instrumentatie voor nanometernauwkeurigheid • keuze van

VA K B L A D OV E R P R E C I S I E T E C H N O L O G I E J A A R G A N G 4 7 - N U M M E R 6

Instrumentatie voor nanometernauwkeurigheid • Keuze van elektromotor

Symposium IOP Precisietechnologie • Aluminium, kampioen van compromis

MEMS-structuren in kunststof • Lotus-textuur door gepulste laserablatie

Elektronen tonen het bewerken met ionen • Precisie efficiënt ontworpen

MIKRONIEK IS EEN UITGAVE VAN DE NVPTWWW.PRECISIEPORTAAL.NL

00_nr6_omslag 20-11-2007 15:37 Pagina I

00_nr6_omslag 20-11-2007 15:37 Pagina 2

45

12

18

23

29

34

3842

5051

54

EditorialFred van Keulen, programmacoördinator van MicroNed, over de positief uitgevallen mid-term review.

Instrumentatie voor nanometernauwkeurigheidOntwerp van een supernauwkeurige translatieslede voor onderzoekaan colloïdale suspensies.

Symposium IOP PrecisietechnologieVerslag van het symposium “Op vleugels van kennis”, met ondermeer presentaties van afgeronde IOP-projecten.

Keuze van elektromotorRekenen aan temperatuur en dissipatie in een elektromotor kanoververhitting en overdimensionering voorkomen.

Precisie efficiënt ontworpenError Analysis & Budgetting helpt foutenbronnen in positionerings-systemen in kaart te brengen en hun effect op de uiteindelijkenauwkeurigheid af te schatten.

Microstructurering van oppervlakkenMet behulp van ultrakort gepulste lasers kunnen waterafstotendelotus-bladeren worden geïmiteerd.

Aluminium, de kampioen van het compromisOndanks kunststoffen en keramische materialenis aluminium nog steeds populair voor precisie-instrumenten.

MEMS in kunststofTNO en TU/e werken samen aan het realiserenvan bewegende microstructuren in kunststof.

Elektronen tonen het bewerkenmet ionen Met elektronenmicroscoop en ionenbundelsysteem kunnen in éénpreparaatruimte ultrafijne bewerkingen worden uitgevoerd én bestu-deerd.

Mikrocentrum ‘Vonkrevival’ leidt tot themadag over vonkerosie.

NieuwsOnder meer:ESI-onderzoeksprogramma Tangram2D lineaire motor van Philips

Kennis van Elkanders KunnenTegema Group, high-tech projectenorganisatie.

Colofon

DoelstellingVakblad voor precisietechnologie en fijnme-chanische techniek en orgaan van de NVPT.Mikroniek geeft actuele informatie overtechnische ontwikkelingen op het gebiedvan mechanica, optica en elektronica.Het blad wordt gelezen door functionarissendie verantwoordelijk zijn voor ontwikkelingen fabricage van geavanceerde fijnmechani-sche apparatuur voor professioneel gebruik,maar ook van consumentenproducten.

UitgeverNederlandse Vereniging voor Precisie Technologie (NVPT)Postbus 1902700 AD ZoetermeerTelefoon 079 – 353 13 59Telefax 079 – 353 13 65E-mail [email protected]

AbonnementskostenNederland € 70,00 (ex BTW) per jaar Buitenland € 80,00 (ex BTW) per jaar

Redactie Hans van EerdenE-mail [email protected]

Advertentie-acquisitieNatascha van der LindenTelefoon 071 - 562 22 62E-mail [email protected]

Vormgeving en realisatieTwin Design bvPostbus 3174100 AH CulemborgTelefoon 0345 – 470 500Telefax 0345 – 470 570E-mail [email protected]

Mikroniek verschijnt zes maal per jaar.© Niets van deze uitgave mag overgenomenof vermenigvuldigd worden zonder nadruk-kelijke toestemming van de redactie.

ISSN 0026-3699

De coverfoto, gemaakt door Bart vanOverbeeke, toont een 3D-meettaster die eenfreeform werkstuk nadert.

6 In dit nummerIn dit nummerMMiikk

rroo

nniiee

kk

--

2200

0077

3N r . 6 2 0 0 7

03_03_nr6_inhoud 26-11-2007 12:17

N r . 6 2 0 0 7 4

edit

ori

alMicroNed, een van de grote Bsik-programma’s, werkt met een consorti-um van ongeveer dertig partners aan de ontwikkeling van microsysteem-technologie. Het programma (www.microned.nl) zal tot een versterkingvan de Nederlandse kennisinfrastructuur leiden en beoogt de basis te leg-gen voor nieuwe economische activiteiten in het micro- en nanoveld. Hetprogramma is opgebouwd uit twee applicatie-georiënteerde clusters(MISAT en SMACT) en twee clusters die zich richten op achtergrond-kennis voor de manufacturing (MUFAC) en de modellering (FUNMOD). Binnen MISAT staat de ontwikkeling van micro-satelliettechnologie cen-traal. Eind van dit jaar of begin volgend jaar hoopt het MISAT-onder-zoeksteam zijn eerste prototypes daadwerkelijk in een baan om de aardete hebben aan boord van een satelliet met de omvang van een melkpak.Het SMACT-cluster heeft als primaire focus de ‘natte’ micro- en nano-technologie en is onder meer gericht op de levensmiddelenindustrie.SMACT is het cluster met de meest intensieve industriële participatie.

De Bsik-programma’s (Besluit Subsidies InvesteringenKennisinfrastructuur, in 2003 door het kabinet gestart) zijn dit jaar onder-worpen aan een intensieve mid-term evaluatie. Voor MicroNed is dezereview op tal van aspecten uitgevoerd door een internationaal team vanexperts uit academia en industrie. De mid-term review is positief uitge-pakt voor het MicroNed-programma. Het review-team heeft het lopendeonderzoek van verreweg de meeste workpackages als goed tot excellentbeoordeeld.Kritische kanttekening is dat MicroNed nog beter uit de verf kan komendoor de interne samenwerking nog beter in te vullen. Daarnaast is hetreview-team van mening dat het programma nog meer toegevoegde waar-de krijgt door een zwaardere invulling van de gebruikerscommissiesbehorende bij de individuele workpackages.

Ik wil deze gelegenheid dan ook ‘misbruiken’ om de mogelijkheid vanparticipatie in MicroNed’s gebruikerscommissies onder ogen te brengenvan de Mikroniek-lezers. Deze gebruikerscommissies bieden de mogelijk-heid om in de keuken van MicroNed te kijken, industriële terugkoppelingaan de onderzoeksteams te geven en wellicht gebruik te maken van deonderzoeksresultaten.

Fred van KeulenProgrammacoördinator MicroNed(voor meer informatie: Richard van der Linde,[email protected])

MicroNed goed doorde mid-term review

04_04_nr6_editorial 26-11-2007 12:21

D

N r . 6 2 0 0 75

De schuimkraag van bier, pigmenten in verf of inkt, melk enmayonaise zijn maar een paar voorbeelden van colloïdalesuspensies. Kenmerkend is dat het een mengsel van tweestoffen betreft waarbij de ene stof in zeer fijne deeltjes (5 µmen veel kleiner) verdeeld zit in de andere. Als een colloïdalevloeistof in beweging is kan er ‘kristalvorming’ optreden ofkunnen deeltjes ‘versmelten’. De wetenschap heeft echternog weinig beeld van de wetmatigheden die hierbij gelden,zodat er op meerdere plaatsen onderzoek naar wordt gedaan.Het liefst zouden we een enkel deeltje volgen en zien wat ergebeurt. Er valt echter pas wat te zien als de colloïdale vloei-stof onder een sterk vergrotende microscoop wordt afgescho-ven, omdat de deeltjes zo klein zijn. Het verkrijgen van een

scherp beeld bij die sterke vergroting vereist een extreemprecieze rechtgeleiding.

InleidingDe Hippos (Figuur 1) is ontwikkeld om stromende colloïdalesuspensies te kunnen bestuderen. De deeltjes in deze vloei-stoffen zijn zichtbaar als tegen elkaar aangelegen bolletjes.Door de vloeistof tussen twee evenwijdige tegenovergesteldbewegende glasplaatjes af te schuiven (shearen) ontstaat eenlaminaire stroming. Afhankelijk van de snelheid van elk vande glasplaatjes is er op een bepaalde hoogte in de spleet eenvlak te vinden dat ten opzichte van het objectief van demicroscoop stil staat.

INSTRUMENTATIE VOOR NANOMETERNAUWKEURIGHEID

Laat deHippos maarschuiven

De Hippos is een parallelle shear-cell, een supernauwkeurige translatieslede voor een micro-

scoop die wordt gebruikt voor onderzoek aan colloïdale suspensies. Dat onderzoek vereist

een nauwkeurigheid in de orde van enige tientallen nanometers. Uitdagingen bij de construc-

tie van de Hippos waren onder meer het ontbreken van een stabiele granieten ondergrond,

het vatten van de glasplaatjes waartussen de suspensies worden afgeschoven, en de eisen aan

de aandrijving.

• J.H.J. Brand, J.L.A. van Gemert, J.Verkerk, Y.L.Wu,A. Imhof en A. van Blaaderen •

05_11_nr6_Shearcell 28-11-2007 15:28 Pagina 5

Omdat de bolletjes zo klein zijn, moet de microscoop waar-mee het afschuiven wordt bestudeerd een resolutie van 100nm hebben. Het afschuiven van de suspensie moet dusdanigstabiel worden gerealiseerd dat de afgebeelde laag vloeistofmet de resolutie van de microscoop maximaal een volledigstilstaand beeld oplevert. Hieruit volgde als ontwerpeis datde rechtloop en de snelheidsverhouding waarmee deze glas-plaatjes worden bewogen gezamenlijk een fout van minderdan 50 nm moeten hebben. Een soortgelijke eis geldt ook voor de vlakheid van de glas-

plaatjes. Het is vermoedelijk de geringe dikte van de glas-plaatjes (microscoop-preparaatglaasjes) die de oorzaak is dateen dergelijke kwaliteit niet te koop is. Om toch de benodig-de vlakheid te realiseren hebben we besloten de glaasjes opmetalen frames (cassettes) te spannen, die met de vereisteevenwijdigheid kunnen worden afgesteld. Doordat de cas-settes uitwisselbaar zijn kan in de toekomst extra kwaliteiten functionaliteit worden toegevoegd. Figuur 2 benoemt debelangrijkste onderdelen van de shear-cell en in detail hetshear-volume.

OntwerpeisenVoor het verkrijgen van een ‘stilstaand’ beeld zonder bewegingsonscherpte is het nodig dat twee sledes tegenelkaar inlopen met een rechtheid en evenwijdigheid beter dan50 nanometer. Dit is de helft van de afbeeldingsresolutie vande microscoop.Andere eisen zijn:• Evenwijdig in te stellen vloeistofspleet van 10-200 µm

tussen de glasplaatjes.• Snelheidsbereik: 2,5 µm/s - 10 mm/s.• Snelheidsfout: maximaal 2%. • Vrij te kiezen hoogte van het afbeeldingsvlak in de

vloeistofspleet, met andere woorden elk van de beide sleden moet het gehele snelheidsbereik doorlopen.

• Slaglengte: 15 mm.• Dampslot om de glaasjes, zodat een afgesloten ruimte

N r . 6 2 0 0 7 6


Figuur 2. Ontwerp van de shear-cell.(a) Overzichtstekening met aanduiding van de onderdelen.(b) Het shear-volume in detail.

Figuur 1. De Hippos, een shear-cell voor het onderzoek aan colloïdale suspensies.

a

b


ontstaat waarin het sample wordt afgeschoven, om uitdroging te voorkomen.

Ontwerp van de sledesOm bij het ontwerp gevoel te krijgen wat nanometernauw-keurigheid betekent is het interessant om aan een eenvoudigbalkelement te rekenen. Wat is voor de gegeven opstellingeen reële stoorkracht en wat levert dat aan vervormingenop? De indruk die je daaraan overhoudt is dat je met rubberin plaats van metaal aan het construeren bent. Alles ver-vormt.

De shear-cell moet de af te beelden laag stabiel op zijn plaatshouden ten opzichte van het objectief van de microscoop.Om thermische en andere invloeden te minimaliseren iservoor gekozen om de shear-cell rechtstreeks op de micro-scoop te plaatsen. Dit betekent dat de ruimte beperkt is endat hij niet al te zwaar mag zijn. Daarmee vervalt de keuze-mogelijkheid voor een stabiele en stijve granieten onder-grond zoals die bij vrijwel alle apparaten in het nanometer-bereik wordt toegepast. Een onorthodoxe aanpak is dus vereist. De constructie vanbed en geleidingen mag slechts weinig wegen en daarom isvoor de volgende oplossing gekozen: beide sledes bewegendoor middel van luchtlagers over dezelfde hoofdas. Eennevenas die met een tangentiële spriet is opgehangen, legt devijfde vrijheidsgraad, rotatie om de hoofdas vast. De lagers van beide sledes zijn om en om op de assengeplaatst zoals de bussen van een scharnier. Dit geheel isstijf. Het zijn de beide sledes die de nevenas uitlijnen tenopzichte van de hoofdas: de stijfheid ligt in de sledes en nietin het frame waarin de assen zijn opgehangen. Beide assenworden elk door vier lagers omsloten. Deze overbepaaldheidis ondervangen door de nevenas, die in het stijve vlak van detwee sledes ligt, relatief slap te maken.

De beperkte stijfheid betekent dat de vereiste hoge nauwkeu-righeid niet door het gehele apparaat gehaald kan worden:met het bewegen van een slede zal het hele frame vervormenonder invloed van het verschuiven van het zwaartepunt.Daarom is ernaar gestreefd de vervormingen rondom hetfocus van het microscoopobjectief minimaal te maken. Omdit te bereiken zijn onder meer de volgende zaken in het ont-werp verwerkt:• Beide sledes lopen over dezelfde geleiders; hierdoor is de

parallelliteit maximaal gewaarborgd.• Door de V-vorm van het slede-profiel (met een vrij te

kiezen hoek) kan het zwaartepunt heel dicht bij de hoofdas worden gelegd. De belasting en dus de vervorming van de nevenas is daardoor minimaal.

• Door de nevenas overbepaald te maken is deze zelfuitlijnend geworden met de hoofdas.

• De luchtlagerbussen van de nevenas zijn loodrecht op hetvlak van de slede gemonteerd; hierdoor veroorzaken ze geen spanningen loodrecht op dat vlak. In het vlak is de slede stijf, om de spanningen op te nemen.

• De nevenas is dunner dan de hoofdas om spanningen ten gevolge van fabrikage-onnauwkeurigheden in de sledes te verlagen. De nevenas is met een spriet afgesteund tan-gentiaal ten opzichte van de hoofdas. Daarmee is er geen overbepaaldheid bij de bevestiging op de microscoop. Het gebruik van poreuze New Way luchtlagers geeft een goede uitmiddeling van productiefouten in de geleide-assen. Deze lagers zijn zelfuitlijnend en daardoor gemak-kelijk in het gebruik. Ze zijn bovedien erg stil en relatief ongevoelig voor vervuiling in de luchttoevoer. Het afschuifvlak voor de vloeistoffen loopt door het hart van de hoofdas om Abbe-fouten te minimaliseren

• Het zwaartepunt van de sledes ligt horizontaal net naast de hoofdas. Daardoor kan een bevestigingspunt worden gerealiseerd voor de aandrijfmotor direct gericht naar het zwaartepunt, waarmee kantelmomenten worden vermeden.

• De plaatsopnemers (meetlinialen) zijn zo dicht mogelijk bij het objectief geplaatst waardoor afwijkingen in de gemeten positie als gevolg van thermische invloeden zijn geminimaliseerd.

Sommige van de bovenstaande keuzes zijn nog wat aange-past. Zo ligt het zwaartepunt van de sledes niet recht onderde hoofdas maar er net iets naast, zodat de nevenas enigszinswordt voorgespannen. Daarmee wordt voorkomen dat eenlage stijfheid ‘rondom 0’ wordt doorlopen.

Het vatten van de glasplaatjesDe glasplaatjes, waartussen de vloeistof wordt afgescho-ven, worden bevestigd op een uitneembare boven- enondercassette (frame); zie Figuur 3. Deze cassettes wor-den geplaatst in de bijbehorende sledes. Dit vereenvou-digt de toegankelijkheid en de uitwisselbaarheid van deglasplaatjes. Tevens geeft dit de mogelijkheid om in detoekomst, door het ontwikkelen van speciale cassettes,nog experimentele mogelijkheden aan de shear-cell toe tevoegen, zoals een opnemer voor real-time shear-kracht-meting.

N r . 6 2 0 0 77


Figuur 3. De uitneembare cassettes waarop de glasplaatjes worden bevestigd.

Voor het bevestigen van de glasplaatjes moest met een aan-tal eisen rekening worden gehouden. Zo ‘kijkt’ de micro-scoop van onder naar boven en omdat de focusdiepte bijdeze vergroting zeer beperkt is, moet het onderste glasplaat-je zeer dun zijn (0,13 mm). De glasplaatjes moeten gemak-kelijk kunnen worden vervangen door schone. Verder kun-nen de te onderzoeken vloeistoffen allerhande vluchtigeoplosmiddelen bevatten, die niet mogen weglekken. Dit allesbeperkt de opspanmogelijkheden van de glasplaatjes sterk.Ze zijn zo dun dat ze onder geen enkele omstandigheid vanzichzelf een submicrometer-vlakheid hebben. Derhalvemoest een bevestigingsmethode worden gevonden waarbijde glasplaatjes hun vlakheid overnemen van een referentie-vlak.

De oplossing is gevonden door de glasplaatjes aan de randop een zachte papieren drager te verlijmen. In de drager ziteen gat voor het objectief. De drager wordt verzadigd metepoxylijm, op de cassette gelegd en het glasplaatje er boven-op. Tijdens het uitharden wordt het glasplaatje met een plan-glas aangedrukt, zodat het de vlakheid van het planglas kanovernemen. De Newton-ringen die zichtbaar worden tussenhet planglas en het glaasje geven meteen weer hoe vlak deverlijming gebeurt.Het zachte papier met lijm functioneert daarbij als een bedvan veren die het glasplaatje gelijkmatig tegen het planglasdrukken. Het papier biedt tevens ruimte om kleine vervuilin-gen op te nemen zonder dat dit meteen de vlakheid van hetglas aantast. Verder voorkomt het papier geknoei met lijmdoseren. De verdeling van de lijm is gelijkmatig en het werktzeer hygiënisch. Het verwijderen van de glasplaatjes gebeurtdoor de cassette even boven 60 °C te verwarmen, waarna zeeenvoudig met een beitel kunnen worden losgestoken.

De shear-monsters bevatten oplosmiddelen. Zowel omARBO-redenen als om uitdroging te voorkomen, zijn onder-en bovencassette voorzien van een dampslot. Dat bestaat uiteen in elkaar passende rand en groef die met vloeistof gevuldis. De viscositeit van de afdichtingsvloeistof is zo gering datze het experiment niet beïnvloedt.

