De spiegeltjes meten ongeveer tien bij tien millimeter. Het goedkoopste exemplaar gaat voor 2850 dollar de deur uit. ,,Die prijs gaat snel naar beneden als er meer vraag komt”, merkt Vdovin op.
Ook voor de informatietechnologie zouden de spiegeltjes uitkomst kunnen bieden. Het gaat dan om de kruispunten in de glasvezelnetwerken. Op die knooppunten wordt de informatie in de vorm van lichtflitsjes nu nog omgezet in elektronische signalen. De kleine, beweegbare spiegeltjes maken dat overbodig en kunnen het licht direct in de goede richting afbuigen.
Zwaartekracht
Vooralsnog is Vdovin’s grote klapper uit gebleven. Maar een schrale troost is dat wetenschappers zot zijn op de spiegeltjes. Ze zouden bijvoorbeeld goed van pas kunnen komen in de ruimte. French ishierover duidelijk. ,,Als die spiegels in de Hubbletelescoop hadden gezeten, dan hadden we daar geen spaceshuttle naar toe hoeven te sturen om reparaties uit te voeren. De minispiegeltjes kunnen van de grond af gesteld worden door de juiste spanningen op de elektrodes te zetten.”
Toch benadrukt French dat de Mems-technologie nog maar in haar kinderschoenen staat. Behalve op het gebied van auto’s komen commerciële initiatieven slechts schoorvoetend van de grond. Onderzoekers zullen nog jaren nodig hebben om de silicium micromachines verder te perfectioneren, is zijn inschatting.
Dat dit langzaam gaat komt deels doordat de machines in de microwereld andere wetten volgen dan die van de grote machines. ,,De vlieg zit precies tussen die twee werelden in”, vertelt French enthousiast. ,,Het is duidelijk dat de zwaartekracht het menselijk leven beheerst. Op de kleine schaal van moleculen speelt zij echter geen rol. Het omslagpunt ligt bij de vlieg. Moleculaire krachten zijn dan even belangrijk als de zwaartekracht.”
KADER:
Ruimte besparen
,,In de cleanroom is goud is uit den boze”, zegt dr. Lina Sarro stellig in haar kamer bij Dimes. Voor de kleine machines, de zogenaamde Mems, zijn echter sommige materialen als goud onmisbaar. De oplossing is eenvoudig. Sarro: ,,Wij zetten de Mems-onderdelen pas op de chip nadat de elektronica erop gezet is.” En zo omzeilen de Dimes-onderzoekers het bekende goudprobleem in de siliciumindustrie: goud trekt graag het silicium binnen en vormt daar een ware plaag. Het werkt de chipprestaties tegen doordat het als het ware de elektronenstroom ophoudt.
Mems devices bestaan uit kleine bewegende onderdelen die geïntegreerd zijn met de elektronica op dezelfde silicium chip. Bewegende onderdelen worden gemaakt door het silicium weg te halen waardoor driedimensionale structuren ontstaan. Maar volgens prof.dr. Paddy French nemen Amerikanen die omschrijving van Mems niet zo nauw. ,,Elke chip met een gat erin noemen zij al Mems.”
Gaten en structuren in het silicium maken gebeurt met etstechnieken. Dat kan met nat etsen in een vloeistof of met een plasma-etser die chemisch-actieve ionen naar het oppervlak schiet. Het lijkt makkelijk om dan een gat in het silicium te maken, maar Sarro is het daar niet mee eens. ,,Het probleem is dat je een klein gat van een paar micron wilt maken dat honderd keer zo diep moet worden. En het liefst recht naar beneden.”
Een silicium plak met gaten bespaart vooral ruimte, omdat de uitgeboorde tunneltjes -indien gevuld met een metaal- de achterkant van de chip met de voorkant verbinden. De achterkant kan nu ook chipcomponenten huisvesten. Dit is vooral handig voor de passieve onderdelen zoals inductoren die veel plaats innemen.
Als grote uitdaging voor de toekomst ziet Sarro draadloze communicatie. ,,Communicatie met geïmplementeerde biochips kan niet met draadjes die uit ons lichaam komen. Draadloze communicatie is de enige oplossing. En ook in auto’s dreigt de wirwar van draden uit de hand te lopen. Dus denken we hard na hoe wij bijvoorbeeld het bestekleine antennetjes kunnen maken.”
Silicium is niet langer heilig in de chipsindustrie. Onderzoekers boren gaatjes in silicium plakken en zetten er allerlei machientjes op, zoals motortjes met tandwielen kleiner dan een haar. Op de TU is onderzoek naar de micromachines, de zogenaamde Mems, al niet meer weg te denken.
