Gespierde chips en mini-machines met gevoel

Vorige week verdedigde Lau (Werktuigbouwkunde) de ontwikkeling van zijn kunstspier, de motor van een minimachine. Net als voor standaardchips, vormen schijven donkergrijs silicium de basis voor Mems. Silicium zet uit als er elektrische stroom doorheen gaat en kan zo een beweging op de chip in gang zetten. Voor grotere bewegingen is een rubberachtig polymeer geschikter dan silicium, omdat dit bij dezelfde stroom meer uitzet. Maar polymeer is vrij slap, dus het heeft weer minder duwkracht dan silicium. Lau bedacht de op het eerste gezicht simpele oplossing de twee materialen dan maar te combineren. “Zo kreeg hij de goede eigenschappen van beide materialen in zijn actuator”, vertelt zijn promotor prof.dr.ir. Lina Sarro van Dimes.

Van het sterke silicium maakte Lau een skelet: een ruggegraat met aan één kant ribben. Tussen die ribben plaatste hij schijven van polymeer. Wanneer hij stroom door het skelet stuurt, worden de silicium ribben warm en verwarmen ze ook het polymeer. Dat zet uit en de spier gaat bewegen. Een kromme beweging, omdat de siliciumribben aan één kant vastzitten aan de ruggegraat. “Met een paar volt kan de spier een beweging van 20 micrometer maken”, vertelt Sarro. Voor het menselijke oog is die beweging, gelijk aan ongeveer een derde van een haardikte, niet waar te nemen. “Maar voor een micro-actuator is het heel veel.”
Gevoel

Dr.ir. Chu Duc Trinh (Dimes), die ook vorige week promoveerde, kon de actuator van Lau goed gebruiken. De Vietnamees ontwikkelde in drie jaar tijd een tangetje dat kleine objecten kan oppakken. Objecten tussen de acht en de veertig micrometer. Als Trinh uitlegt hoe zijn grijper werkt vermorzelt hij bijna zijn plastic koffiebekertje. “Mijn grijper moest ‘voelen’ hoe hard hij knijpt. Dan kan hij ook dingen als biologische cellen oppakken zonder ze stuk te maken”, licht hij toe.

Om de grijper gevoel te geven, zette Trinh er smalle strookjes silicium op. Als het apparaat iets oppakt, worden de armen iets naar buiten geduwd. De strookjes silicium op die armen rekken daardoor uit of drukken in, zodat de weerstand in het silicium verandert. Trinh kan die weerstand meten en daaruit de knijpkracht afleiden. Als zijn grijper het object fijnknijpt, moet Trinh nu zelf ingrijpen. “Een volgende stap is een systeem op de chip te bouwen, waardoor die reactie automatisch gaat. Maar dat is aan een volgende onderzoeker.”

Vorig jaar, toen iedereen zich al naar het kerstmaal haastte, kreeg Trinh vlak voor het laboratorium sloot zijn ‘grijper met gevoel’ in handen. Het was niet makkelijk geweest, maar de chip was geproduceerd en Trinh kon hem gaan testen. Als eerbetoon aan zijn promotor verplaatste hij er heel nauwkeurig kleine bolletjes mee tot hij de eerste letter van haar voornaam had geschreven. Biologische cellen heeft hij er nog niet mee opgepakt. “Daarvoor wordt de grijper nog te warm. Maar dat is op te lossen door de armen iets langer te maken.”
Driedimensionaal

Lina Sarro vindt het belangrijk dat de onderzoekers in haar groep niet alleen chips ontwerpen, maar ze ook maken. “Iets ontwerpen is al moeilijk. Maar je wilt ook weten of het werkt en of je het kunt fabriceren.”

De faciliteiten om chips te maken zijn aanwezig in de cleanroom van Dimes. Maar de onderzoekers moeten wel slimme trucs bedenken, omdat deze standaardtechnieken eigenlijk bedoeld zijn om tweedimensionale elektronische chips te maken op vlakke plakken silicium. Voor Mems moet daar een dimensie bij. “Als je bewegende dingen op een chip wilt maken, moet je ruimte creëren voor die beweging”, zegt werktuigbouwkunde-promovendus ir. Warner Venstra. Je moet dus ‘putten’ maken in het silicium. Venstra hoopt op 7 januari te promoveren op zijn onderzoek naar de mogelijkheid om op de verticale en schuine wanden en de diepe bodems van die putten nog structuren aan te brengen.

‘Gewone’ chips maken op een plat oppervlak is nog geen kinderspel, maar toch al wel vrij standaard werk. Een ruimte met weinig stof, wat peperdure apparatuur en een hoop geduld is al wat je nodig hebt. Op een schijf silicium komt een heel dun laagje lichtgevoelige lak. Door die lak te belichten, met een masker tussen de lichtbron en de toekomstige chip, ontstaat een patroon op de lak. Waar licht kwam, is de lak hard geworden. Waar geen licht kwam niet, en op die plekken is het laagje nu weg te spoelen. Op de vrijgekomen stukken kun je iets aanbrengen, bijvoorbeeld aluminium. Maar je kunt er ook materiaal weghalen door te etsen. Een transistor heeft vaak wel tien tot vijftien laagjes op het silicium. Daarvoor moet de maker steeds opnieuw lichtgevoelige lak aanbrengen, belichten en stof aanbrengen of weghalen.