UitlijningEr zitten diktevariaties zowel in de lijmlagen als in de glas-plaatjes zelf. Dit betekent dat elke cassette voor elk opge-lijmd glasplaatje opnieuw uitgelijnd moet worden om hetglas evenwijdig aan de bewegingsas te krijgen. Ook moet deafstand tussen de glasplaatjes kunnen worden veranderd,zodat verschillende spleetbreedtes ingesteld kunnen worden.Dat betekent dat de drie oplegpunten op twee verschillendemanieren moeten kunnen worden ingesteld:

N r . 6 2 0 0 7 8


(b) Hefboom voor de afstelling van een oplegkogel.

Figuur 4. Oplegging van de cassette op de slede.

(a) Drie kogels op stelpunten.

a

b


• Individuele verstelling van de oplegpunten voor het evenwijdig stellen aan de bewegingsas.

• Gelijktijdige verstelling van de drie oplegpunten om de onderlinge afstand (spleetgrootte) te kunnen instellen

Dit is gerealiseerd zoals in Figuur 4 is weergegeven. Elkecassette wordt op de bijbehorende slede afgesteund met driekogels op drie stelpunten (Figuur 4a). In de stelpunten is eenhefboom verwerkt; hiermee kan elke oplegkogel afzonderlijkworden afgesteld met een resolutie van circa 10 nm (Figuur4b). Daarnaast kunnen de drie stelpunten met behulp van eenhorizontale plaat gelijktijdig een gemeenschappelijke ver-plaatsing op de drie kogels overbrengen. De schommel zet dehorizontale verplaatsing van de plaat om naar een verticaledie dient voor de instelling van de spleet tussen de glaasjes.De spleetinstelling heeft een slag van 0,2 mm. Dit is vol-doende om de hele spleet in te kunnen stellen. Wel is vereistdat het lijmen van de glasplaatjes binnen vrij kleine margeskan worden uitgevoerd.

De stelpunten zijn met bladveerscharnieren geconstrueerdom speling- en hysteresevrij te zijn. Om bij de beperkteinbouwruimte voldoende stelweg te hebben en gelijktijdigvoldoende stijf te zijn in de shear-richting, is gebruik

gemaakt van ‘sterveerscharnieren’. Deze bieden in een kleineruimte de genoemde voordelen en zijn eenvoudig uit éénstuk te maken door middel van draadvonken.

AandrijvingDe eisen die aan de aandrijving en snelheidsregeling wordengesteld zijn hoog. De laagste snelheid is 2,5 µm/s en dehoogste snelheid is 4.000 maal hoger. Tevens is het gewenstdat de snelheid met niet meer dan 2% varieert over het gehe-le bereik. De slag is met 15 mm vrij groot in verhouding totde gewenste nauwkeurigheid. De Hippos wordt bedreven bijzowel een constante shear-snelheid als met een sinusvormigsnelheidsprofiel.

Om snelheid te regelen wil men bij voorkeur een snelheids-opnemer in de regellus opnemen. Het is echter niet gelukteen opnemer te vinden die dit volledige snelheidsbereikmet voldoende nauwkeurigheid aankan. Derhalve is vooreen plaatsopnemer gekozen. Dit heeft tot gevolg dat deregelaar moet differentiëren, wat vertraging oplevert in deregellus. Om bij de lage snelheid geen last te hebben van‘dither’ (het schokkerig reageren van de regelaar omdat dedigitale positiesignalen met te lage frequentie binnenkomen) is voor een resolutie van 1 nm gekozen.

N r . 6 2 0 0 79

(b) Als aparte module buiten het hoofdframe van de shear-cell.

Figuur 5. De aandrijving met een piëzo-motor.

(a) Schematische weergave.


Heidenhain levert de LIP 372 linialen die met de gewensteresolutie en nauwkeurigheid werken. Bij de maximumsnel-heid betekent dit een baudrate op de ingang van de regelaarvan 1 MHz. Galil levert regelaars die zich in dit hele gebiedgoed gedragen.

De feitelijke aandrijving gebeurt met de piëzo-motoren vanNanomotion; zie Figuur 5a. Dit zijn motoren met resoneren-de piëzo-keramische stiften die over een keramische strip‘lopen’. Deze motoren staan bekend om een zeer hoge (sub-nanometer) stapresolutie en een onbeperkte slag. Minderbekend is dat de verplaatsing van deze motoren bij lage snel-heid onregelmatig was. Vermoedelijk kwamen de stiften danniet meer los van de strip als gevolg van de geringe uitsturingen kreeg stick-slip de overhand. Recentelijk heeftNanomotion dit ondervangen door de motoren anders aan testuren met de nieuwe AB5 versterker. De hoogfrequentehamerfunctie die aan het standaardsignaal is toegevoegd ver-zekert dat ook bij de kleinste stap de stiften van de motorloskomen van de strip zodat altijd een stap wordt gemaakt inde gewenste richting. Het gedrag van de motoren bij zeerlage snelheid is hierdoor aanzienlijk verbeterd.

StoorkrachtenDe aandrijving is als een aparte module vormgegeven enbuiten het hoofdframe van de shear-cell geplaatst; zieFiguur 5b. De normaalkracht die de piëzomotor op de bij-behorende strip uitoefent is dusdanig hoog dat deze eenaparte slede vereist. Via een dunne buigzame spriet wordtalleen druk- of trekkracht doorgegeven aan de slede van deshear-cell zodat er geen stoorkrachten op werken. Eenandere stoorkracht zou veroorzaakt kunnen worden door deluchtslang die de voeding van de lagers in de sledes van deshear-cell verzorgt. Wanneer het ene uiteinde aan de sledezit en het andere uiteinde aan de vaste wereld, dan veroor-zaakt het buigen van de slang een stoorkracht tijdens bewe-ging van de slede. Dit is opgelost met hulp van de motorsledes. Een van deluchtlagers van de motorslede is aangepast om door een hollelageras lucht naar de motorslede te voeren. As en lager heb-ben daarmee de functie van een wrijvingsloos schuivendeafdichting. Daarmee wordt druklucht van de vaste wereldnaar de bewegende slede overgebracht. Met een slang vanafde shear-cell-slede worden nu de lagers van de shear-cellgevoed. En omdat de snelheid van motorslede en shear-cellaltijd gelijk is, is daarmee de stoorkracht van de luchtslangop de slede van de shear-cell verdwenen.

ResultatenDe Hippos is in twee fasen gebouwd. Als eerste zijn de sle-des van de shear-cell met de luchtlagering gebouwd om tezien of de rechtgeleiding aan de nauwkeurigheidseisen vol-deed. Voor dat doel zijn speciale cassettes gemaakt die eenplanglas bevatten waarmee op de microscoop de rechtloop is

N r . 6 2 0 0 7 10


Figuur 6. Meting van de vlakheid van de glasplaatjes.

Figuur 7. De shear-cell op een microscoop.


gemeten. De meting werd als volgt gerealiseerd. Met demicroscoop kan zeer precies de glas-luchtovergang van hetplanglas worden vastgesteld. Na het uitlijnen van de plan-glazen bleek de grootste afwijking van de sledes in het beeldvan het objectief niet groter dan 40 nm. Deze constatering was het startsein om de tweede, duurderefase te realiseren, de aandrijving. Na inregeling van hetgeheel en een kleine aanpassing van de luchtdoorvoerendelagers bleek de aandrijving te werken over het hele gespecifi-ceerde snelheidstraject. Het lukt om de glasplaatjes met eenvlakheid van beter dan 1 µm op te spannen zonder gebruik tehoeven maken van een cleanroom; zie Figuur 6. Hoewel diteen orde minder vlak is dan gewenst, blijken de microscoop-beelden van voldoende kwaliteit, vermoedelijk door de lang-golvige aard van deze fout. Dit betekende een grote stapvooruit. Met de scherpte van de verkregen beelden kunnennieuwe analyses worden uitgevoerd en worden nieuwe tot nutoe onbekende verschijnselen waargenomen.

Tot slotHet werken met de shear-cell op de microscoop (zie Figuur7) en het produceren van goede afbeeldingen heeft nog welenige tijd gekost. De nauwkeurigheid waarmee dit apparaatwerkt, vergt van de gebruiker een goed inzicht in waar hijmee bezig is. Zeker het prepareren van de glasplaatjes op decassettes en het uitlijnen ervan is iets dat men in de vingersmoet krijgen.

De afbeeldingen die ermee gemaakt worden zijn echteruniek; zie Figuur 8. Zo kan onder meer de vorming ensmelt van de colloïd-kristallen worden gevolgd, de ordeningvan kristallen onder het afschuifregime en de sedimentatievan de colloïden op de glasplaatjes.

Het is erg prettig om met passieve middelen een hoge nauw-keurigheid te bereiken, omdat het de mechanische construc-tie aanzienlijk vereenvoudigt. Daardoor kan met twee één-assige aandrijvingen (meetsysteem, motor en regelaar) wor-den volstaan. De aanpak om de stijfheid van de geleidingenalleen door de sleden en de assen te laten realiseren heeftgewerkt en resulteert in een hoge nauwkeurigheid loodrechtop de bewegingsrichting over een lange slag van de slede.Ook het gewicht van de sledes is daardoor relatief geringgebleven.

AuteursnootJ.H.J. Brand, J.L.A. van Gemert en J. Verkerk zijn verbondenaan de groep Instrumentatie van de faculteitBètawetenschappen van de Universiteit Utrecht.Y.L. Wu, A. Imhof en A. van Blaaderen zijn onderzoekers bijhet programma Soft Condensed Matter and Biophysics aande faculteit Bètawetenschappen van de Universiteit Utrecht.

N r . 6 2 0 0 711

Figuur 8. Met behulp van de Hippos gemaakte microscoopafbeel-dingen van een colloïdale vloeistof.(a) Een afbeelding in het stilstaande vlak; men kijkt loodrecht op deverticale as. Bij t = 0 s zijn de colloïden ongeordend en bij t = 80 szijn ze door de schuifstroom in een kristalvormig patroon komente liggen. Het schaalstreepje komt overeen met 2 micrometer.(b) Stromingsprofielen bij verschillende afschuifsnelheden. Men kijktin het horizontale vlak, loodrecht op de bewegingsrichting. De pro-fielen zijn samengesteld uit proeven bij verschillende snelheden.

www.science.uu.nl/instrumentatie

Informatie

a

b


H

N r . 6 2 0 0 712

Het Innovatiegerichte Onderzoeksprogramma (IOP)Precisietechnologie is een onderdeel van SenterNovem, hetEZ-agentschap dat innovatie en duurzaamheid in Nederlandwil stimuleren. Het IOP Precisietechnologie financiert bij-voorbeeld doctoraalstudies en organiseert bijeenkomsten enexcursies.

Opening en welkomHet symposium op 10 oktober in Planetarium Gaasperplas teAmsterdam (zie Afbeelding 1) werd geopend door IOP-voor-zitter Lou Hulst. Hij legde uit dat kennisontwikkeling cen-

SYMPOSIUM IOP PRECISIETECHNOLOGIE

Op vleugels

• Jasper Wesselingh •

In oktober organiseerde het IOP Precisietechnologie het symposium “Op vleugels van ken-

nis”. De bijeenkomst was bedoeld voor een ieder die geïnteresseerd is in nieuwe ontwikkelin-

gen op het gebied van precisietechnologie. Naast presentaties over technische innovaties en

afgeronde onderzoeksprojecten kwamen (inter)nationale samenwerkingen en nieuwe onder-

zoeksprogramma’s aan bod.

traal staat in het programma; de afgelopen tien jaar zijn erdertig onderzoeksprojecten gestart, waarvan intussen achtafgerond. In totaal werken er 43 promovendi aan deze pro-jecten en is 10,5 miljoen euro aan subsidie verstrekt. Voorkennisoverdracht en het creëren en onderhouden van netwer-ken zijn begeleidingscommissies voor de projecten in hetleven geroepen. Deze stellen bedrijven in staat richting tegeven aan de projecten en brengen hen onderling in contact.Daarnaast wordt realisering van de IOP-doelen ondersteunddoor bedrijfsbezoeken, samenwerking met de NVPT en hetMikrocentrum en via internet (zie www.precisieportaal.nl).

Andere doelen van het IOP zijn zwaartepuntverschuiving enverankering van kennis. In 2003 is een begin gemaakt met deroadmap Precisie Technologie, met als doel een instituut voorprecisiesystemen. Uit de plannen voor dit instituut is uitein-delijk het Programme for High Tech Systems (PfHTS) voort-gekomen, waardoor het IOP zichzelf overbodig heeftgemaakt. Daarbij vindt er een verschuiving plaats naar nieu-we onderzoeksprogramma’s. Samen met een steeds uitgebrei-der netwerk vormen de nieuwe projecten de toekomst voorde precisietechnologie.

Programme for High Tech SystemsFrans van ’t Hullenaar sprak daarna over het nieuwe PfHTSen begon met een introductie van de relevante bedrijfstak. DeNederlandse high-tech industrie produceert momenteel voorzo’n 20 miljard euro en draagt zorg voor 140.000 banen. DeAfbeelding 1. Planetarium Gaasperplas. (Foto: Regardz)

12_17_nr6_IOP_symposium 28-11-2007 11:31 Pagina 12

markt is op te delen in original equipment manufacturers,subsysteemleveranciers en componentenleveranciers. Zijworden ondersteund door bedrijven en instellingen die ken-nis leveren. Kenmerkend is dat elk type bedrijven een eigensoort kennis in huis heeft en dus ook een specifieke behoeftewat betreft innovatie.

Het PfHTS wil zich toeleggen op vier takken binnen dehigh-tech industrie: micro-elektronica, printen, wetenschap-pelijke apparatuur en medische systemen. Binnen deze tak-ken zijn er drie belangrijke competenties: mechatronica,embedded systemen en integratie van systemen, waarbijvooral in dat laatste nog veel mogelijkheden zijn tot ont-wikkelen van kennis. Concrete doelen daarbij zijn hetgroeien van de sector, het creëren van nieuwe bedrijven enhet uitbreiden van de samenwerking binnen de EuropeseUnie.

Op het moment hebben dertig bedrijven en instellingen zichal verbonden aan het PfHTS en zijn er diverse activiteitengeorganiseerd, zoals de Masterclass Mechatronics, en wordtsamengewerkt met de NVPT rond de Summerschool voorOpto-mechanics. Daarnaast wordt er gewerkt aan een road-map voor alle projecten, waarvan er reeds een aantal isgestart, zoals voor adaptieve optiek en telerobotica.Het is de bedoeling om in het kader van de PfHTS nog meerprojecten te starten, het aantal partners uit te breiden en desamenwerking tussen de verschillende partners vorm tegeven. Daarnaast gaat het programma zich toeleggen op PRvoor de sector, om meer naamsbekendheid te genereren.

PrinttechnologieMartin Bakker, vice president R&D van Océ, gaf een presen-tatie over de groeiende mogelijkheden van inkjetprinttechnie-ken. Naast het conventionele ‘bevuilen van papier’ zijn ernieuwe markten waarvoor inkjettechnologie een interessanteproductietechniek kan zijn. Voorbeelden zijn platte beeld-schermen met OLED-technologie, flexibele elektronicaprintsen zonnecellen.De trends in inkjettechnologie kenmerken zich, zoals demeeste takken van de precisietechnologie, door systemen diesteeds kleiner, sneller en uitgebreider worden. Verder ligt denadruk bij inkjet steeds meer op volledig digitale systemenen schaalbare technologie, zodat steeds grotere arrays vanspuitmondjes geproduceerd kunnen worden. Voorbeeld hier-van is een nieuwe printkop van HP die met 100.000 nozzlespaginabreed kan printen.

De printkoppen voor het inkjet proces hebben grofweg tweeverschillende werkingsprincipes. Ten eerste thermische actu-atie, waarbij een deel van de inkt op waterbasis wordt ver-dampt om de rest te lanceren. De andere mogelijkheid is hetpiëzo-actuatieprincipe, dat krachtiger is en meer toepassings-mogelijkheden heeft wat betreft het gejette materiaal. OmdatMEMS-printkoppen (MEMS = Micro Electro MechanicalSystems) gemakkelijker schaalbaar zijn en beter geïntegreerdkunnen worden met het elektronische systeem, kiest Océvoor ontwikkeling in MEMS-technologie. Deze ontwikkelingen brengen natuurlijk een aantal uitdagin-gen met zich mee, vooral op het gebied van betrouwbaarheiden nauwkeurigheid. Daarnaast liggen er op systeemniveau(de combinatie van inkjet, inkt en substraat) veel onderzoeks-mogelijkheden. Voor de realisatie van deze systemen is Océeen nieuwe onderzoeksafdeling gestart op de High TechCampus Eindhoven, het Inkjet Application Centre. Samenmet partners wordt hier gewerkt aan de ontwikkeling vannieuwe printkoppen.

Bewerkingstechnologie in EuropaDaarna was het woord aan Christian Wenzel, afdelingshoofdvan het Center for Precision and Micro Technology aan hetFraunhofer Institute of Production Technology in Aachen(D). Het instituut werkt nauw samen met de plaatselijkeafdeling Productietechnologie van de Universiteit vanAachen. Wenzel presenteerde op het gebied van precisie-technologie een aantal interessante onderzoeken. Zo is eencarbon injectienaald ontwikkeld voor minimaal-invasievechirurgie in een MRI-scanner. Koolstofvezel is nodig om eenzo hoog mogelijke stijfheid te bereiken, zonder magnetischematerialen te gebruiken.

Ook conventionele bewerkingen kwamen aan bod. In nauwesamenwerking met industriële partners is een ‘mini-mill’ ont-wikkeld. Deze freesbank neemt slechts 1 m2 vloeroppervlakin beslag en kan met 0,5 µm nauwkeurigheid producten ver-spannen. Daarnaast zijn hoge snelheden en versnellingenhaalbaar, tot 15 m/s2 voor verplaatsingen en een spindel meteen maximum toerental van 160.000 rpm. Een ander interes-sant apparaat voor conventionele bewerkingen is een repara-tiemachine voor matrijzen. Omdat deze matrijzen tot wel 5 ton kunnen wegen, is er gekozen voor een geïntegreerdontwerp. Hierbij wordt de meetmodule voor foutdetectiesamengevoegd met de laser die gebruikt wordt om materiaalaan te groeien.Daarnaast wordt in Aachen veel onderzoek gedaan op het

N r . 6 2 0 0 713

van kennis


gebied van optica. Zoals aan ‘free-form optics’, waarbij eenmathematisch beschreven oppervlak zorgt voor nauwkeurigeprojecties van beelden. Tevens wordt er onderzoek gedaannaar het gieten en persen van nauwkeurige optische compo-nenten, wat vooral kostentechnisch zeer interessant is.