Minibarometers in bloedvaten, minuscule spiegeltjes die vervormbaar zijn om het beeld zo goed mogelijk weer te geven of kleine motortjes met tandwieltjes kleiner dan een haar. Het zijn geen futuristische beelden in een wereld ver van ons vandaan. Onderzoekers zijn al volop bezig met de ontwikkeling ervan dankzij een nieuwe chiptechnologie die ze micro-elektromechanische systemen noemen, afgekort Mems.
De conventionele chipindustrie maakt transistoren op vlakke silicium plakken. Mems voegt hier een nieuwe dimensie aan toe. Het silicium zelf is niet langer heilig. Door het weghalen ervan ontstaan driedimensionale, bewegende onderdelen zoals motortjes, vrijhangende bruggetjes of kleine bewegende membramen.
Deze kleine micromachines zijn direct gekoppeld aan de elektronica op dezelfde chip. Hierdoor kunnen Mems devices sneller opereren en zijn ze goedkoop te maken. Wereldwijd beloopt de omzet in deze snel groeiende industrie al in de miljarden guldens.
Zoals de naam al aangeeft combineren Mems devices mechanische met elektrische eigenschappen. Maar volgens dr. Lina Sarro van de afdeling micro-elektronica is in de praktijk de betekenis ruimer. ,,Mems zijn miniatuur systemen waarin meerdere functies op een en dezelfde chip zitten.”
Suikerklontje
,,Het succes van Mems is ongetwijfeld de airbagsensor in auto’s”, vertelt prof.dr. Paddy French van dezelfde afdeling. Vroeger was die sensor ongeveer zo groot als een blikje cola en woog minstens een kilo. En dat voor de prijs van vijfendertig gulden. Nu meet een Mems-sensor met de afmetingen van een suikerklontje, de snelle afname van de autosnelheid om vervolgens de airbag aan het werk te zetten. Geïntegreerd op een siliciumchip kost het hele device slechts een paar euro.
Een voordeel van de Mems-airbagsensor is de mogelijkheid tot testen. ,,Een airbag hoeft in principe maar één keer werken”, aldus Sarro. ,,Oude versies kon je moeilijk testen.” Moderne auto’s testen bij opstarten hun Mems-airbagsysteem door de slimme elektronica naast de sensor aan het werk te zetten. Die elektronica kan een botsing veinzen door met een voltage de bewegende metalen onderdelen van de sensor over een bepaalde afstand te verplaatsen. De zelftest voldoet als de sensor de juiste verplaatsing meet.
Dat is nog lang niet alles wat de auto-industrie in petto heeft voor de weggebruiker. Wat te denken van slimme banden die zichzelf opdruk houden. Een Mems-barometertje kijkt voortdurend of de bandenspanning nog wel optimaal is. Indien er afwijkingen geconstateerd worden, blaast een pomp in de auto lucht in de banden. Daarmee ligt de verantwoordelijkheid van de bandenspanning niet meer bij de bestuurder, maar bij de auto zelf. De verwachting is dat hierdoor de veiligheid toeneemt en auto’s tien procent zuiniger gaan rijden.
Dat Mems-toepassingen het autorijden in de komende jaren drastisch verandert, is voor French geen verassing. ,,De autoindustrie is altijd al de grote gangmaker van Mems geweest, maar je ziet nu ook toepassingen op andere gebieden. Wij werken bijvoorbeeld ook aan medische en astronomische toepassingen.”
Zuurstof
Een voorbeeld van een Delftse medische toepassing is de biochip die chirurgen in de toekomst op een katheter het lichaam in kunnen sturen. De chip bepaalt tegelijkertijd de bloeddruk, de bloedsnelheid en de zuurstofverzadiging. Alleen het gedeelte dat de druk meet, is met Mems technologie gemaakt. Maar het is onmisbaar. Pas met een combinatie van deze drie gegevens kunnen artsen achterhalen hoeveel zuurstof het bloed transporteert. En daar gaat het uiteindelijk om.
,,Op dit moment zijn we nog in de testfase”, vertelt Hans Goosen. Hij is als onderzoeker verbonden aan het project. ,,De toestemming om in mensen te testen is er nog niet. Dat is een lang traject. Eerst laten zien dat de chip doet wat hij moet doen, dan dierproeven en dan pas zijn we bij de mens aanbeland. Dat kan nog wel anderhalf jaar duren.”
Kleine, vervormbare spiegeltjes vormen een ander groot Delfts project. Als promovendus begon dr.ir. Gleb Vdovin acht jaar geleden al met het maken ervan. Nu is hij vaste medewerker op de TU en heeft hij zijn eigen bedrijf, Flexible Optical, opgericht om zijn spiegeltjes aan de man te brengen. ,,Duizend keer goedkoper dan de conventionele technologie”, zo prijst Vdovin zijn waar aan. Hij hoopt op een ware revolutie in de markt van optische instrumenten zoals lasers en microscopen.