Op dezelfde manier, met lithografie en etsen, zijn ook gaten in allerlei vormen in het silicium te maken. Maar wil je op de bodem van zo’n gat of op een schuine wand nog wat materiaal weghalen, zoals Venstra, dan blijkt lithografie een stuk lastiger. Ten eerste is het moeilijk een net laagje lak aan te brengen op een bobbelig oppervlak. In de dalen wordt de laag al gauw wat dikker dan op de wanden, waardoor net als bij fotografie over- en onderbelichte stukken ontstaan. “De onderzoeksgroep bij Dimes heeft nu een manier gevonden waarmee het redelijk egaal wordt”, vertelt Venstra. “De logische volgende stap is dat je die laklaag gaat belichten om ook op de moeilijke vlakken structuren aan te brengen. Bewegende mechanica bijvoorbeeld.”

Venstra maakte een masker met een testpatroon van kruisjes, hield het boven een schuin vlak en zette er een lichtbundel op. Naast de te verwachten vervorming van het beeld, zag hij ook onverwachte afwijkingen tussen het masker en het belichte vlak. Sommige kruisjes kwamen op vreemde plekken terecht of leken in de belichte lak bijna een rondje. “Het probleem is onder meer dat de lichtbundel niet mooi parallel is, maar steeds een beetje breder wordt”, zegt Venstra. “Op een platte plak silicium hebben we daar geen last van, maar naarmate er meer ruimte is tussen het masker en het te belichten vlak, wordt het wel een probleem.”
Duikplank

Venstra wist nu hoe nauwkeurig hij lithografie toe kan passen in gaten van verschillende dieptes in een chip. In lijn met de filosofie van Dimes moest hij die fundamentele kennis toepassen en een chip maken. Hij ontwikkelde een microlaboratorium, een chip met allemaal putjes met daarin mechanische sensoren in de vorm van een duikplank. De chip moet DNA-onderzoekers helpen, bijvoorbeeld om snel te zien of iemand erfelijke aanleg heeft voor een bepaalde ziekte. De laborant smeert een druppel oplosmiddel met DNA-materiaal uit over de chip, waardoor in alle putjes een klein beetje terechtkomt. De duikplanken in die gaten hebben elk een specifieke gevoeligheid. Door te kijken hoeveel ze doorbuigen, kan de laborant afleiden welke DNA-moleculen op welke duikplank zijn blijven zitten. Zo weet hij iets over het DNA-materiaal dat hij wilde testen.

Venstra maakte de duikplanken in de diepte, door eerst een put te maken en daarna op die bodem weer lithografie toe te passen en de springplanken vrij te etsen. “Ik ben zo diep gegaan, dat ik tegen de grens aan zat van wat een acceptabele afwijking was.” Ook lukte het hem op een verticaal vlak patronen aan te brengen. “Bij mijn weten is dit nog niet eerder gelukt met standaard lithografische middelen. Ik krijg de patronen nog niet heel diep, maar dit is een begin”, zegt Venstra. Een toepassing is er volgens hem wel bij te vinden, maar hij kan er zo snel geen verzinnen. “Wanneer je ook op verticale wanden patronen kunt aanbrengen heb je ineens veel meer ontwerpmogelijkheden.” Hoe hij de patronen op de verticale vlakken kreeg, wil hij nog niet kwijt voor hij er in een wetenschappelijk tijdschrift over heeft gepubliceerd.

De vierde promovendus in de rij, ir. Vincent Henneken (Werktuigbouwkunde), verdedigt zijn proefschrift volgend voorjaar. In Delta 31 (‘Beweging in de chip’) staat hoe hij een zichzelf assemblerende chip ontwikkelde. Deze kan een glasvezel, die gebruikt wordt voor dataverkeer, in alle richtingen bewegen om hem maximaal 0,1 micrometer van de gewenste plek te manoeuvreren. Een ingenieus haakje houdt de vezel vervolgens op zijn plek. Henneken vroeg patent aan op de chip.

Met de vier promotieonderzoeken is de ontwikkeling van micromachines in Delft weer een stuk verder. Maar de aansturing van de machines gebeurt nog grotendeels buiten de chip. Henneken moet zelf het mechanisme aansturen dat de glasvezel beweegt. En de chip van Trinh kan nog niet zelf reageren als hij teveel kracht zet. Ook de aansturing op de chip zetten, is een volgende stap, denkt Sarro. Naast de ontwikkeling van een manier om ook in diepe putten en op schuine en verticale vlakken patronen te maken.

Sarro: “Als we mechanische beweging en elektronica op een chip goed kunnen combineren, hebben we een heel krachtig instrument. Dit is nauwkeuriger en vaak sneller dan een mens die het proces uitvoert.”

Promovendi Ghi-Keong Lau en Chu Duc Trinh ontwikkelden een chip waarop een kunstspier een tangetje aanstuurt. (Foto:Dimes)

Op de kaft van het proefschrift van dr.ir. Gih-Keong Lau prijkt een sterk uitvergrote foto van een kunstspier. In het echt is deze nepspier, of actuator, zo dik als een haar en ongeveer tien haardiktes lang. De actuator zit op een chip en zet, met hulp van een klein beetje stroom, andere onderdelen op de chip in beweging. Zo zijn minimachines te fabriceren, ook wel micro-elektromechanische systemen (Mems). In een wereld waarin alle apparaten steeds kleiner worden maar wel meer moeten kunnen, is de vraag naar deze Mems groot.

In de cleanroom van het Delftse instituut voor microsystemen en nanoelektronica (Dimes), weten de onderzoekers in stofvrije witte pakken alles van het maken van chips. Een paar honderd meter verderop, bij de afdeling Werktuigbouwkunde (Werktuigbouwkunde, Maritieme techniek en Technische materiaalwetenschappen), werken experts op het gebied van mechanica. Om deze kennis te bundelen, traden Dimes en Werktuigbouwkunde ongeveer zes jaar geleden in het huwelijk. Die verbintenis resulteerde vorige week in twee promoties en begin volgend jaar promoveren nog twee onderzoekers op een chip met bewegende onderdelen.
Skelet