Eumecha RoadmapHet ochtendprogramma werd afgesloten door de Twentsehoogleraar Job van Amerongen met een voordracht over tweeEuropese samenwerkingen op het gebied van precisietechno-logie en mechatronica.Als eerste is er de Eumecha-pro roadmap als raamwerk voorde Europese samenwerking. Hierbij worden de verwachtin-gen uit de industrie en het onderzoek aan de universiteiten opelkaar afgestemd. Uit verschillende workshops en interviewsis gebleken dat een focus op hoge prestaties en betrouwbaar-heid, mechatronisch ontwerpen en flexibiliteit belangrijk zijn.

Daarnaast is er een groeiende behoefte aan software voorintegrale multidisciplinaire ontwerpmethoden. Dit werd geïllustreerd met een demonstratie van de ontwerpsoftwarevan een zogenaamde ‘people mover’, een onderzoek van deUniversiteit van Paderborn (D).

Daarnaast is er in Twente een regionale samenwerking meteen Duitse Fachhochschule uit Gelsenkirchen. Hierbij wor-den nieuwe ondernemingen en ook bestaande bedrijvenondersteund met advies, uitvoering, onderzoek en personeel.De combinatie van de toepassingsgerichtheid van deFachhochschule en de onderzoeksgeoriënteerde UT bleekeen goede basis voor een succesvolle samenwerking.

Profileren van diamantslijpschijvenNa de lunch was het de beurt aan zeven onderzoekers omhun afgeronde IOP-promotieonderzoek te presenteren.

N r . 6 2 0 0 7 14


Afbeelding 2. De add-on om diamantslijpschijven te profileren.


Jeroen Derkx van de TU Delft trapte af met zijn verhaal overhet profileren van diamantslijpschijven. Deze schijven zijnuitermate geschikt voor het bewerken van harde materialenmet hoge nauwkeurigheden. Het grote nadeel van het procesis echter dat de slijpschijven slijten tijdens de bewerking endaarom regelmatig moeten worden geherprofileerd. Hetonderzoek richtte zich op het slijpproces en het ontwerp vaneen machine om deze schijven te profileren.

Om de schijven te profileren wordt het mechanische bewer-kingsprincipe ‘crusheren’ gebruikt. Tijdens dit proces wordende bindingen tussen de diamantkorrels verbroken om hetgewenste oppervlak te creëren. Het is belangrijk dat tijdensdeze bewerking de profileerschijf en de diamantschijf metdezelfde snelheid lopen en nauwkeurig ten opzichte vanelkaar zijn gepositioneerd, dit om de slijtage tot een mini-mum te beperken.Voor het herprofileren is een testopstelling ontwikkeld dieals add-on in een bestaande machine kan worden geplaatst(zie Afbeelding 2), zodat alle bewerkingen in het proces opeen machine kunnen plaatsvinden. Het systeem is hydrosta-tisch gelagerd om tot de vereiste nauwkeurigheid te komen.Bijkomend voordeel is dat deze lagering zorgt voor demping.Een servosysteem zorgt voor de positionering.

MEMS-microtasterEdwin Bos van de TU Eindhoven hield daarna zijn verhaalover het ontwerp van een 3D-meettaster gebaseerd opMEMS-technologie. Deze meettaster kan worden toegepastin industriële coördinatenmeetmachines (zie Afbeelding 3)en is met zijn nauwkeurigheid van 50 nm momenteel denauwkeurigste taster ter wereld. Om deze nauwkeurigheid tebereiken wordt gebruik gemaakt van een tastkogel van slecht50 µm, welke onder een microscoop wordt geassembleerd.Naast de meetonzekerheid van slecht 50 nm, beschikt de tas-ter over een herhalingsnauwkeurigheid van 4 nm (2σ). Gezien de interesse uit de industrie is besloten een bedrijf testarten om de taster op de markt te brengen, Xpress PrecisionEngineering. Deze start-up heeft al meerdere beurzen gewon-nen, zoals de New Venture 2007 en de STW ValorisationGrant.

Lotus-textuurEen heel ander onderwerp, de lotus-microstructuur, werdgepresenteerd door Max Groenendijk van de UniversiteitTwente; zie ook het artikel elders in deze Mikroniek. Delotusbloem is waterafstotend doordat het bladoppervlak

bestaat uit een microstructuur waarop water geen ‘grip’krijgt. Een bijkomend effect daarvan is dat het oppervlakzelfreinigend is omdat kleine deeltjes worden opgenomen inhet water. Het doel van het onderzoek was een dergelijkestructuur na te bootsen voor toepassing in bijvoorbeeld zelf-reinigende materialen.

Het materiaal wordt geproduceerd in een spuitgietproceswaarmee oppervlaktestructuren met een grootte van onge-veer 10 µm worden gecreëerd. Op zo’n structuur bevindt zichweer een substructuur met een grote van 1 µm. Deze structu-ren kunnen worden gefabriceerd met een ‘ultra quad pulsed’laser. Deze zendt pulsen uit van 200 femtoseconden, waar-mee materiaal wordt verdampt zonder noemenswaardig restwarmte.

N r . 6 2 0 0 715

Afbeelding 3. De Gannen 3D-meettaster nadert een freeformwerkstuk. (Foto: Bart van Overbeeke)


Het resultaat is een oppervlak waaraan water zich niet kanhechten. Deeltjes op het oppervlak worden door het watergeabsorbeerd. Voor dergelijke oppervlakken zijn vele toepas-singen denkbaar. Er is een superhydrofobe naald ontwikkeldvoor het aanbrengen van kleine druppels, maar er wordt ookgedacht aan een toepassing in silicium pilaren, om zo eengroter oppervlak te creëren.

6-DoF MEMS-manipulatorUT-hoogleraar Herman Soemers presenteerde daarna de ont-wikkeling van een MEMS-manipulator met zes graden vanvrijheid (6 DoF). Het platform, ordegrootte van een paar mil-limeter, kan worden gebruikt als drager voor substraten ineen transmissie-elektronenmicroscoop (TEM). De stage heeftals specificaties een slag van 10 x 10 x 10 µm3 met een reso-lutie van 10 nm en een drift van 100 pm per 10 seconden.

Omdat de miniatuurstage binnen 5 mm tussen twee magneet-polen moet passen, is gekozen voor MEMS-technologie.Door schuin te etsen in het silicium is het mogelijk om driebladveren te fabriceren, waaruit de parallel kinematischeactuator kan worden samengesteld. Voor het verstellen wor-den zes elektrostatische actuatoren gebruikt; zie Afbeelding4. Omdat de TEM erg gevoelig is voor elektromagnetischevelden, mogen de actuatoren niet bekrachtigd worden tijdenshet scannen. Daarom is een klemmechanisme ontwikkeld datde elektrostatische actuatoren onbekrachtigd in positie kanhouden na het verstellen.

Een compleet functionerend systeem is uiteindelijk niet ge-realiseerd tijdens het project. De grootste knelpunten bij hetontwerpen waren de nauwe interactie tussen het ontwerp ende fabricage van een MEMS-systeem en het feit dat de fabri-cageprocessen spanningen in het silicium introduceren.

Laser die-transferIn samenwerking met Philips Applied Technologies en de UTheeft Natallia Karlitskaya de afgelopen jaren gewerkt aan hetoppikken van minuscule elektronische componenten (dies)met behulp van een laser. Het toepassingsgebied ligt in deIC-productie, waar componenten van een gezaagde wafer opeen drager moeten worden geplaatst. De gezaagde wafer zitopgespannen op een folie en de componenten worden nor-maal gesproken met een naald van de folie afgeprikt. Ditmechanische contact kan echter schade toebrengen aan dekristallen en de nauwkeurigheid van het opprikken is laag.

Het concept past een speciale folie toe, waarbij de warmtevan een laser zorgt dat het product loslaat. Uit het onderzoekblijkt dat een groene laser hiervoor het beste werkt en dat hetintensiteitsprofiel van de laser een kritieke rol speelt in denauwkeurigheid van het systeem. Het idee is toegepast in eenpick & place-machine voor surface mount-componenten,waarbij de kristallen worden gelost door de laser en na 200µm vrije val door een vacuümpipet worden opgevangen.Daarbij wordt een nauwkeurigheid gehaald van 25 µm.

Vezel-chipkoppelingDe laatste twee presentaties gingen over het koppelen van eenglasvezel aan een chip met een laser- of fotodiode. VincentHenneken van de TU Delft ontwikkelde en testte hiervoor eenMEMS-concept. Dat is interessant omdat de functionaliteitvoor het uitlijnen aan de chip zelf wordt toegevoegd en hetuitlijnen niet meer in de productielijn hoeft plaats te vinden.Omdat de vezel zelf een vrij onnauwkeurig product is, is hetbelangrijk om actief uit te lijnen, dus de positie te bepalenwaar de doorvoer van de koppeling maximaal is.

Het uitgewerkte concept bestaat uit een thermische actuatormet een slag van 20 µm en een actuatiekracht van 3 mN. Devezel ligt hierbij in een wig, waarbij beide schuine zijdesgeactueerd kunnen worden. Dit levert een twee-dimensionaalwerkgebied in de vorm van een ruit op, waarbinnen de vezelgepositioneerd kan worden. Als de vezel eenmaal in de opti-male positie is gebracht, dient deze nog gefixeerd te worden.Het klemmechanisme hiervoor werkt tevens met een ther-

N r . 6 2 0 0 7 16


Afbeelding 4. De 6-DoF MEMS-microstage. De elektro-statische actuatoren en bladveergeleiding zijn zichtbaar.


misch actuatieprincipe en kan de vezel op 100 nm nauwkeu-rig fixeren met een klemtandje van slechts 25 x 10 µm2; zieAfbeelding 5. De uiteindelijke fixatie blijkt te functionerentot versnellingen van 150 m/s2 in het bereik van 20 tot20.000 Hz.Georgi Petkov van de TU/e tot slot sprak over een anderactuatieprincipe voor het uitlijnen van glasvezels. Dit sys-teem gebruikt laserpulsen om de klem van de vezelkoppelingzo te vervormen dat een optimale uitlijning wordt bereikt. Delaserpulsen verwarmen het materiaal en introduceren zospanningen en plastische vervormingen in het materiaal. Perpuls treedt een verplaatsing op van ongeveer 0.5 µm.De bedachte ‘paperclip-actuator’ kan worden gebruikt om devezel in het vlak te positioneren. Een probleem daarbij is datde snelle verwarming zorgt voor een grote uitslag, hetgeenweer kan leiden tot contact tussen de vezel en de chip, en dat

is niet wenselijk. Met behulp van FEM-methoden is het ont-werp zo geoptimaliseerd dat deze uitwijking geminimali-seerd kan worden.

AuteursnootJasper Wesselingh is als promovendus verbonden aan deMechatronica-groep van de afdeling Precision andMicrosystems Engineering van de TU Delft.

N r . 6 2 0 0 717

www.senternovem.nl/iopprecisietechnologie

Informatie

Adbeelding 5. 1D fiberpositioneer- en klem-functie in actie (fiberdiameter 125 µm).


O

N r . 6 2 0 0 718

Oververhitting en overdimensionering lijken twee begrippendie niks met elkaar te maken hebben.Toch zijn ze de keerzij-den van dezelfde medaille bij de keuze en aanschaf van elek-tromotoren. Oververhitting is namelijk het meest voorko-mende faalmechanisme van een te krap gedimensioneerdeelektromotor. Vooral bij moderne elektromotoren met sterkemagneten en een compacte bouwwijze kan de motor zijnwarmte moeilijk kwijt. Oververhitting kan leiden tot:• het falen van de windingsisolatie, hetgeen resulteert in

kortsluiting en mogelijk uitbranden van de motor;• het falen van de lagers, hetgeen resulteert in

een vastlopende motor;• degradatie van de magneten (de magneten verliezen

permanent aan kracht), zodat de motor nooit meer het piekkoppel kan leveren waarvoor het ontworpen is.

Het is daarom belangrijk oververhitting te voorkomen. Veelalwordt dit bereikt door de motor groter te kiezen dan aanvan-kelijk is berekend. De noodzakelijke mate van overdimensio-nering is vaak giswerk, omdat de werkelijke eindtemperatuuronbekend is. Om maar voldoende zekerheid te hebben, wordt

de motor sterk overgedimensioneerd, waardoor deze onnodigduur wordt. Dat is de prijs voor de extra ‘zekerheid’.Gedetailleerde bepaling van de temperatuur van de motorkan voorkomen dat men te veel overdimensioneert. Menweet precies waar de grens ligt, zodat met kennis van zakeneen motor kan worden gekozen. Hier wordt uitdrukkelijk nietvoorgesteld om de grens van het toelaatbare op te zoeken –wel dat men met beleid een overdimensionering kan bepalenals men de grens daadwerkelijk kent.

Voor het vooraf voorspellen van de motortemperatuur is hetnodig af te wijken van een ‘ideale’ voorstelling van eenmotor waarbij dissipatie recht evenredig is met het koppel.In werkelijkheid neemt de dissipatie namelijk meer danevenredig toe als een groter koppel wordt gevraagd. Ditheeft vergaande consequenties en vraagt om een rekenwijzedie daarmee rekening houdt, om aldus voor een bepaaldeapplicatie de beste motor te kunnen bepalen.

Warmteontwikkeling in de motorAls de motor een koppel levert zal een stroom vloeien die

KEUZE VAN ELEKTROMOTOR

Voorkomoververhitting

Bewegende mechanismen worden in de precisietechnologie vaak aangedreven door een ser-

vomotor.Voor het juiste ontwerp is het belangrijk dat deze het koppel en de snelheid levert

die nodig zijn voor het goed functioneren van het mechanisme. Bij de keuze van een goede

servomotor wordt de precisietechnoloog geconfronteerd met hele andere specificaties, zoals

de warmteontwikkeling van de motor. Is de servomotor te klein gekozen dan wordt deze te

warm; wordt de servomotor te groot gekozen dan is deze onnodig duur of te volumineus. Dit

artikel presenteert een rekenwijze waarmee de temperatuur en de warmteontwikkeling van

een gelijkstroommotor en borstelloze motor nauwkeurig kunnen worden voorspeld. Dit kan

helpen oververhitting en overdimensionering te voorkomen.

• Edward Hage •

18_22_nr_SpecAmotor_1_NIEUW 28-11-2007 12:05 Pagina 18

dissipatie veroorzaakt in de eindige weerstand van de motor-windingen. De volgende effecten treden dan op:1. De windingen zullen opwarmen en dit zal de Ohmse weer-

stand R van de windingen doen toenemen.2. De magneten zullen opwarmen en dit zal de motor-

constante k doen afnemen.

De verhoogde weerstand R zal de elektrische dissipatie doenverhogen (gevolg van effect 1). Bij een afgenomen motor-constante is een grotere stroom I nodig om hetzelfde koppelT te kunnen leveren. Deze grotere stroom zal de elektrischedissipatie eveneens verhogen (gevolg van effect 2). Formule1 vat het gevolg van deze twee effecten samen.

Formule 1. Elektrische dissipatie en stroom nemen toe bij eenhogere temperatuur.

Deze verhoogde elektrische dissipatie zal resulteren in eenverdere verhoging van de temperatuur die op haar beurt destroom I en de weerstand R verder zal doen verhogen. Dit iseen cumulatief effect dat uiteindelijk resulteert in een even-wichtssituatie voor de dissipatie.Opmerking: De cumulatieve verwarming zal niet in alle situ-aties resulteren in een evenwichtssituatie. Bij een significanteoverbelasting van de motor zal de dissipatie en de tempera-tuur zo veel stijgen dat beide termen naar oneindig verdwij-nen. In de praktijk zal dit resulteren in het uitbranden van demotor. Dit is dus zeker geen theoretische situatie!

De effecten van de temperatuur op k en R worden beschrevenmet Formules 2 en 3.

Formule 2.Temperatuurafhankelijkheid van R.

Formule 3.Temperatuurafhankelijkheid van k.

De weerstand R is afhankelijk van de windingstemperatuurθwinding.Rref is de referentieweerstand en kref is de referentie-motorconstante gegeven op een referentietemperatuur θrefvan 20 °C.

Deze formules vertellen het volgende:• De weerstand R zal lineair toenemen met de windings-

temperatuur volgens α. Deze materiaalconstante bedraagtvoor koper (het materiaal van de windingen) 0,00393 K-1.

• De motorconstante k zal lineair afnemen met de magneet-temperatuur volgens TKBr (afnemen omdat TKBr altijd een negatieve waarde heeft). Deze materiaalconstante verschilt per magneetsoort; zie Tabel 1.

Tabel 1.Verval van de magnetische fluxdichtheid TKBr voor ver-schillende magneetmaterialen.

Hogere dissipatieMet Formules 1 t/m 3 kan de dissipatie worden bepaald bijverhoogde motortemperatuur. Dit wordt gegeven in Figuur 1voor twee waarden van TKBr. De dissipatie is uitgedrukt alspercentage van de dissipatie bij omgevingstemperatuur (100%bij 20 °C). Voor het rekengemak wordt aangenomen dat dewindings- en magneettemperatuur aan elkaar gelijk zijn.

Figuur 1. Dissipatie neemt toe bij toenemende motortemperatuur.

N r . 6 2 0 0 719

en overdimensionering

Materiaal TKBr [%/K]Gegoten of gesinterd SmCo -0,005 tot -0,07Gelijmd (bonded) SmCo -0,04Gesinterd SmCo5 -0,04Gesinterd Sm2Co17 -0,03Ferriet -0,2Alnico -0,01 tot -0,025Gelijmd (bonded) NdFeB -0,2Gesinterd NdFeB -0,07 tot -0,16Nd2Fe14B -0,1


Uit Figuur 1 kan worden geconcludeerd dat de dissipatiebehoorlijk stijgt als functie van de motortemperatuur. Bij 108 °C is de dissipatie (voor TKBr = -0,2%/K) reeds 200%,oftewel twee keer zo groot als bij omgevingstemperatuur. De maximale temperatuur wordt veelal bepaald door de iso-latieklasse van de windingen. Voor de hoogste isolatieklasseH bedraagt de maximale windingstemperatuur 180 °C (vol-gens norm IEC:2004 60034-1). Omdat de dissipatie sterkstijgt, is het essentieel om te bepalen of we in de buurtkomen van de maximale temperatuur. Dit vereist meer infor-matie over de motor.

Thermisch model motorDe uiteindelijke motortemperatuur is afhankelijk van de uit-voering van de motor. Met een thermisch model kan wordenweergegeven hoe de temperatuur afhangt van de eigenschap-pen van de motor en de dissipatie. In Figuur 2 wordt het ther-mische model getoond; het is generiek voor alle elektro-motoren met permanente magneten (PM).

Gedetailleerd thermisch model

Pelec = elektrische dissipatiePfric = mechanische frictieRth1 = thermische weerstand tussen windingen en huisRth2 = thermische weerstand tussen huis en omgevingRhs = additionele heatsinkCth1 = thermische capaciteit tussen windingen en huisCth2 = thermische capaciteit tussen huis en omgevingθwinding = windingstemperatuurθhouse = huis- of statortemperatuurθamb = omgevingstemperatuur

Figuur 2. Gedetailleerd thermisch model voor PM-motor.