De spiegeltjes bestaan uit een flexibel membraam met daarop een laagje metaal. Onder het membraam zit een batterij aan elektrodes. Die kunnen de spiegel -met elektrostatisch krachten- elke gewenste vorm geven. De spiegeltjes meten ongeveer tien bij tien millimeter. Het goedkoopste exemplaar gaat voor 2850 dollar de deur uit. ,,Die prijs gaat snel naar beneden als er meer vraag komt”, merkt Vdovin op.
Ook voor de informatietechnologie zouden de spiegeltjes uitkomst kunnen bieden. Het gaat dan om de kruispunten in de glasvezelnetwerken. Op die knooppunten wordt de informatie in de vorm van lichtflitsjes nu nog omgezet in elektronische signalen. De kleine, beweegbare spiegeltjes maken dat overbodig en kunnen het licht direct in de goede richting afbuigen.
Zwaartekracht
Vooralsnog is Vdovin’s grote klapper uit gebleven. Maar een schrale troost is dat wetenschappers zot zijn op de spiegeltjes. Ze zouden bijvoorbeeld goed van pas kunnen komen in de ruimte. French ishierover duidelijk. ,,Als die spiegels in de Hubbletelescoop hadden gezeten, dan hadden we daar geen spaceshuttle naar toe hoeven te sturen om reparaties uit te voeren. De minispiegeltjes kunnen van de grond af gesteld worden door de juiste spanningen op de elektrodes te zetten.”
Toch benadrukt French dat de Mems-technologie nog maar in haar kinderschoenen staat. Behalve op het gebied van auto’s komen commerciële initiatieven slechts schoorvoetend van de grond. Onderzoekers zullen nog jaren nodig hebben om de silicium micromachines verder te perfectioneren, is zijn inschatting.
Dat dit langzaam gaat komt deels doordat de machines in de microwereld andere wetten volgen dan die van de grote machines. ,,De vlieg zit precies tussen die twee werelden in”, vertelt French enthousiast. ,,Het is duidelijk dat de zwaartekracht het menselijk leven beheerst. Op de kleine schaal van moleculen speelt zij echter geen rol. Het omslagpunt ligt bij de vlieg. Moleculaire krachten zijn dan even belangrijk als de zwaartekracht.”
KADER:
Ruimte besparen
,,In de cleanroom is goud is uit den boze”, zegt dr. Lina Sarro stellig in haar kamer bij Dimes. Voor de kleine machines, de zogenaamde Mems, zijn echter sommige materialen als goud onmisbaar. De oplossing is eenvoudig. Sarro: ,,Wij zetten de Mems-onderdelen pas op de chip nadat de elektronica erop gezet is.” En zo omzeilen de Dimes-onderzoekers het bekende goudprobleem in de siliciumindustrie: goud trekt graag het silicium binnen en vormt daar een ware plaag. Het werkt de chipprestaties tegen doordat het als het ware de elektronenstroom ophoudt.
Mems devices bestaan uit kleine bewegende onderdelen die geïntegreerd zijn met de elektronica op dezelfde silicium chip. Bewegende onderdelen worden gemaakt door het silicium weg te halen waardoor driedimensionale structuren ontstaan. Maar volgens prof.dr. Paddy French nemen Amerikanen die omschrijving van Mems niet zo nauw. ,,Elke chip met een gat erin noemen zij al Mems.”
Gaten en structuren in het silicium maken gebeurt met etstechnieken. Dat kan met nat etsen in een vloeistof of met een plasma-etser die chemisch-actieve ionen naar het oppervlak schiet. Het lijkt makkelijk om dan een gat in het silicium te maken, maar Sarro is het daar niet mee eens. ,,Het probleem is dat je een klein gat van een paar micron wilt maken dat honderd keer zo diep moet worden. En het liefst recht naar beneden.”
Een silicium plak met gaten bespaart vooral ruimte, omdat de uitgeboorde tunneltjes -indien gevuld met een metaal- de achterkant van de chip met de voorkant verbinden. De achterkant kan nu ook chipcomponenten huisvesten. Dit is vooral handig voor de passieve onderdelen zoals inductoren die veel plaats innemen.
Als grote uitdaging voor de toekomst ziet Sarro draadloze communicatie. ,,Communicatie met geïmplementeerde biochips kan niet met draadjes die uit ons lichaam komen. Draadloze communicatie is de enige oplossing. En ook in auto’s dreigt de wirwar van draden uit de hand te lopen. Dus denken we hard na hoe wij bijvoorbeeld het bestekleine antennetjes kunnen maken.”
Comments are closed.