Als er thermisch evenwicht heerst, kunnen de temperaturenworden bepaald volgens Formules 4 en 5.

Formule 4. Evenwichtstemperatuur van de windingen voor gede-tailleerd thermisch model.

Formule 5. Evenwichtstemperatuur van de motorbehuizing voorgedetailleerd thermisch model.

De magneettemperatuurDe magneettemperatuur is niet aangegeven in Figuur 2, wantafhankelijk van het motortype. Er zijn hier drie motortypente onderscheiden:• borstelmotoren,• borstelloze motoren,• synchroonmotoren.

Bij borstelloze en synchroonmotoren zijn de magnetenbevestigd aan de rotor, en de windingen aan de behuizing.Bij de borstelmotor zijn de magneten bevestigd aan de behui-zing en de windingen aan de rotor. Voor de borstelloze en desynchroonmotor geldt dat de magneettemperatuur ongeveergelijk is aan de windingstemperatuur. Bij een borstelmotor istussen de magneet en de windingen een luchtspleet aanwezigdie de thermische weerstand domineert. Daarom zal de magneettemperatuur veel dichter bij de behuizings- dan bijde windingstemperatuur liggen.Zodoende is de magneettemperatuur per type motor samen tevatten als:

Simpel thermisch modelMet het thermische model zoals gegeven in Figuur 2 kunnende windings- en behuizingstemperatuur apart wordenbepaald. Hiervoor is het nodig om de thermische weerstandtussen de windingen en huis, en tussen huis en omgeving(respectievelijk Rth1 en Rth2) te kennen. Soms wordt dezeinformatie niet verschaft door fabrikanten, zodat de afzon-derlijke temperaturen niet kunnen worden bepaald. Vaak vol-staan fabrikanten met het geven van één thermische weer-stand voor de gehele motor. In dat geval wordt het simpele,minder nauwkeurige model van Figuur 3 toegepast. Hier issprake van één motortemperatuur.

N r . 6 2 0 0 7 20



Pelec = elektrische dissipatiePfric = mechanische frictieRth = thermische weerstand tussen motor en omgevingCth = thermische capaciteit van de motorθmotor = motortemperatuurθamb = omgevingstemperatuur

Figuur 3. Simpel thermisch model voor PM-motor.

Als er thermisch evenwicht heerst kan de motortemperatuurworden bepaald volgens Formule 6. Deze geldt voor het simpele thermisch model.

Formule 6. Evenwichtstemperatuur van de motor voor simpelthermisch model.

Voor de volledigheid geldt hier, onafhankelijk van typemotor:

Formule 7.Temperatuur van de motor voor simpel thermischmodel.

Voorbeeld: berekening juiste motortemperatuurNu kan de motortemperatuur worden bepaald, zodat deinvloed van de verhoogde dissipatie duidelijk wordt. Voor deberekening gaan we voor het gemak uit van het simpele ther-

mische model en een elektromotor met onderstaande gege-vens en aandrijfsituatie: • Werkpunt (T; ω) = (1 Nm; 2.000 rpm)• Motoreigenschappen: R = 10 Ω, k= 0.4714 Nm/A

(beiden bij 20 °C) en Rth = 1 K/W. • Omgevingstemperatuur: 20 °C. • Magneetsoort: verlijmd NdFeB, waarbij

TKBr = -0.2 %/K. • Frictie: buiten beschouwing gelaten.

Volgens Formule 1 kan de dissipatie worden bepaald eningevuld in Formule 6 levert dit de motortemperatuur:

De motortemperatuur wordt dus 65 °C als k en R niet afhan-kelijk zouden zijn van de temperatuur. Zoals we weten zal dedissipatie toenemen omdat R en k wel veranderen. Dezegrootheden worden (Formule 7 ingevuld in Formules 2 en 3):

Deze waarden ingevuld in dezelfde formules levert:

De motortemperatuur is nu 84 °C en dus 19 °C hoger daneerder bepaald. Maar nog is dit niet de uiteindelijke motor-temperatuur, omdat R en k bij 84 °C immers weer anderszijn. Hun waarden moeten net zolang worden ingevuld inFormule 1 en 6 totdat het resultaat niet meer verandert. InTabel 2 zijn de resultaten van deze iteratieve berekeninggegeven. De juiste motortemperatuur wordt pas bekend na 21iteraties en bedraagt 112 °C in plaats van 65 °C.

N r . 6 2 0 0 721


Tabel 2. Iteratieve berekening van de motortemperatuur.

ConclusieUit het voorbeeld kunnen we concluderen dat de invloed vande Ohmse weerstand R en de motorconstante k op de tempe-ratuur zeer significant is. Als deze invloed niet wordt mee-genomen, wordt een foutieve eindtemperatuur berekend van65 °C in plaats van de juiste 112 °C. Het is gemakkelijk tebegrijpen dat dergelijke fouten kunnen leiden tot het vroeg-tijdig falen van een elektromotor.

DatabaseHet enige dat nog rest is de benodigde motorgegevens te ver-zamelen uit catalogi en websites van fabrikanten. Dan is eenobjectieve vergelijking mogelijk van de prestaties van ver-schillende merken; de motoren worden immers op dezelfdemanier doorgerekend. De ontwerper is niet meer afhankelijkvan het subjectieve advies van een fabrikant, niet zeldeningegeven door de huiver voor oververhitting, hetgeen een tedure motor kan opleveren.Het vinden van de motorgegevens kost echter veel speurwerk;hier biedt www.specAmotor.com een oplossing. De site iskostenloos te gebruiken en biedt een database met meer dan10.000 motorconfiguraties van dertien merken. SpecAmotorrekent al die configuraties door voor een specifieke toepas-sing na opgave van gewenste koppel en snelheid. De motor-temperatuur wordt dan bepaald zoals hiervoor beschreven. De geschiktheid van een motor wordt daarbij getoetst aan detemperatuur én aan de navolgende criteria:• Maximale stroom: de stroom mag voor korte perioden

erg hoog zijn, maar niet zo hoog dat de magneten demagnetiseren.

• Maximale snelheid: deze wordt voor een borstelloze motor bepaald door de lagering die geschikt is tot een bepaald toerental. Voor borstelmotoren wordt de maximalesnelheid veelal beperkt door contactverlies van de bor-

stels ten gevolge van de onrondheid van de collector, hetgeen gepaard gaat met ernstige vonkvorming.

• Maximaal vermogen: voor borstelmotoren wordt dit veelal beperkt door de commutatiegrens.

• Maximaal koppel: als een reductiekastje voor de motor aanwezig is, zal dit een maximaal piekkoppel kunnen doorleiden. Grotere koppels leiden tot mechanische schade van de reductie.

• Maximale klemspanning: vooral relevant bij borstelmotoren,waar een te hoge klemspanning vonkvorming tussen borstels en collector veroorzaakt en de levensduur van de motor verkort.

De berekeningen zijn gevalideerd door John Compter, eenautoriteit op het gebied van elektromotor-ontwerp en werk-zaam bij Philips Applied Technologies; zie ook het kaderover zijn boek dat gratis beschikbaar is via specAmotor.

AuteursnootEdward Hage studeerde aan de HTS in Amsterdam enWerktuigbouwkunde aan de Universiteit Twente. Daarnawerkte hij bij E.Co Engineering in Hengelo en bij ASML alsmechatronicus in de Stages-groep. In 2004 startte Hage metConfirmat in Helmond om internetconcepten voor de techni-sche gemeenschap, zoals specAmotor, te gaan ontwikkelen.

N r . 6 2 0 0 7 22


SpecAmotor biedt via de website gratis het boek “Electricaldrives for precision engineering designs” van John Compteraan. Dit boek is bedoeld voor engineers die een elektromo-tor zoeken voor nauwkeurige toepassingen. Zo’n motor moetzijn last nauwkeurig, maar ook snel kunnen positioneren opde gewenste locatie. Compter laat zien welke motoren hier-voor geschikt zijn, en geeft een uitgebreide vergelijking metvoor- en nadelen van de verschillende motortypes. Daarnagaat hij in op het thermische gedrag van motoren en toontaan dat waarden die normaal ‘constant’ worden veronder-steld, helemaal niet constant zijn. Dit kan de prestaties van demotor significant verslechteren. Door rekening te houdenmet deze invloed bij de keuze van een motor, kan oververhit-ting worden voorkomen. SpecAmotor gebruikt deze kennisbij het berekenen van de beste motor. Compter sluit af meteen uitvoerige behandeling van lineaire en voice-coil motoren.

www.specamotor.com

Gratis boek

Iteratie Θmotor [°C] R [Ω] k [Nm/A]1 65,0 10,00 0,4714 2 84,0 11,77 0,4290 3 94,0 12,51 0,4111 4 100,0 12,91 0,4016 5 103,9 13,15 0,3959 6 106,4 13,30 0,3923 ... 11 111,1 13,56 0,3859 ... 16 111,9 13,61 0,3848 ... 21 112,0 13,62 0,3846


I

N r . 6 2 0 0 723

In de praktijk ontaardt het ontwerpen van precisie in hetmicrometerregime vaak in een trial & error-methode, waarbijalles uit de kast wordt gehaald om het ontwerp binnen degestelde nauwkeurigheid te brengen. Dit is een probleemomdat aanpassingen in dit late stadium van het ontwikkel-traject resulteren in een aanzienlijk latere opleverdatum en inhogere kosten van het ontwerp.Belangrijkste oorzaak van deze overschrijdingen ligt in desituatie dat de uiteindelijk behaalde nauwkeurigheid bepaaldwordt door een groot aantal foutenbronnen, die pas geleide-lijk tijdens het ontwerpen aan het licht komen. Ook kan hetgebeuren dat een op zichzelf goed conceptontwerp tijdenshet detailleren ondergraven wordt door kleine, maar – naarlater blijkt – toch essentiële wijzigingen. Een andere oorzaakis dat veel aandacht uitgaat naar het beheersen van één ofenkele bekende foutenbronnen, zoals bijvoorbeeld de nauw-keurigheid van een positiesensor, en maar weinig aandachtwordt gericht op het inventariseren van het samenspel vanalle foutbijdragen in het gehele systeem.

Error Analysis & BudgettingEssentieel onderdeel van de ontwikkeling van precisie-appa-ratuur is daarom het verwerven van voldoende inzicht en

overzicht met betrekking totalle mogelijke foutenbronnendie de uiteindelijk te behalenpositie zullen gaan beïnvloe-den. Dit inzicht is niet alleenbelangrijk tijdens de oriënte-rende of conceptfase, maartijdens het gehele ontwerp-proces.

LEZING PRECISIEBEURS 2007

Precisie efficiëntontworpen

In de precisietechnologie gaat veel aandacht uit naar het ontwerpen en maken van nauw-

keurige positioneringssystemen. In de praktijk blijkt echter dat precisie zich niet gemakkelijk

in het steeds strakker wordende keurslijf van doorlooptijd en kostprijs laat drukken. Maar al

te vaak valt de behaalde nauwkeurigheid bij eerste oplevering tegen. Error Analysis &

Budgetting kan dergelijke teleurstellingen voorkomen. Het is een methode om foutenbronnen

in positioneringssystemen systematisch in kaart te brengen en hun effect op de uiteindelijke

nauwkeurigheid af te schatten.

• Tom Bijnagte •

Figuur 1. Error Analysis &Budgetting ‘maakt gehakt vanfouten’.

23_28_Bijnagte 30-11-2007 10:29

Error Analysis & Budgetting (EA&B) is een methode omfoutenbronnen in positioneringssystemen systematisch inkaart te brengen en daarbij aan te geven welke fouten essen-tieel zijn voor het gehele systeem; zie Figuur 1. Het gaathierbij zowel om het identificeren van de foutbron, als omhet schatten van het effect van de fout op de uiteindelijkenauwkeurigheid.

Centraal in het proces van EA&B is het vinden van de ketenvan fouten, die een fysieke route door de constructie loopt.Zo’n keten loopt dan langs een aantal fysieke interfacepun-ten, zoals contactvlakken en passingen. Maar ook het cen-trum van het meetbereik van het positiemeetsysteem kandienst doen als zo’n interfacepunt. De verbinding tussen deinterfacepunten wordt gevormd door fysieke maten, die elkeen eigen positiefout bijdragen. Een voorbeeld is in het kaderop pagina 25 weergegeven voor een schuifmaat.

Analyse van een waferlaadmechanismeElke positiefout is zelf ook weer op te delen in een aantalonderliggende fouten, waardoor een foutenboom ontstaat.Een voorbeeld van zo’n gelaagde foutenboom is te vinden inde analyse van een laadmechanisme voor wafers, zoals

gebruikt voor de productie van halfgeleiders, zoals IC’s. Een wafer is een dunne plak siliciumkristal, waaruit de IC’sgemaakt worden; zie Figuur 2. Tijdens het fabricageprocesbezoekt een wafer een groot aantal bewerkingsstations, zoalseen wafertrack in Figuur 3. Bij een aantal van deze stationsis het van belang de wafer met een nauwkeurigheid vanenkele tientallen micrometers in zo’n apparaat te plaatsen.

N r . 6 2 0 0 7 24


Figuur 2.Wafer.

Figuur 3.Wafertrack.

23_28_Bijnagte 30-11-2007 10:29

N r . 6 2 0 0 725

Als eenvoudig voorbeeld bekijken we een samenstelling dieslechts bestaat uit starre mechanische onderdelen: eenmechanische, analoge schuifmaat. Bij de schuifmaat is de kriti-sche maat de afstand tussen de twee tasters.Voor de nauw-keurigheid van deze maat kunnen we aan de hand van Figuur4 een tolerantieketen opstellen: een keten van interfacevlak-ken, aangegeven in blauw, verbonden via afstandsmaten metelk een eigen nauwkeurigheid, aangegeven met de gele pijlen.Eén van de tasters vormt het begin van de keten, we kiezenhiervoor de linkertaster. De tolerantieketen loopt dan van hetcontactvlak via de schaalverdeling naar het contactvlak van derechtertaster. Onderweg passeert de keten enkele interfaces,die onderling verbonden zijn via maakfouten, de tolerantiesop de tekening.

Figuur 4. Schuifmaat: kritische maat en foutenketen.

Het nauwkeurigheidsbudget is nu eenvoudig op te stellendoor de keten te volgen en voor elke verbinding tussen deinterfaces na te gaan welke foutenbronnen een rol spelen.Voor elk van deze fouten kan een bijdrage worden afgeschat;zie Tabel 1. Hierbij moet worden opgemerkt dat alleen foutenin de schuifmaat zelf zijn betrokken. Fouten in het te metenproduct blijven hier buiten beschouwing, zoals vervorming of

krimp/rek ten gevolge van temperatuurverschillen.Bij het optellen van de fouten kan gebruik worden gemaaktvan het feit dat de fouten elkaar kunnen uitmiddelen. Foutendie een normale verdeling hebben, zoals in dit voorbeeld, kun-nen kwadratisch opgeteld worden, mits ze onderling onafhan-kelijk zijn. De totale nauwkeurigheid van de schuifmaat kanhiermee geschat worden op 54 [μm].Uit bovenstaande analyse blijkt dat de grootste bijdrage gele-verd wordt door de resolutie van de aflezing. Dit geeft rich-ting aan het ontwerp van een verbeterde schuifmaat; vervan-ging van de mechanische schaal met nonius door een elektro-nische uitlezing met een resolutie van 10 [μm] kan de totaleonnauwkeurigheid meer dan halveren tot 22 [μm].Overigens wordt hiermee weer eens duidelijk dat resolutieslechts een onderdeel is van alle vormen van onnauwkeurig-heid; de schuifmaat met een resolutie van 10 [μm] heeft eenuiteindelijke onnauwkeurigheid van ongeveer het dubbele. Eenelektronische schuifmaat heeft bovendien de mogelijkheid totnulstellen, vlak voor de meting. Hierdoor vallen enkele postenweg uit het budget, zoals de onhaaksheid van de linkertaster.Posten zoals de nauwkeurigheid van de schaalverdeling en hetborgen van de geleiding blijven wel bestaan.

Error Analysis & Budgetting voor een schuifmaat

Tabel 1. Error budget voor de schuifmaat.

23_28_Bijnagte 30-11-2007 10:29

Voor een uitgebreider voorbeeld van Error Budgetting &Analysis kijken we naar een fictief waferlaadmechanisme,schematisch weergegeven in Figuur 5. Doel van het mecha-nisme is om de wafer op de tafel te leggen, waarbij twee ken-merken op de wafer binnen een nauwkeurigheid +/-50 [μm]moeten worden geplaatst ten opzichte van de kenmerken dieaan de tafel zijn bevestigd.

Het laadmechnisme is voorzien van een robotunit die eenwafer in drie graden van vrijheid kan positioneren: twee hori-zontale translaties (X, Y) en een rotatie om de verticale as(Rz). Voor de rotatiemeting is de wafer voorzien van een drie-hoekige inkeping. Een meetsysteem, bestaande uit een combi-natie van twee CCD-arrays en een CCD-camera, bepaalt de(X,Y,Rz)-positie van de wafercontour op de robotarm.

Kalibratie van het systeem gebeurt met behulp van de uitlijn-sensor. Wanneer de wafer op de tafel is geladen, meet eenuitlijnsensor de uiteindelijke positie van de twee waferken-merken ten opzichte van de twee tafelkenmerken. Kalibratievindt plaats door 25 wafers op deze manier te laden en temeten. Systematische positiefouten worden daarna gecorri-geerd door de robot. Na deze kalibratie wordt de nauwkeurigheid bepaald doordrift van de robot en tafel gedurende de tijd na kalibratie, endoor toevallige positioneringsfouten die tijdens het neerleg-proces optreden. Op welke manier kunnen we deze fouten inkaart brengen en een voorspelling doen van de uiteindelijkenauwkeurigheid?

Keten van foutenbronnenDe eerste stap in de foutenanalyse is het bepalen van deketen van foutenbronnen die de gevraagde kritische maatbepaalt: de keten die de twee waferkenmerken verbindt metde twee tafelkenmerken, volgens Figuur 6. We starten bij dewaferkenmerken. De nauwkeurigheid van deze positie kun-

nen we relateren aan een positie eerder in het neerlegproces:de positie van dezelfde waferkenmerken op de robotarm tij-dens voor-uitmeting. Fouten tussen deze posities ontstaan tij-dens het laden van een wafer op tafel. Dit zijn onder meer derobotnauwkeurigheid en de nauwkeurigheid van neerleggenop tafel, samengevat in de laadrepro.

De keten loopt verder via waferkenmerken naar de contourvan de wafer, zoals die door het meetsysteem wordt gezien.De maaknauwkeurigheid van de kenmerken op de wafer, tenopzichte van de contour, is hier bepalend.Het meetsysteem legt de verbinding tussen de wafercontouren het nulpunt van het meetsysteem, bijvoorbeeld het cen-trum van het meetbereik in (X, Y, Rz). De kalibratie met de25 wafers bepaalt de positie van de tafelkenmerken tenopzichte van dit centrum. Ook deze kalibratie vindt weer meteen zekere onnauwkeurigheid plaats; omdat de wafers daad-werkelijk worden geladen tijdens kalibratie, komen de laad-repro, de plaatsnauwkeurigheid van de kalibratiewafers, ende meetnauwkeurigheid van zowel het camerameetsysteemals van de uitleessensor hierin terug.

De positieketen voor reproduceerbaarheid bepaalt de nauw-keurigheid van de positie direct na kalibratie. In de tijd nakalibratie treden nog positiefouten op door positiedrift vanhet meetsysteem, frames en de tafel. Ook voor deze fouten iseen keten op te stellen; zie Figuur 7. Dit is de mechanischeverbinding tussen de wafer- en tafelkenmerken, die in defiguur onderlangs door meetsysteem, frame en tafel loopt.Feitelijk sluit de kalibratie het onderste gedeelte van dezeketen kort, maar positiefouten die na kalibratie in deze ketennog optreden, komen desondanks toch terug in de uiteinde-lijke positiefout van de wafer.

FoutenboomDe tweede stap in de foutenanalyse is het opstellen van eenfoutenboom. Nu de positie- en de driftketen bekend zijn, kan

N r . 6 2 0 0 7 26


Figuur 6. Keten voor reproduceerbaarheidsfouten in een wafer-laadmechanisme.

Figuur 5.Waferlaadmechanisme.

23_28_Bijnagte 30-11-2007 10:29

een foutenboom worden opgesteld; elke fout in de keten isnamelijk weer opgebouwd uit een aantal onderliggende fou-ten, die vervolgens weer op te delen zijn in onderliggendefoutenbronnen. Dit is weergegeven in Figuur 8.

Op het eerste, hoogste niveau van de foutenboom treffen wede vier reproduceerbaarheidsposten aan uit de positieketenhierboven. Deze bepalen de positiefouten direct na kalibratie.Daarnaast vinden we nog een extra post voor de driftfouten.Op het tweede niveau vinden we onder de laadrepro de bij-drages van de robot, de tafel en overname. De nauwkeurig-heid van kalibratie wordt bepaald door de fouten bij hetladen, toleranties op de wafer en meetfouten van de uitlijn-sensor. Omdat de kalibratiepositie bepaald wordt uit hetgemiddelde van 25 geladen wafers, is de fout hierdoor een-vijfde (1/√25) deel van de reproduceerbaarheid van éénwafer. De drift wordt bepaald door bijdrages van het meet-systeem, het frame en de tafel.Op dezelfde manier kan nog een derde niveau van fouten-bronnen worden uitgewerkt; zie Figuur 8. Hierbij valt depositienauwkeurigheid van robot en tafel nog weer onder teverdelen in meetnauwkeurigheid, positioneringsnauwkeurig-heid en precisie van de positieregeling.

Numeriek modelDe derde en laatste stap in de foutenanalyse is het samen-brengen van alle fouten in de foutenboom in een numeriekmodel; zie Tabel 2. In de praktijk kan een schatting wordengemaakt van de verschillende posten, aan de hand van speci-ficaties van leveranciers, afschattende handsommen en erva-ringen bij eerdere ontwerpen, of aan de hand van metingen.In dit voorbeeld zijn de getallen fictief, maar qua ordegroottegeschat op basis van ervaringen met handling-apparatuur metdeze precisie.

Alle fouten in de boom worden van onderafaan opgeteld (zieFiguur 8). De fouten van niveau 3 tellen samen in de bovenlig-gende fout van niveau 2. Vervolgens worden de niveau 2 fou-ten weer samengeteld in de betreffende fouten van niveau 1.Onderaan de tabel is dan de som te vinden van alle niveau 1fouten, hetgeen de schatting is voor de uiteindelijke positiefoutvan de waferkenmerken ten opzichte van de tafelkenmerken.Het optellen gebeurt weer volgens de regel van kwadratischoptellen: alle fouten die onafhankelijk zijn en een normaleverdeling hebben, worden kwadratisch opgeteld. Er zijn ech-ter enkele uitzonderingen aan te geven. Dit geldt bijvoor-beeld voor de maaknauwkeurigheid van de waferkenmerkenten opzichte van de contour. Op zich is dat een normaal ver-deeld getal, dat volgt uit een stochastisch proces, onafhanke-lijk van andere posten in het budget. Echter, omdat grote

N r . 6 2 0 0 727

Figuur 7. Keten voor positiedrift in het waferlaadmechanisme.

Figuur 8. Uitgewerkte foutenboom.

Tabel 2. Gedetailleerd error budget voor een waferlaadmechanisme.

23_28_Bijnagte 30-11-2007 10:29

aantallen wafers geladen worden op een enkele machine, isde kans dat een extreme fout optreedt aanzienlijk. Om op eenen dezelfde machine de hele populatie wafers aan te kunnen,wordt deze bijdrage lineair meegerekend.Ook driftbijdragen zijn lineair meegerekend. Uitgangspuntvoor statistiek is dat posten elkaar onderling kunnen uitmid-delen. Bij drift na kalibratie is dit niet het geval; een positie-variatie door drift vertaalt zich één op één in een positiefoutvan alle wafers, zonder dat deze fout door andere fouten kanworden uitgemiddeld. In het budget moet daarom een vastgedeelte van de beschikbare nauwkeurigheid worden toege-wezen aan drift – lineair optellen dus.In het gedetailleerde error budget zijn nu alle fouten bijelkaar genomen. Onderaan Tabel 2 is de totale capabilityberekend, door de gevraagde positienauwkeurigheid te delendoor de nauwkeurigheid die volgt uit het model. Met eencapability van 1,2 heeft het gehele budget ongeveer 20%marge. Hiermee is duidelijk geworden dat het laadmechanis-me de gewenste nauwkeurigheid kan bereiken, als alle bij-dragen aan hun specificaties voldoen.

Houvast voor verbeteringHet foutenmodel biedt houvast om indien nodig de nauwkeu-righeid van het laadproces verder te verbeteren; de grootsteposten worden gevormd door de laadrepro en de nauwkeu-righeid van de waferkenmerken. Dit zijn dan de posten waar-aan kan worden gewerkt. Verbetering van het meetsysteemen de uitlijnsensor zal een minder groot effect hebben op deuiteindelijke wafernauwkeurigheid.Het foutenbudget heeft een belangrijke functie in het vervolgvan het ontwerptraject; dit model onderbouwt de eerste con-ceptontwerpen, omdat het aantoont dat een haalbare ontwerp-richting wordt ingeslagen. Bij verdere uitdetaillering geeft hetmodel onderbouwde specificaties voor de deel-ontwerpen.Voor aanvang van de testen kwalificatiefase biedt het modelde noodzakelijke basis voor het opstellen van de juiste test-procedures en kwalificatiecriteria. Ook het zoeken naar fout-oorzaken gaat veel sneller als dan al inzicht is opgebouwd inde samenhang van de verschillende foutenbronnen.

Tot slotHet is niet te voorkomen dat Error Analysis & Budgetting ineerste instantie tijd en aandacht vraagt. Dit verdient zich ech-ter terug in een beter beheersbaar ontwerpproces. Het fouten-budget is namelijk een houvast om precisie in elk stadiumvan het ontwerp te evalueren. Bovendien kan het analyse- enbudgetting-werk parallel worden uitgevoerd aan het reguliere

ontwerpwerk, en beperkt het daarmee niet de doorlooptijdvan het project.

Opbrengsten van Error Analysis & Budgetting zijn:• Er ontstaat focus op de juiste foutenbronnen.• Eventuele knelpunten worden in een vroeg stadium helder.• Effecten van alternatieve oplossingen kunnen worden

beoordeeld.• Specificaties van sub-modules en onderdelen zijn helder

en onderbouwd.• De juiste testprocedures voor kwalificatie kunnen worden

opgesteld.

Uit het voorgaande blijkt dat een goede foutenanalyse nietkan ontbreken bij het ontwerpen van systemen waarin posi-tienauwkeurigheid een rol speelt. De methode Error Analysis& Budgetting kan een belangrijke bijdrage leveren aan hetefficiënt ontwerpen van precisie.

AuteursnootTom Bijnagte studeerde werktuigbouwkunde aan deUniversiteit Twente en werkte daarna aan de ontwikkelingvan wafersteppers bij ASML. Sinds 2004 is hij viaHiPrecision actief als zelfstandig analist op het gebied van deprecisietechnologie. Daarnaast ontwikkelde hij voor hetMikrocentrum de cursus Tolerantieanalyse, waarvoor hij ookals docent optreedt. Dit artikel is mede gebaseerd op een lezing tijdens dePrecisiebeurs 2007, eind vorige maand in Veldhoven.

N r . 6 2 0 0 7 28


HiPrecision adviseert klanten in de halfgeleiderwereld overhet modelleren en testen van foutenbronnen in ontwerpenen het aanbrengen van onderbouwde verbeteringen hiervoor.HiPrecision is verbonden aan het High Tech Platform van hetMikrocentrum via de werkgroep High Tech Specialists, enneemt deel aan The House of Technology, een intermediaireorganisatie voor specialisten in de high-tech machinebouw.

www.hiprecision.nlwww.mikrocentrum.nlwww.thehouseoftechnology.nl

Informatie

23_28_Bijnagte 30-11-2007 10:29

D

N r . 6 2 0 0 729

De laatste jaren is er steeds meer aandacht voor de ruwheid oftextuur van een oppervlak. Behalve de chemische en fysischemateriaaleigenschapen heeft ook de oppervlaktestructuur eengrote invloed op tal van functies. Zo kunnen wrijvingseigen-schappen heel gericht worden beïnvloed door een oppervlak-testructuur. Sprekende voorbeelden hiervan zijn in de natuurte vinden, zoals de schubben van een haai. Maar ook anderebijna magische verschijnselen zijn hier te ontdekken. Zo zijneen aantal plantensoorten uitgerust met een oppervlaktestruc-tuur op microschaal. Voorzien van een waterafstotende

waslaag zijn deze oppervlakken superwaterafstotend, ook welsuperhydrofoob genoemd. Het beroemdste voorbeeld zijn debladeren van de lotusplant; zie Figuur 1. Iedere regenbuispoelt het blad helemaal schoon. Regendruppels parelen vanhet blad en nemen daarbij het vuil mee. De Duitse botanicusBarthlott die in de jaren negentig de oorzaak van dit effect inde microstructuur vond, spreekt sindsdien van het ‘Lotus-effect’: oppervlakken die door het spoelen met water ‘zich-zelf’ kunnen reinigen. Voor de duidelijkheid: het materiaalmoet zelf een lage oppervlaktespanning hebben en dus enigs-zins waterafstotend zijn. Hierop een geschikte structuur toe-passen kan dit effect versterken.

IOP-PROJECT LOTUS TEXTUUR

Microstructureringvan oppervlakken

Met ultrakort gepulste lasers kunnen oppervlaktestructuren op microschaal worden

gemaakt. In het IOP-project Lotus Textuur is binnen de leerstoel voor Toegepaste

Lasertechnologie aan de Universiteit Twente gewerkt aan het imiteren van de waterafstoten-

de eigenschappen van de bladeren van de lotusplant. Dat is gelukt met een industrieel toe-

pasbare methode.

• Max Groenendijk •

(a) Het oppervlak van de lotusbladeren stoot water op eenextreme wijze af.

(b) Een kunststoffen proefplaatje met gestructureerde velden diedeze werking nabootsen.

Figuur 1. Het Lotus-effect.

29_33_nr6_Lotus_textuur_NIEUW 28-11-2007 13:49 Pagina 29

SpuitgietenTal van industrieën zijn hierop gedoken voor uiteenlopendetoepassingsgebieden. Het bleek echter moeilijk om eenindustrieel haalbaar proces te ontwikkelen om lotus-opper-vlakken na te bootsen. In dit kader heeft het IOPPrecisietechnologie het Lotus Textuur-project geformuleerd:onderzoek of het mogelijk is om spuitgietmatrijzen met eenlaser van een geschikte microstructuur te voorzien. Hetbelangrijkste gereedschap in het proces is een ultrakortgepulste laser. Daarmee worden op een zeer gecontroleerdewijze microstructuren in metalen matrijzen aangebracht. Hetspuitgieten is samen met Philips DAP in Drachten onder-zocht. Hierbij is polypropyleen gebruikt vanwege zijn lageoppervlaktespanning. De kunststoffen proefstukjes zijnonderzocht op hun waterafstotend vermogen. De eigenschap-pen van de lotusplant zijn op dit vlak geëvenaard.

BevochtigingBevochtiging van oppervlakken wordt gemeten door middelvan de contacthoek die een druppel en het oppervlak maken,zoals te zien is in Figuur 2a. Een contacthoek die naar 0°gaat, betekent dat het oppervlak goed wordt bevochtigd, erontstaat een vloeistoffilm. Een contacthoek in de buurt van180° houdt in dat de vloeistof een druppel wil vormen; hetoppervlak wordt dan nauwelijks bevochtigd. De oppervlakte-spanningen die op het punt werken waar de drie fases elkaarraken, sturen dit mechanisme. In Figuur 2b is dit evenwichtgetoond. Hieraan wordt voldaan bij één bepaalde contact-hoek, volgens Young’s formule:

waarin γsv de oppervlaktespanning tussen het vaste en gas-vormige, γsl tussen het vaste en vloeibare en γvl tussen hetvloeibare en gasvormige grensvlak is.

Deze afleiding is geldig voor chemisch homogene en vlakkematerialen. De invloed van een structuur op deze contact-hoek kan zeer groot zijn. Afhankelijk van de oppervlakte-spanningen en de aard van de structuur zijn er twee situatiesdenkbaar; zie Figuur 3. Een druppel kan in de structuur zin-ken en deze volledig bevochtigen. Aan de andere kant is hetmogelijk dat de druppel alleen de toppen bevochtigt. Zomaakt de druppel contact met meer of minder oppervlak.

Figuur 3.Volledige bevochtiging (links) en ‘fakir’-bevochtiging.

De toestand van volledige bevochtiging werd beschrevendoor Wenzel en resulteert in een macroscopische contacthoekdie als volgt is gerelateerd aan de evenwichtscontacthoek:

waarbij θm de gemeten (macroscopische) contacthoek is en θsde evenwichtscontacthoek. De factor r is niets anders dan detoename in oppervlak, berekend door het werkelijke oppervlakte delen door het geprojecteerde oppervlak. Hier is dus al af telezen dat voor een evenwichtscontacthoek groter dan 90° eenruwheid de daadwerkelijke contacthoek altijd groter maakt.In de ‘fakir-toestand’ maakt de druppel enkel contact met detoppen van de microstructuur. Hierdoor ontstaat er een com-posiet interface tussen de druppel en het oppervlak. Cassieen Baxter beschreven deze toestand en relateren ook hier demacroscopische contacthoek aan de evenwichtscontacthoek:

waarbij ϕ de fractie van het bevochtigde oppervlak is tenopzichte van het geprojecteerde oppervlak. Voor een gegevengeometrie en evenwichtscontacthoek kunnen nu de contact-hoeken berekend worden aan de hand van deze twee model-len. De energetisch gunstigere variant zal daadwerkelijkplaatsvinden. Omdat de energie van het systeem toeneemtmet grotere contacthoek zal de kleinste contacthoek bere-kend via het Wenzel- of het Cassie-Baxter-model het winnen. In Figuur 4 is een situatie geschetst waarin, bij een gegevenoppervlakteruwheid, de cosinus van de macroscopische con-

(a) Definitie van de contacthoek.(b) De invloed van de verschillende oppervlaktespanningen.

Figuur 2. Bevochtiging van een oppervlak.


a b

N r . 6 2 0 0 7 30


tacthoek is uitgezet tegen de cosinus van de evenwichtscon-tacthoek. Bij een gegeven waarde van cos θs zal dat regimeplaatsvinden waarbij de cos θm het grootst is (en dus de con-tacthoek θm het kleinst).

Door introductie van een tweede ruwheid op een kleinereschaal ontstaat er een derde mogelijkheid voor bevochtiging:het combinatieregime, zoals weergegeven in Figuur 5.Daarnaast heeft de fijnere ruwheid ook invloed op de factor rvoor het Wenzel-regime en de factor ϕ voor het Cassie-Baxter-regime. In het algemeen beïnvloedt het combinerenvan ruwheden de waterafstotende eigenschap positief.

Voor het genereren van lotus-oppervlakken streeft men naarzo weinig mogelijk contact met het oppervlak en een zogroot mogelijke contacthoek. Daarvoor is een ruwheid optwee lengteschalen optimaal.

Figuur 4. Cosinus van de macroscopische contacthoek afhankelijkvan de evenwichtscontacthoek.

Figuur 5. Een ruw-heid op twee leng-teschalen metbevochtiging vol-gens:(a) Wenzel,(b) Combinatie,(c) Cassie-Baxter.

a

b

c

Ultrakorte laserpulsenMet deze inzichten zijn structuren ontworpen. De randvoor-waarden worden daarbij gegeven door de productiemethode.Het gebruik van ultrakorte laserpulsen opent hier nieuwemogelijkheden. Bij laserablatie wordt een lichtpuls door een lens op het tebewerken oppervlak gefocusseerd. De energie wordt zeerplaatselijk omgezet in warmte waardoor het materiaal ver-dampt. Hoe dit proces precies werkt is zeer afhankelijk vande parameters van de laserpuls. Vooral de pulslengte is zeerbelangrijk. Een nieuwe trend is hierbij het gebruik van pul-sen in het femtosecondenbereik (10-15 s). Het voordeel vanzo extreem korte pulsen is dat de gedeponeerde energie nau-welijks de tijd heeft om als warmte in het materiaal te diffun-deren. Bij het bewerken van metalen is het verschil tussenconventionele laserpulsen in het nanoseconde- en het femto-seconde-regime evident: met de kortere pulsen kan zondernegatieve warmte-effecten materiaal worden verdampt. Devorming van spetters, kraters en bramen, bekende verschijn-selen bij nanoseconde-pulsen, wordt voorkomen.

Voor het onderzoek werd een femtoseconde-laser aange-schaft, afgebeeld in Figuur 6. Dit commerciële systeem vande fabrikant Coherent levert 200 fs lange pulsen bij een repe-titiefrequentie van 250 kHz. De energie van een enkele pulsis slechts 4 μJ, maar door de korte pulsduur wordt het ver-mogen in een puls wel 20 MW. Gefocusseerd tot spotdiame-ters tussen 1 en 20 μm resulteert dit in vermogensdichthedenin de orde van 1012 tot 1015 W/cm2. Dit is van dezelfde orde-grootte als de totale zoninstraling op de aardbol gefocusseerdop een vierkante centimeter. In Nederland is de Twentsegroep tot nu toe de enige die ultrakorte pulsen gebruikt voormateriaalbewerkingen. Dergelijke lasers waren tot voor kortzeer ingewikkelde machines en enkel geschikt voor weten-schappelijke toepassingen. Nu komen er industriële variantenop de markt en tegelijkertijd wordt de interesse vanuit bedrij-ven steeds groter om ultrakorte laserpulsen toe te passen.

Het eerste experiment met een femtoseconde-laser in Twenteleidde meteen tot een grote verrassing. Na het ableren vanstalen oppervlakken was er op de bewerkte delen een nano-structuur ontstaan. Dit zelfstructureringsfenomeen bleekkarakteristiek voor ultrakorte laserablatie te zijn. Voor hetgenereren van ultrahydrofobe oppervlakken is deze nano-structuur zeer geschikt.

ParametersVerder onderzoek heeft uitgewezen dat de structuren die ont-

N r . 6 2 0 0 731


staan, goed te beïnvloeden zijn door de laserparameters; zieFiguur 7. Bij een relatief milde bewerking ontstaan er eerstribbelpatronen (Figuur 7a). De oriëntatie van deze ribbels isafhankelijk van de polarisatie, de onderlinge afstand van deribbels is afhankelijk van de golflengte van het laserlicht.Wetenschappers waren in eerste instantie uitgegaan van inter-ferentie als drijvende kracht achter dit fenomeen, maar tegen-woordig weet men dat dit niet alles verklaart. Neem hetomslaan van de ribbelstructuren naar chaotischere: treffengenoeg laserpulsen in korte tijd achter elkaar het oppervlak,dan veranderen de ribbelstructuren in stochastische bergland-schappen. Vooral op silicium kan dit tot fantastische micro-structuren leiden, zoals in Figuur 8 te zien. De fysischemechanismen achter de interactie van een zo extreem kortelichtpuls en een materiaal worden nog steeds niet volledigbegrepen. Feit is wel dat er tal van toepassingen zijn voornano- en microstructuren, waarvan het genereren van ultra-hydrofobe oppervlakken er één is.

ResultatenDe zelfstructurering wordt uiteindelijk als toegevoegde fijnestructuur op een grovere microstructuur gebruikt. Deze struc-tuur wordt in het materiaal geschreven door de laser in eenrasterpatroon over het oppervlak te sturen. Laat men deafzonderlijke pulsen op de juiste manier overlappen, dan zaliedere lijn resulteren in een regelmatige groef in het materi-aal. Het uiteindelijke reliëf dat uit het rasterpatroon van lij-

nen ontstaat, lijkt op een eierdozenstructuur. Samen met Philips DAP in Drachten is het spuitgieten metgestructureerde matrijzen onderzocht. Als materiaal is poly-propyleen gebruikt, dat goedkoop en vrij hydrofoob is.Figuur 9 toont elektronenmicroscoop-opnames van de meta-len matrijs en de kunststoffen replica. Het is mogelijk geble-ken om de fijne structuren goed te vullen en zo een goedeafdruk te verkrijgen.

Om het waterafstotende vermogen van de kunststoffen opper-vlakken te beoordelen, wordt een contacthoekmeter gebruikt.Hierbij wordt met behulp van een dunne naald een druppelvan enkele microliters op het oppervlak geplaatst. Door mid-del van een meekijksysteem en beeldbewerking kan op eenPC de contacthoek worden bepaald. In Figuur 10 is een reeksopnames te zien. Hier wordt een druppel, die nog steeds aande naald hangt, op het oppervlak geplaatst en verder ‘opge-blazen’. Na de derde opname wordt water weer uit de druppelgetrokken, waardoor het bevochtigde oppervlak afneemt ende druppel uiteindelijk het oppervlak loslaat. In een dergelijkemeting is te zien dat de contacthoek verandert, afhankelijkervan of het materiaal wordt bevochtigd of juist ‘ontvochtigd’.Een bewegende druppel, op een hellend oppervlak bijvoor-beeld, zou dus aan de voorkant een andere contacthoek heb-ben dan aan de achterkant. Dit verschijnsel wordt contact-

N r . 6 2 0 0 7 32


Figuur 6. Het bin-nenleven van deoptische verster-ker voor ultrakor-te pulsen.

Figuur 7. Structuren in RVS304 afhankelijk van bewerkings-snelheid, van a) hoge snelheid tot g) lage snelheid.

Figuur 8. Eenbewerkt gebied insilicium metmicrokolommen.

Figuur 9. Elektronenmicroscoop-opnames (SEM) voor het onder-zoek naar de structurering van matrijzen.(a) De stalen matrijs.(b) De kunststoffen spuitgiet-replica.

a b


hoekhysterese genoemd: het verschil tussen de advancing enreceding contacthoek. Hoe kleiner de hysterese, hoe gemak-kelijker de druppel van een oppervlak kan afrollen.

Figuur 11 toont een voorbeeld waarbij de hoogte van de pila-ren in de structuur kleiner is gekozen. De invloed daarvan isgoed te zien. De advancing contacthoek is vrijwel identiekaan die uit Figuur 10, maar de receding hoek, vanaf de derdeafbeelding, is veel kleiner. De druppel blijft uiteindelijk zelfsaan het oppervlak plakken.

De belangrijkste parameters zijn de hoogte van de pilaren ende onderlinge afstand. Worden deze juist ingesteld, dan kun-nen we in polypropyleen contacthoeken tot 165° halen bijzeer geringe hysterese. Valt een druppel op een dergelijkoppervlak, dan gebeurt er iets onverwachts. De druppel blijftook bij de botsing intact en stuitert als een balletje weer

omhoog. Figuur 12 toont een compilatie van opnames meteen hogesnelheidscamera. Als de druppel niet al te groot is,stuitert hij van het oppervlak. Een grote druppel zal uiteen-vallen in kleine druppels die half stuiterend en rollend hetoppervlak verlaten.

Tot slotHet onderzoek heeft aangetoond dat met femtoseconde-laser-pulsen zeer interessante oppervlaktestructuren te maken zijn.Naast het creëren van superwaterafstotende eigenschappenkunnen ook eigenschappen zoals wrijving, reflectie enabsorptie van licht, of het aanhechten van cellen wordenbeïnvloed. Kortom, microgestructureerde oppervlakken heb-ben een breed scala aan toepassingen.

AuteursnootMax Groenendijk is als onderzoeker verbonden aan de leer-stoel Toegepaste Lasertechnologie in de vakgroepWerktuigbouwkundige Automatisering van de UniversiteitTwente. Met de oprichting van spin-off-bedrijf Lightmotifprobeert Groenendijk, samen met twee partners, het micro-structureren van oppervlakken met ultrakort gepulste lasersverder te ontwikkelen en marktrijp te maken. Daarnaast ver-zorgt het bedrijf ‘conventionele’ microbewerkingen metultrakort gepulste lasers.Dit artikel is gebaseerd op eerdere publicaties in Fotonica enNederlands Tijdschrift voor Natuurkunde.

N r . 6 2 0 0 733

Figuur 10. Sequentie tijdens het meten van de contacthoek encontacthoekhysterese op een zeer hydrofoob oppervlak.

Figuur 11. Een zelfde sequentie op een minder hydrofooboppervlak; de druppel blijft plakken.

Figuur 12.Hogesnelheidsopnamevan een stuiterendedruppel.

www.wa.ctw.utwente.nlwww.senternovem.nl/iopprecisietechnologiewww.lightmotif.nl

Informatie


S

N r . 6 2 0 0 734

Sinds jaar en dag worden optische instrumenten gemaakt vanaluminium. Waarom dat zo is, zal worden uitgelegd aan dehand van de volgende criteria: • Schaalbaarheid van constructies • Thermische geleiding• Eenvoud van ontwerp• Vacuümtoepassingen• Oppervlaktebehandelingen/corrosie• Stabiliteit• Kosten• Sterkte/stijfheid• Gewicht

Alvorens deze criteria te behandelen, moet worden gezegddat een instrument meestal aan alle criteria moet voldoen.Deze criteria zijn erg verschillend, hetgeen een geschikt com-promis bemoeilijkt, ware het niet dat we aluminium hebben.Zie Tabel 1 voor een kwantitatieve vergelijking van materia-len.

Schaalbaarheid van constructiesSchaalbaarheid is één van de belangrijkste redenen waaromoptische instrumenten van aluminium worden gemaakt. Watis namelijk het geval. Instrumenten worden nooit alleen bij

kamertemperatuur gebruikt. En zeker bij precisie-instrumen-ten kunnen temperatuurschommelingen van minder dan 1°Cal funest zijn. Dit uit zich in minder scherpe beelden c.q.opnamen dan mogelijk is. Door alle optische componentenvan aluminium te maken (het gaat dan natuurlijk om spie-gels) net als de mechanische structuur waarin alles wordtopgehangen, kan dit zeer effectief worden bestreden. Bijtemperatuurschommelingen schaalt dan alles mee. Dit is bijTNO al vele malen succesvol toegepast in tal van ruimte-vaartprojecten. Er zijn andere materialen waarmee hetzelfdetrucje kan worden uitgehaald, zoals beryllium en siliciumcar-bide (SiC) of zelfs zerodur. De inspanningen en kosten diedat met zich meebrengt, zijn echter veelal enorm vergelekenmet die voor aluminium. Beryllium brengt bovendien bij ver-keerd gebruik een reëel gevaar voor de gezondheid met zichmee.

Thermische geleidingSchommelingen in temperatuur kunnen ook thermische gra-diënten veroorzaken in een instrument. Dat kan eveneens totsterk verminderde prestaties leiden. Een effectieve manierom dat tegen te gaan, is toepassing van materialen met eenhoge warmtegeleiding. Ook daar scoort aluminium erg goed.Van de metalen is aluminium bijna de beste. Koper of zilver

Aluminium,De eisen die aan precisie-instrumenten worden gesteld nemen steeds maar toe. Ook het aan-

bod aan constructiematerialen blijft groeien; denk aan kunststoffen of keramische materia-

len. Deze materialen bieden nieuwe mogelijkheden qua ontwerp en realisatie.Toch zien we

dat aluminium voortdurend wordt gekozen als het meest geschikte materiaal voor nieuwe

instrumenten. Kennelijk heeft aluminium dermate sterke papieren dat het nog van geen

wijken weet. Op het hoe en waarom gaat dit artikel in.Tevens zal een blik in de toekomst

worden geworpen, met de vraag of het ook zo zal blijven.

• Jan Nijenhuis •

MATERIAAL VOOR PRECISIE-INSTRUMENTEN

34_37_nr6_Aluminium 30-11-2007 09:34

kunnen beter zijn (mits de goede legering wordt gekozen),maar deze materialen zijn als constructiemateriaal mindergeschikt: niet sterk genoeg, te zwaar of te duur, enzovoort.SiC scoort in dat opzicht beter. Het heeft een vergelijkbarewarmtegeleiding, is relatief licht en heeft een behoorlijkesterkte.

Eenvoud van ontwerpAluminium wordt al sinds jaar en dag voor instrumentengebruikt. Er is dus erg veel ervaring voorhanden. Dat geefteen voorsprong in de markt. Er is een enorm arsenaal aanmachines en technieken beschikbaar om onderdelen te ver-vaardigen. Dat biedt een enorme keuzevrijheid in het ont-werpproces. Bij nieuwe materialen als kunststoffen en SiCligt dat heel anders. Daar moet men nog aan wennen. Langniet alle eigenschappen zijn algemeen bekend en dat kangemakkelijk tot verrassingen leiden. Net als bij nieuwe con-sumentenproducten geldt ook hier dat nieuwe materialen opspecifieke punten aanzienlijk beter moeten scoren om in aan-merking te komen als vervangend materiaal.

VacuümtoepassingenInstrumenten die in vacuüm worden gebruikt, moeten vandaarvoor geschikte materialen zijn gemaakt. Voor materialenals RVS, titanium en aluminium is dat het geval, maar kunst-stoffen kunnen veelal niet worden toegepast omdat die mate-rialen te veel uitgassen. Bij optische instrumenten wordendan bijvoorbeeld de optische componenten vervuild, waar-door ze minder goed gaan werken. Ook keramische materia-len kunnen goed geschikt zijn om in vacuüm toe te passen

N r . 6 2 0 0 735

de kampioen van het compromis

Aluminium 68,9 2.700 2,55 23,6 167 310 276 127

Ti6Al4V 114 4.430 2,57 8,6 6,7 1170 1100 524

Invar 36 141 8.050 1,75 1,3 10,2 448 276 21

Sintered SiC 420 3.100 13,4 2,3 180 375 (druk 3.000) 375 375 (?!)

Beryllium 303 1.844 16,4 11,5 216 370 240 12 - 100

RVS (AISI304) 193 8.000 2,41 17,3 16,2 505 215 50

Materiaal Elasticiteits-

modulus E

(GPa)

Dichtheid ρ(kg/m3)

E/ρ (107 m2/s2) Lineaire uitzet-

tingscoëfficient

α bij 20°C

(µm/mK)

Warmtegelei-

dingscoëfficient

λ (W/mK)

Treksterkte σbr

(MPa)

Rekgrens σ0,2

(MPa)

Micro-rekgrens

σ0,2 (MPa)

Tabel 1.Vergelijking van materiaaleigenschappen.

6061T6

Afbeelding 1. Inwendige van de ruimtetelescoop Herschel van deEuropese ruimtevaartorganisatie ESA, met drie astronomische in-strumenten.Alle drie zijn ze in aluminium uitgevoerd en wordenze tot ver in het cryogene temperatuurbereik afgekoeld. Op devoorgrond HIFI (Heterodyne Instrument for the Far Infrared), dieinfraroodstraling uit het heelal meet om watermoleculen te kun-nen detecteren in interstellaire gaswolken en bij kometen en pla-neten. Met de informatie van verre kosmische gaswolken kunnenwetenschappers de allereerste stervorming in het heelal bestude-ren.Voor het Nederlands expertise-instituut voor ruimteonder-zoek SRON heeft TNO het opto-mechanische ontwerp voorHIFI gemaakt.

34_37_nr6_Aluminium 30-11-2007 09:34

mits ze maar niet poreus zijn. Van de metalen is aluminiumniet de beste oplossing maar komt daar wel dichtbij. RVS(AISI-316L) is voor hoogvacuümtoepassingen één van debeste oplossingen.

Oppervlaktebehandelingen/corrosieAlle instrumenten staan in meer of mindere mate aan corro-sie bloot. Aluminium is van huis uit een tamelijk onedelmetaal en corrodeert dus snel. De geoxideerde huid vormtechter een mooie beschermende laag op het oppervlak. Ditkan voldoende zijn, maar in agressievere milieus – zeker alser chloor in het spel is – kan een veel betere beschermlaagworden verkregen door het oppervlak te anodiseren. Daarbijwordt een dikke en tevens harde aluminiumoxidehuid aange-bracht die erg slijtvast is. Ook beschermlagen als conversie-coatings of verven zijn natuurlijk mogelijk, of vele anderematerialen. Wat dat betreft zijn er op dit criterium veel alter-natieven voor aluminium voorhanden. Sommigen, zoalsroestvaststaal of titanium, kunnen daarbij veel beter zijn.Kunststoffen en keramische materialen kennen ook geen corrosieproblemen.

StabiliteitOptische instrumenten moeten vaak een hoge mate van stabi-liteit bezitten. Bij metalen moet dat veelal via warmtebehan-delingen worden verkregen. Dat geldt zeker voor aluminium.Veelal wordt de legering 6061 T6 of 6082 T6 gebruikt. Wilmen een zo spanningsarm mogelijke versie, dan is de T651behandeling beter omdat daarbij het materiaal net iets overde vloeigrens wordt getrokken. De T652 behandeling specifi-ceert dan ook nog dat de uitzettingscoëfficiënt in alle driehoofdrichtingen binnen nauwe grenzen gelijk moet zijn. Metgenoemde legeringen is veel ervaring opgedaan. Vaak wor-den hier spiegels van gemaakt. Gezien de hoge eisen aanvormvastheid (in het nanometergebied) zegt dit veel over destabiliteit van deze legeringen. Keramische materialen scorenop het gebied van stabiliteit nog beter. Dat heeft uiteraardveel te maken met het feit dat keramiek geen plastischgedrag kent.Een maat om stabiliteit van materialen mee te classificeren isde micro-rekgrens. Bij de rekgrens mag 0,2% blijvende rekresulteren. Bij de micro-rekgrens is dat 0,0001%. In Tabel 1is van een aantal materialen de micro-rekgrens gegeven.Aluminium springt daar vrij gunstig uit.

KostenInstrumenten zoals TNO industrie en Techniek die ontwik-kelt, worden veelal gekenmerkt door een hoge mate van voorrealisatie benodigde kennis. Dat betekent dat de kosten vaneen instrument vooral in de lonen van de betrokken mede-werkers gaan zitten. Materiaalkosten zijn dan totaal vanondergeschikt belang. Dat neemt niet weg dat er ook in-strumenten zijn waar dit anders ligt, zeker als deze in seriemoeten worden vervaardigd. Aluminium is dan meestal tochgoedkoper dan andere materialen. Daar komt nog bij dat deverspaanbaarheid van aluminium erg goed is. Hoge snijsnel-heden in combinatie met een grote aanzet zijn mogelijk. Datbrengt lagere productiekosten met zich mee en dat is voorserieproducten belangrijk.

Sterkte/stijfheidDe sterkte van het constructiemateriaal is bij een optisch in-strument doorgaans van ondergeschikt belang. Slechts inspecifieke gevallen speelt dit een rol; denk aan verbindings-middelen en dergelijke. Stijfheid is echter wel erg belangrijk,omdat die bepalend is voor het dynamische gedrag van deconstructie. Dat betekent dat ook moet worden gekeken naarde soortelijke massa van het materiaal. Meer in het bijzondergaat het dan over de specifieke stijfheid van het materiaal.

N r . 6 2 0 0 7 36

MATERIAAL VOOR PRECISIE-INSTRUMENTEN

Afbeelding 2.Voor de nieuwe Unit Telescopes van ESO (EuropeanSouthern Observatory) in Chili ontwikkelde TNO de StarSeparator, die signalen van zwakke sterren kan corrigeren voorverstoringen door de dampkring. Inmiddels zijn er drie afgeleverdaan ESO, helemaal in aluminium uitgevoerd.

34_37_nr6_Aluminium 30-11-2007 09:34

Dan blijkt dat veel materialen hiervoor een vrijwel gelijkewaarde hebben, zoals aluminium, titanium en staal (zieTabel 1). Materialen als beryllium en SiC scoren veel hogeren zijn dus superieur. Beryllium is echter door zijn giftigheid(inademen van berylliumstof), lage sterkte en hoge kostprijsniet erg populair. Kunststoffen kunnen hier beter scoren danaluminium, maar niet in alle richtingen. Want meestal betrefthet laminaten, waarvan de stijfheid afhankelijk is van derichting waarin het wordt belast. Die eigenschap kan wordenuitgebuit voor specifieke toepassingen, maar als sprake isvan de noodzaak om uniform goed te presteren dan is alumi-nium een sterke kandidaat.

Naast pure sterkte speelt ook het breukgedrag een belang-rijke rol bij de vraag welk materiaal het best geschikt is vooreen specifieke toepassing. Metalen vertonen plastischgedrag. Veelal is dit een zeer gewenste eigenschap. Lokaleoverbelasting leidt zo niet tot breuk maar tot een kleine loka-le plastische vervorming. Die is wellicht minder gewenstvoor de prestaties van het instrument, maar het is wel enormveilig. SiC, keramiek in het algemeen en zerodur zijn ergbros. Overbelasting leidt daar dan ook zonder waarschuwingtot breuk. Nu kan een instrument natuurlijk heel zorgvuldigworden ontworpen wat betreft de optredende spanningen,maar je wapenen tegen een ongelukje is erg moeilijk. Vooralomdat je nooit goed weet uit welke hoek het gevaar komt. Jelaat iets onbenulligs vallen en voor je het weet is keramiekkapot. Bovendien belemmeren beschermende maatregelen deuitvoering van het werk en kost het veel geld.

ToekomstUit dit alles komt men wellicht tot de conclusie dat de auteuralleen maar met aluminium wil werken. Niets is echter min-der waar. Nieuwe materialen bieden nieuwe mogelijkhedenen die moeten zeker goed worden onderzocht. Een onderzoe-ker kan het zich niet permitteren daar zomaar aan voorbij tegaan. De ervaring leert echter dat het moeilijk is een materi-aal te vinden dat zo goed scoort over de hele linie. Vooralspecifieke toepassingen bieden kansen voor de alternatievenen die worden dan ook grif benut. Voor verbindingen wordendoorgaans RVS- of titaniumbouten toegepast. Transmissie-optiek moet transparant zijn en dan is ‘glas’ het aangewezenmateriaal.

De vraag dringt zich op of de ‘dominantie’ van aluminiumzal afnemen in de toekomst. Voorzover het mogelijk is dievraag te beantwoorden, lijkt dat langzamerhand in zekeremate te gaan gebeuren. In het bijzonder siliciumcarbide kanop termijn een geduchte concurrent worden. Op de meestecriteria scoort het gelijk of beter dan aluminium, behalve optwee belangrijke aspecten, namelijk prijs en kwetsbaarheid.Het eerste punt zal naar verwachting in de loop der tijd min-der belangrijk worden, naarmate het materiaal meer wordttoegepast. Vermindering van de kwetsbaarheid vergt maatre-gelen die weer kostenverhogend kunnen zijn. Dat betekentdat als de nood maar hoog genoeg is (en de prijs dus mindervan belang is), SiC superieur is en meer en meer zal wordentoegepast. Dat neemt echter niet weg dat naar verwachtinghet merendeel van de optische instrumenten nog vele jarenzal worden gemaakt van aluminium.

AuteursnootTNO Industrie en Techniek houdt zich onder meer bezig metde ontwikkeling van precisie-instrumenten voor de ruimte-vaart, de lithografische industrie, de astronomie, enzovoort.Jan Nijenhuis is er als systems engineer verantwoordelijk(geweest) voor de technische ontwikkeling van een hele serieoptische instrumenten.

N r . 6 2 0 0 737

www.tno.nl

InformatieAfbeelding 3.Werk aan precisie-instrumenten vraagt aandacht enconcentratie.TNO-medewerkers (rechts de auteur) werken aande Star Separator voor ESO.

34_37_nr6_Aluminium 30-11-2007 09:34

G

N r . 6 2 0 0 738

Gebruik van kunststoffen voor MEMS (Micro ElectroMechanical Systems) is zeer interessant voor toepassingenals lab-on-a-chip en lab-on-a-disk (zie Figuur 1), waar eencompleet chemisch of biologisch laboratorium op een kunst-stofdrager gezet wordt. Complexe medische diagnoses kun-nen daarmee bij de patiënt thuis voor een paar eurocent peranalyse worden gedaan. Het kostenvoordeel zit hem in hetelimineren van de assemblage (‘goed’ voor meer dan de helftvan de kosten van een conventioneel MEMS-systeem [1],

[2]) en in het materiaal; kunststof is een factor 100-1.000goedkoper dan silicium.

MicrofluïdicaAlhoewel de meeste nieuwe toepassingen van microfluïdi-sche systemen zich richten op chemie, biologie en farmacie,zijn er ook applicaties in de fysica en regeltechniek, warmte-huishouding, energie-opwekking en display-technologie inontwikkeling. Zo heeft TNO in het kader van MicroNed eenmicro-voortstuwingsraket ontwikkeld om microsatellieten tepositioneren. Er is een lange historie van inzet van fluïdischesystemen, maar fluïdische toepassingen zijn tegenwoordigweinig in zwang door de optredende, onbegrepen schaal-eigenschappen.

De elektronica kent al decaden een voortschrijdende miniatu-risatie, maar nog steeds zijn niet de lengteschalen bereiktwaar een kwalitatieve verandering in de fysische effectenoptreedt (van het klassieke domein naar het quantumregime).Eén-elektrontransistors en mesoscopische schakelaars zijnonderwerp van onderzoek, maar worden nog niet industrieelingezet [3].Fluïdische systemen hebben echter al heel snel het gebiedbereikt waar hun gedrag sterk gaat afwijken van het macro-scopische, klassieke gedrag. Bekend is het fenomeen datmassatransport in microfluïdische kanalen wordt gedomi-neerd door visceuze dissipatie en dat inertie-effecten nage-noeg verwaarloosbaar zijn. Omdat juist de inertiekrachtenverantwoordelijk zijn voor het niet-lineaire gedrag en de

IOP-PROJECT KUNSTSTOF MEMS

Ontwerp van

TNO heeft samen met de TU Eindhoven het Kunststof MEMS-project opgezet voor het reali-

seren van bewegende microstructuren in kunststof. Doel van het project is om een kunststof-

microklep zonder micro-assemblage te integreren in een kanalenstructuur. Replicatietechniek

kent kostenvoordelen: geen assemblagekosten en kunststof is een aanzienlijk goedkoper

materiaal dan het voor MEMS gangbare silicium.

• Jan-Eite Bullema •

Figuur 1.Voorbeeld van een lab-on-a-disk. (Bron: NASA)

38_41_Bullema 06-12-2007 07:47 Pagina 38

daarmee samenhangende instabiliteiten en turbulenties, kanhet misverstand ontstaan dat microfluïdica voorspelbaar enoninteressant is. Dat komt tot uiting in het Reynolds-getal; zois voor kanalen met een grootte in de orde van 100 micronhet Reynolds-getal in de orde van 1. De literatuur schetstdaarbij het beeld van de gletsjer die het dal in stroomt.Microfluïdica zou daarmee saai zijn. Het tegenovergesteldeis waar.

In microfluïdica spelen veel fysische en chemische effecten(vloeistofmechanica, elektrostatica, thermodynamica, statisti-sche mechanica, elasticiteit en polymeerchemie) een rol. Dekleine schaal veroorzaakt interacties en niet-lineariteiten dieleiden tot ontzettend interessante fenomenen – die op macro-schaal niet voorkomen. TNO doet al een aantal jaren onder-zoek op dit gebied; Figuur 2 toont een voorbeeld, een micro-kanaal met capillaire pompwerking.

Figuur 2. Door TNO gerealiseerd microkanaal (100 micron breed).

In het kader van het Europese Smarthealth-project heeft deauteur een zogeheten lyseerchip ontwikkeld. Dat is eenmicrofluïdische structuur die het mogelijk maakt om DNA-materiaal uit een cel te extraheren. Er zijn allerlei methoden,meer en minder subtiel, om DNA uit cellen te verwijderen.Dit gaat van het mechanisch kapotscheuren van celmembra-nen onder hoge druk in een miniatuur zogeheten franse pers,of het op chemische wijze verwijderen van DNA, tot hetreversibel openen van het celmembraan met een elektrosta-tisch veld, waarbij DNA kan worden verwijderd maar ookweer teruggeplaatst [4].

Ontwerp van een lyseerchipIn de ontwerpfase wil men graag een beeld krijgen van eenaantal performance-karakteristieken van de fluïdische chip,

zoals de verblijftijd en de efficiency van het lyseren. Voor hetontwerp van een dergelijke lyseerchip kunnen onderstaandevier theoretische overwegingen de revue passeren.

Stroming door een microkanaalDe stroming door een leiding wordt gegeven door de Hagen-Poiseulle-relatie, waarin de straal van het kanaal (r) tot devierde macht terugkomt.

Q = π * r4 * ΔP / ( 8 * η * L)

met: Q = debiet [m3/s]r = straal van een kanaal [m]ΔP = drukval [N/m2]η = viscositeit [Ns/m2]L = lengte van een kanaal [m]

Zogeheten pressure driven flow heeft daarom in capillairekanalen een zeer hoge druk nodig. Daarom is het vaak handi-ger om andere effecten dan druk te gebruiken om flow in eenmicrokanaal te genereren: (a) oppervlaktespanningsflow (ofcapillaire flow), (b) elektro-osmotische flow, of (c) opper-vlaktetractie-effecten (zoals Surface Acoustic Waves). Voor elektro-osmotische flow geldt dat de flowsnelheid (inde orde van mm/s) bepaald wordt door:

Q = ε * ΔV * ζ * A / (η * L)

met:ε = diëlektrische contante [F/m]ΔV = aangelegde spanning [V]ζ = zetah-potentiaal [V]A = dwarsdoorsnede van een kanaal [m2]

De zetah-potentiaal wordt hieronder toegelicht.Laminaire Hagen-Poiseulle-flow en elektro-osmotische flowzijn belangrijk voor een groot aantal microfluïdica-toepassin-gen; zo wordt capillaire electroforese ingezet bij DNA- eneiwitanalyse.

Geometrie van het microkanaalVerschillende microfabricagetechnieken voor het realiserenvan microkanalen geven verschillende geometrieën.Bijvoorbeeld hot-embossing van polymeren geeft rechthoeki-ge kanalen, isotroop etsen van silicium halfronde kanalen,anisotroop etsen (KOH) van silicium driehoekige kanaal-

N r . 6 2 0 0 739

een microkanaal

38_41_Bullema 06-12-2007 07:47 Pagina 39

doorsneden, laser ableren van polymeren Gaussische door-sneden, en vormgeving in elastomeren (bijvoorbeeld het inde microfluïdica veelgebruikte PDMS) geeft elliptische door-sneden. Er is dus een verband tussen de gebruikte bewer-kingstechniek en het fluïdische gedrag van een microkanaal.Daarnaast kan de oppervlakteruwheid, tengevolge van eenspecifieke bewerkingstechnologie, invloed hebben op deeigenschappen van het microkanaal.

Zetah-potentiaalDe geometrie van een microkanaal is van belang vanwege deaan de Debije-lengte gekoppelde zetah-potentiaal. DeDebije-lengte is de afstand waarbij geladen moleculen ofionen zich min of meer stationair hechten aan de wand vaneen microkanaal (dat heeft te maken met het evenwicht tus-sen de thermische energie en de Coulomb-energie van gela-den deeltjes). De zetah-potentiaal is de ladingstoestand vande min-of-meer stationaire fase. De laag van geladen deeltjesleidt tot een schijnbare vernauwing of weerstandsverhogingvan het microkanaal. In de colloïdchemie is verandering vande zetah-potentiaal van deeltjes in oplossing de reden voorviscositeitsveranderingen van colloïdale suspensies. De weer-standsverhoging in een microkanaal door de zetah-potentiaalis theoretisch evenredig met de concentratie van geladendeeltjes tot de macht van de lading. Naast deze factorenhebben de pH en de temperatuur een invloed op de zetah-potentiaal.

Voor een toepassing waarbij cellen door een microkanaal‘stromen’, kunnen cellen worden opgevat als diëlectrische,geladen deeltjes. N.B.: een gemiddelde menselijke cel isongeveer 10 micron in diameter. Het DNA dat vrijkomt bijlyseren, is in neutrale oplossingen door de fosfaatgroepennegatief geladen. Het DNA-molecuul heeft een grootte vanenkele nanometers. Er is dus ook sprake van wisselwerkingtussen de geladen wand van het microkanaal en de geladendeeltjes die in oplossing door het kanaal stromen.

Interactie-effectenIn de microwereld treden interactie-effecten op tussen ver-schillende fysische fenomenen. Theoretisch kan men greepkrijgen op deze interactie-effecten via de Onsager-relaties.Deze zijn voor het begrijpen van de microwereld van essen-tieel belang, omdat ze multi-fysica-effecten en ook schalings-effecten op een theoretisch correcte wijze in zich verenigen.

ΣJ = ΣL × X

met (voor deze vereenvoudigde notatie): J = stroming ten gevolge van een aangelegd veld L = Onsager-coëfficiënt X = drijvende kracht

Onsager gaat er van uit dat bijvoorbeeld een deeltjesstroomde som is van zowel concentratieverschil en drukverschil alsook aangelegd elektrisch veld. En dat een deeltjesstroom ookladingstransport kan betekenen en dus ook effect heeft op detotale elektrische stroom. De elektrische stroom wordt daar-mee meer dan een effect dat alleen door aangelegde spanningen elektrische weerstand wordt beschreven.

Mortensen [6] geeft bijvoorbeeld op basis van de Onsager-relaties een theoretische uitwerking van het gelijktijdig op-treden van elektro-osmose en pressure driven flow in eenmicrokanaal, en laat zien hoe de schaal en de geometrie vanmicrokanalen vanuit first principles kan worden opgelost.Met name wordt uitgewerkt hoe de Onsager-coëfficiëntenafhankelijk zijn van de dimensies van de microkanalen. Helaas zijn er in de praktijk veel verstorende factoren, ondermeer samenhangend met de beheersing van de microfabrica-getechnieken, die het nog steeds moeilijk maken om op basisvan de inzichten de werking van een systeem te voorspellen.

De lyseerchipBovenstaande theoretische overwegingen bij het ontwerpenvan een microfluïdisch systeem laten zien dat het ontwerperg gevoelig is voor kleine afwijkingen (bijvoorbeeld in debreedte van een microkanaal) en dat het gedrag van micro-fluïdische systemen zeer sterk door interacties bepaald is.Voor het ontwerp van een chip is men aangewezen op trial &error en het inzetten van eerdere – in de praktijk bewezen –ontwerpprincipes. Waarbij een schijnbaar kleine aanpassingal grote gevolgen kan hebben.

Voor het ontwerp van de lyseerchip is uitgegaan van een wer-kend systeem uit de literatuur [7], waarbij de cellen elektro-

N r . 6 2 0 0 7 40

IOP-PROJECT KUNSTSTOF MEMS

Figuur 3. Schematisch ontwerp van de op elektroporese gebaseer-de lyseerchip.

38_41_Bullema 06-12-2007 07:47 Pagina 40

osmotisch door een vernauwing van 50 micron in een micro-kanaal van 250 micron worden gedreven. Volgens Wang ishet mechanisme van DNA-extractie gebaseerd op de intensi-vering van elektrische veldlijnen in het microkanaal, waar-door de celmembranen opengaan en het DNA-materiaal uitde cel vrijkomt. Figuur 3 toont de schematische weergavevan een chip op basis van dit elektroporese-principe.

Experimenteel zijn er vanuit TNO twee varianten gereali-seerd van dit lyseerprincipe; zie Figuur 4. Een variant opbasis van laserablatie van een kunststofchip (gerealiseerddoor IMM Mainz) en een variant op basis van anisotroopetsen van silicium met KOH (gerealiseerd in de cleanroomvan de Hogeschool Zeeland).

Figuur 4. Ontwerp van de TNO lyseerchip.

Drese en Bolt [4] vergelijken de efficiency van dit ontwerpmet een aantal andere ontwerpen van lyseersystemen. In depraktische test van de functionaliteit blijkt dat er sprake isvan DNA-extractie uit de geteste cellen. Vanuit het oogpuntvan vervaardiging en ontwerp van de microkanalen is devoorspelling van het goed functioneren een heikele zaakgebleken.

ConclusieHet ontwerpen van een microfluïdisch systeem op basis vantheoretische overwegingen is een complexe materie door deveelheid van effecten. De invloed van micro-bewerkingstech-nieken op de functionaliteit van microchips is beneden eenbepaalde maatvoering groot. Momenteel is men voor ont-

werp aangewezen op een combinatie van theoretisch inzichten trial & error. Het IOP Precisietechnologie-projectKunststof MEMS moet meer inzicht genereren in de koppe-ling tussen theorie en praktijk. Ook de beperkingen en moge-lijkheden van de gebruikte micro-bewerkingstechnieken zul-len nader worden onderzocht.

AuteursnootJan-Eite Bullema is als technologiemanager microsysteem-technologie verbonden aan TNO Industrie en Techniek.

Literatuur[1] Bullema J.E., Bos, E. Elders, J., Micro Assembly ofMicro Systems, Proceedings COMS 2006, 2006.[2] Bullema J.E., Burger G.J., Micro Assemblage van eenmicro Gas Chromatograaf. Mikroniek 3, 2005.[3] Squires T.M., Quake S.R., Microfluidics: Fluid physics atthe nanoliter scale, Reviews of modern Physics ,Volume 77,July 2005, 927-1026.[4] Drese K.S., et al., Comparison of the Efficiency ofDifferent Methods for the Lysis of Cells in Lab-on-ChipSystems, Proceeding Nanotech 2007.[5] Han K.-H., McConnell R.D., Easley C.J., Bienvenue J.M.,Ferrance J.P., Landers J.P., and Frazier A.B., An active micro-fluidic system packaging technology, Sensors and ActuatorsB: Chemical, 122 (2007) 337-346.[6] Mortensen N.A., Oleson L.H., Bruus H., Transport coeffi-cients for electrolytes in arbitrarily shaped nano- and microf-luidic channels, New Journal of Physics 8 (2006) 37, 2-15.[7] Wang H.-Y., et al., A microfluidic flow-through devicefor high throughput electrical lysis of bacterial cells based oncontinous dc voltage, Biosensors and Bioelectronics 22(2006) 582–588.

N r . 6 2 0 0 741

www.tno.nlwww.senternovem/iopprecisietechnologiewww.smarthealthip.com

Informatie

38_41_Bullema 06-12-2007 07:47 Pagina 41

elektronenbron (een gloeidraad van wolfraam of een veld-emissiebron) de lichtbron, vervangen elektromagnetischelenzen de glazen lenzen, en is er een fluorescentiescherm,dat elektronen omzet in zichtbaar licht. Het hele traject vanbron tot scherm wordt doorlopen in vacuüm met een vrije

V

N r . 6 2 0 0 742

Vóór de fusie leverde Philips Electron Optics al productenaan FEI om klanten de mogelijkheid te bieden de resultatenvan ionenbundelbewerkingen waar te nemen. Inmiddels zijnbeide bedrijven opgegaan in het nieuwe FEI Company metwereldwijd 1700 medewerkers en productiefaciliteiten inHillsboro (Oregon, VS), Brno (Tsjechië) en Eindhoven.Philips Electronics heeft nog slechts een gering minderheids-belang. ‘Eindhoven’ neemt voor Europa de verkoop en appli-catie van het precisietechnologisch zeer geavanceerde FEI-programma voor zijn rekening, en de productie van de meestcomplexe apparatuur vindt er plaats (zie Afbeelding 1); derest van het programma wordt gefabriceerd in Brno (zieAfbeelding 2).

Waarom elektronen?Afbeelding 3 toont schematisch de stralengang in een dia-projector en een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM),waardoor duidelijk wordt dat deze optisch vergelijkbaar zijn.In een diaprojector zet de condensorlens het licht van delichtbron om in een evenwijdige bundel, die de dia (= hetobject) treft. Het licht passeert vervolgens het object enwordt door de objectieflens gefocusseerd op het scherm,waar een vergroot beeld ontstaat. In een TEM vervangt een

NANOTECHNOLOGIE MET FEI

Elektronen tonen

Een mooi huwelijk zou je het samengaan van Philips Electron Optics en FEI Company in

1997 kunnen noemen. Hun specialisaties vullen elkaar naadloos aan: Philips Electron Optics

produceert sinds 1949 elektronenmicroscopen en FEI Company levert sinds 1971 ionenbun-

delsystemen. Met de laatste kunnen producten op micrometer- en zelfs nanoschaal worden

bewerkt en vervolgens met een scanning-elektronenmicroscoop bekeken. Integratie van deze

apparaten heeft de DualBeam opgeleverd, waarmee in één preparaatruimte ultrafijne bewer-

kingen tot stand komen, die direct met hoge resolutie kunnen worden waargenomen.

• Frans Zuurveen •

Afbeelding 1.Transmissie-elektronenmicroscoop Tecnai F20.(links)Afbeelding 2. Preparaatkamer en kolom van scanning-elektronen-microscoop Inspect S.(rechts)

42_49_FEI 30-11-2007 09:53

weglengte voor elektronen die veel groter is dan de optischeweg. Het preparaat dient uiterst dun te zijn, omdat anders deelektronen er niet doorheen kunnen en er zo informatie ver-loren zou kunnen gaan.

Zoals bekend, is de resolutie (het scheidend vermogen) vaneen microscoop evenredig met de golflengte van de toege-paste straling. Elektronen met een energie van 120 keV, bij-voorbeeld, zijn equivalent met elektromagnetische stralingmet een golflengte van ongeveer 3,4 x 10-3 nm. Helaas is detheoretische winst in resolutie van een factor 100.000 bij toe-passing van elektronen vergeleken met zichtbaar licht in depraktijk niet realiseerbaar. Want de resolutie is niet alleenevenredig met de golflengte maar ook omgekeerd evenredigmet de openingshoek van het objectief.Bij elektronenmicroscopen moet noodgedwongen die ope-ningshoek veel kleiner worden gekozen dan bij lichtmicro-scopen. De voornaamste reden daarvoor is beperking van desferische aberratie. Bij lichtmicroscopen kan die wordengecorrigeerd door het combineren van lensdelen met positie-ve en negatieve sferische aberratie, maar bij elektromagneti-sche lenzen is de sferische aberratie altijd positief. Een voor-deel van de geringe openingshoek in elektronenmicroscopenis de grote scherptediepte. En recentelijk is FEI erin geslaagdde sferische aberratie met correctiespoelen te verminderen.Daardoor is in een standaard-TEM een resolutie van 0,07 nmgehaald, zie Afbeelding 4. Zie ook het artikel over hetTEAM-project in het vorige nummer van Mikroniek, dat hetbereiken van een resolutie van 0,05 nm beschrijft.

Meer dan afbeeldenAfbeelding 5 laat een doorsnede van een TEM zien, een voor-beeld van hoogwaardige precisietechnologie. De poolschoe-nen van de elektromagnetische lenzen moeten bijvoorbeeldaan toleranties van minder dan één micrometer voldoen.

Behalve dat elektronenmicroscopen beelden produceren,leveren ze ook informatie over kristalstructuren en chemi-sche samenstellingen. Om dat te verklaren gaan we allereerstin op de wisselwerking van elektronen met de moleculairestructuur van het preparaat, zie Afbeelding 6: • Sommige elektronen worden geabsorbeerd, waarbij het

aantal doorgelaten elektronen afhangt van de dikte en de samenstelling van het preparaat. Dit effect levert het amplitudecontrast in het beeld: BF (Bright Field).

• Andere elektronen worden, afhankelijk van de samenstel-ling van het preparaat, verstrooid over een kleine hoek. Dit geeft het eerste-orde-contrast in het beeld: DF (Dark Field).

• Elektronen die over een grotere hoek worden verstrooid, zijn verantwoordelijk voor het tweede-orde-contrast: HAADF (High-Angle Angular Dark Field).

• In kristallijne preparaten worden de elektronen in discreterichtingen verstrooid. De bijbehorende hoeken zijn afhan-kelijk van de kristalstructuur. Dit effect geeft buigings-contrast in het preparaat.

• Enkele van de botsende elektronen worden gereflecteerd door de atoomkernen in het preparaat, de teruggekaatste elektronen (‘backscattered electrons’).

N r . 6 2 0 0 743

het bewerken met ionen

Afbeelding 3. De stralengangen in een diaprojector en een trans-missie-elektronenmicroscoop zijn in principe vergelijkbaar.

Afbeelding 4.TEM-opname van de kristalstructuur van goud, dieeen resolutie van 0,07 nm aantoont.

42_49_FEI 30-11-2007 09:53

• Door de botsende elektronen kan het preparaat ook zelf elektronen uitzenden: secundaire elektronen met een energie kleiner dan 50 eV. De benodigde detector heet SED (Secondary Electrons Detector).

• Door de botsende elektronen kan het preparaat röntgenstra-ling uitzenden. Het spectrum daarvan is samengesteld uit een continu deel, Bremsstrahlung of remstraling geheten, en daarop gesuperponeerde pieken, waarvan de golflengte karakteristiek is voor het element dat door de elektronen wordt getroffen. Door van die pieken de energie te meten is lokaal in het preparaat de elementaire samenstelling te bepalen. Dat meten gebeurt met een EDX-detector (Energy-Dispersive X-rays).

• De botsende elektronen kunnen de uitzending van licht of-tewel fotonen teweegbrengen: kathodeluminescentie (CL).

• Het energieverlies van de elektronen door wisselwerking in het preparaat kan kwantitatief worden gedetecteerd met een EELS-detector (Electron Energy Loss Spectrometer).

In een standaard-TEM dragen de eerste twee verschijnselenbij aan de contrastvorming in een beeld van niet-kristallijne,meestal biologische, preparaten. Bij kristallijne, doorgaansniet-biologische, preparaten zijn eerste- en tweede-orde-fase-contrast en het buigingscontrast bepalend voor de beeld-vorming.

In een STEM (Scanning Transmission Electron Microscope)is niet alleen normale beeldvorming mogelijk maar kan ookeen uiterst spitse elektronenbundel het preparaat heel lokaalaftasten. Met een EDX-, EELS- of CL-detector kunnen danlokale analyses worden gemaakt of is het zelfs mogelijk beel-den te genereren waarin specifieke elementen zichtbaar zijn.Met een lokaal opgenomen EELS-zuurstofspectrum kan bij-voorbeeld onderscheid worden gemaakt tussen FeO en Fe2O3in hematiet (ijzeroxide).

Computer maakt meer mogelijkEen recente techniek is het produceren van driedimensionalebeelden met behulp van computertomografie. Daarbij zorgteen speciale preparaathouder voor het kantelen (‘tilt’) van hetpreparaat. Een serie van, bijvoorbeeld, 140 beelden met op-lopende kantelhoek wordt gedigitaliseerd en vervolgensbewerkt tot een ruimtelijk beeld, dat op een monitor onderverschillende hoeken kan worden waargenomen. Afbeelding7 laat een aantal HAADF-STEM-tomografiebeelden vannano-katalysatordeeltjes onder diverse hoeken zien.

N r . 6 2 0 0 7 44


Afbeelding 5.Schematischedoorsnede van dekolom van eentransmissie-elektronen-microscoop.

Afbeelding 6.Wisselwerking vanelektronen met demoleculairestructuur in hetpreparaat.

Afbeelding 7. HAADF-STEM-tomografiebeelden van kantelendenano-katalysatordeeltjes (HAADF = High-Angle Angular DarkField). (Bron: M.Weyland, P.A. Midgley, R.E. Dunin-Borkowski, Un.of Cambridge)

42_49_FEI 30-11-2007 09:53

Al lang heeft FEI, en eerder Philips, gekoelde TEM-prepa-raathouders in het programma. Daarvoor wordt vloeibarestikstof gebruikt. Tegenwoordig kan zo’n cryo-preparaathou-der ook met vloeibaar helium tot een temperatuur van 15 Kworden gekoeld. Afbeelding 8 laat een 15K-cryo-opnamezien van TDD-liposomen met een uit honderd beelden – metper graad oplopende kantelhoek – gereconstrueerd 3D-beeld.TDD (Targeted Drug Delivery) is bedoeld om medicijnenlokaal gedoseerd in het lichaam af te leveren, waarbij vet-deeltjes (liposomen) fungeren als transportmiddel. Dankzijhet plotselinge afkoelen met een snelheid van circa 10.000K/s zijn de deeltjes bestand tegen vacuüm en het elektronen-bombardement van 14.000 e/nm2. Computerbewerking maakt het ook mogelijk de atomairestructuur in een kristalrooster beter weer te geven.Afbeelding 9 laat de structuur van kristallijn BaO3 zien. Hetbeeld is ontstaan door de computerbewerking van een reeksgedigitaliseerde beelden die zijn gemaakt door het scherp-stelgebied in stappen van enkele nm’s te doorlopen(‘through-focus series’). De eerste computerbewerking levertbeelden waarin de plaats van de afzonderlijke atomen zicht-baar is. Het resultaat van een volgende bewerking is een soortsynthetisch beeld waarin de afzonderlijke Ba- en O-atomenzijn te onderscheiden. De atoomafstand bedraagt ongeveer0,5 nm.

Groeien in vacuümSinds kort kunnen in de TEM-preparaatruimte processen wor-den waargenomen door het preparaat in een soort cel te plaat-sen. In die cel vindt het eigenlijke proces plaats, slechts dooreen uiterst dunne wand gescheiden van het hoogvacuüm.Heel bijzonder is dat met dit procédé in een voor de Deense

katalysatorfabrikant Haldor-Topsøe speciaal gemodificeerdeTEM het groeien van koolstof-nanobuizen kan worden waar-genomen. Een nanobuis is een hexagonale structuur van gra-fiet, gevormd uit regelmatige zeshoeken van koolstofatomen.Een dergelijke nanobuis ziet er op atomaire schaal uit als eencilinder van ‘kippengaas’.Afbeelding 10 toont een doorsnede van een nanobuis meteen aantal opvolgende beelden van het groeiproces. Datbegint met een kern van nikkelspinel als katalysator en wordtgevoed door een mengsel van CH4 en H2, dat heel gedoseerdin de cel wordt toegelaten. Daarbij is het nodig de tempera-tuur in de cel te verhogen tot 720 ºC. De druk van het gas inde cel bedraagt 5 mbar. Het onderzoek is bedoeld om na tegaan hoe de procesparameters de groeisnelheid en geometrievan de nanobuis beïnvloeden. Aangezien koolstofstructurentoepassing vinden als katalysator, is dit onderzoek voorHaldor-Topsøe van fundamenteel belang.

Scanning-elektronenmicroscopieHiervoor is al even het aftasten van het preparaat in eenSTEM aan de orde geweest. Dat aftasten, ‘scanning’, is hetbasisprincipe in een scanning-elektronenmicroscoop (SEM),zie Afbeelding 11. Een SEM bestaat – net als een TEM – uiteen kolom met op elkaar gestapelde elektromagnetische len-

N r . 6 2 0 0 745

Afbeelding 8. Links cryo-opname bij 15 K van TDD-liposomen(Targeted Drug Delivery). Rechts een uit honderd beelden metoplopende kantelhoek gereconstrueerd 3D-beeld. (Opnames: P.Frederik, Un. Maastricht; preparaat:Alza, Menlo Park, CA)

Afbeelding 9. Structuurvan kristallijn BaO3.

Het linker beeld is eencomputerbewerkingvan een reeks beeldenmet veranderendscherpstelcriterium(‘through-focus series’).

Afbeelding 10. Links een schematische tekening van een nanobuismet Ni-spinel als katalysator, in het midden een doorsnede vaneen nanobuis, rechts een beeld van het groeiproces. (Opnames:P.L. Hansen, J.B.Wagner, S. Helveg, Haldor Topsøe)

42_49_FEI 30-11-2007 09:53

helderheidssignaal in een monitor, gesynchroniseerd met debeweging van de elektronenbundel in de kolom.Dankzij de zeer kleine openingshoek van de aftastende elektro-nenbundel is de scherptediepte in een SEM veel groter dan dievan een lichtmicroscoop. Afbeelding 13 laat daar enkele voor-beelden van zien. Dat een SEM ook met vergrotingen kan wer-ken die vergelijkbaar zijn met die in een lichtmicroscoop, be-tekent dat een SEM een concurrent voor een lichtmicroscoopkan zijn, al gaat dat in het algemeen niet op voor de prijs.

Dat laatste geldt echter niet voor de Phenom, waarin FEIrecentelijk beide principes heeft geïntegreerd, zie Afbeelding14. Dat is interessant nieuws voor microscopisten, die met dePhenom kunnen beschikken over een zeer eenvoudig tebedienen instrument, dat de goede eigenschappen van eenSEM met die van een lichtmicroscoop combineert. Eenobject kan daarin bij lage vergroting met licht worden ge-inspecteerd, waarna de gebruiker met de SEM interessantedetails kan vergroten. Het apparaat kan de kloof tussen licht-en elektronenmicroscopie overbruggen en wordt voor eenprijs onder de 60.000 euro aangeboden.

Vochtige preparatenIedere vacuümspecialist is ervan doordrongen dat vacuüm envocht vijanden zijn. Heel vaak bestaat echter de wens vochti-ge preparaten te onderzoeken, maar die bederven de vacuüm-condities in de SEM. In de ESEM (Environmental ScanningElectron Microscope) is dat probleem opgelost door met eenzogeheten pompdiafragma de ruimten van de SEM-kolom endie van de preparaatkamer te scheiden. De elektronenoptiekis zo ontworpen dat het midden van de diafragma-opening –ter grootte van 100 μm of minder – samenvalt met het kan-telpunt van de scannende elektronenbundel.Het probleem dat de gangbare SE-detectoren niet bestand

zen. Een SEM-kolom is echter aanzienlijk korter omdat eralleen maar lenzen nodig zijn om de elektronenbundel tefocusseren in een fijne brandvlek op het preparaat.Anderzijds is de preparaatkamer veel groter, omdat de SEM-techniek nagenoeg geen beperkingen oplegt aan de groottevan het preparaat, zie Afbeelding 12. TEM-preparaten daar-entegen zijn soms niet meer dan een fractie van een μm dik.

Het elektronenkanon levert samen met de condensorlenzeneen elektronenbundel die resulteert in een fijne brandvlek(spot) met een diameter kleiner dan 1 nm op het preparaat.De bundel tast het preparaat af volgens een rechthoekig raster.Zoals gezegd, genereert de elektronenbundel andere deeltjesen straling, die kunnen worden gedetecteerd, zie Afbeelding6. Het meest toegepast is de SED, die secundaire elektronenopvangt. Het versterkte signaal van de detector moduleert het

N r . 6 2 0 0 7 46


Afbeelding 11.Schematischetekening van eenscanning-elektronen-microscoop (SEM).

Afbeelding 12. De preparaatkamer van een SEM met een ‘stage’voor het transleren, roteren en kantelen van het preparaat.

Afbeelding 13.Beelden die degrote scherpte-diepte van eenSEM illustreren.

42_49_FEI 30-11-2007 09:53

zijn tegen slechte vacuümcondities, is opgelost door de ont-wikkeling van de GSED (Gaseous Secondary ElectronDetector), die gebruik maakt van cascadeversterking en daar-door ruw vacuüm kan weerstaan.Afbeelding 15 laat een reeks opnamen zien van een stukjevochtig weefsel dat in een ESEM een zodanig druk-tempera-tuurtraject doorloopt dat het water van de gasfase overgaat inde vloeistoffase. De veranderingen in het preparaat door evo-luerende vochtcondities zijn uitstekend waarneembaar.

SEM-nanotechnologieIn een SEM kan nanotechnologie worden bedreven met deEBID-techniek, Electron Beam Induced Deposition. Dietechniek berust op de eigenschap van snelle elektronen datdeze moleculen uiteen kunnen laten vallen. Zo kunnen wol-

fraamcarbonyl-moleculen W(CO)6 uiteenvallen in W-, C-, enO-atomen. Door het toelaten van gasvormig W(CO)6 in depreparaatkamer kunnen wolfraamatomen worden gedepo-neerd op die plaatsen van het preparaat die door de elektro-nenbundel worden getroffen. Op ongeveer dezelfde manierkan er ook koper, goud en platina worden gedeponeerd.Afbeelding 16 toont het principe van EBID. Afbeelding 17laat zien hoe met het EBID-procédé het FEI-logo en een dol-larteken (85 bij 100 nm) in platina op een substraat zijn‘geschreven’. Het derde beeld toont ‘paaltjes’ van wolfraammet een hoogte van 100 tot 200 nm en een diameter vancirca 25 nm. Het laatste beeld is dat van een minuscuul

N r . 6 2 0 0 747

Afbeelding 14. De gebruiksvriendelijke FEI Phenom combineerteen SEM met een lichtmicroscoop.

Afbeelding 15. Een reeks opnamen van weefsel waarvan het vochtin een ESEM (Environmental Scanning Electron Microscope) eendruk-temperatuurtraject heeft doorlopen van gas naar vloeistof;zie het fasediagram van H2O rechtsboven. (Opnames: Proctor &Gamble, Italië)

Afbeelding 17. Enkele voorbeelden van nanotechnologie metEBID. Linksboven het FEI-logo in Pt-dotjes. Linksonder idem hetdollarteken van 85 bij 100 nm. Rechtsboven ‘paaltjes’ van wolfraam tot 200 nm hoog. Rechtsonder een naaldje van kobaltop de tip van een AFM (Atomic Force Microscope).

Afbeelding 16.Principe vanElectron BeamInducedDeposition (EBID).

42_49_FEI 30-11-2007 09:53

naaldje van kobalt op de siliciumtip van een AFM (AtomicForce Microscope), bedoeld als aanzet voor nieuwe afbeel-dingstechnieken op nanoschaal.

Ionen en elektronen werken samenDualBeam-werkstations van FEI Company combineren eenionenbundelkolom en een SEM-kolom. In tegenstelling totde SEM-kolom met elektromagnetische lenzen heeft eenionenbundelkolom elektrostatische lenzen, omdat de zwaar-dere ionen zich met elektromagnetische lenzen minder mak-kelijk laten focusseren.

Een FIB (Focused Ion Beam) in een DualBeam-werkstationbestaat uit Ga+-ionen, die door een dun laagje vloeibaar gal-lium op een tip van wolfraam door middel van veldemissieworden geëmitteerd. Ga+-ionen hebben een 128.000x groteremassa dan elektronen, hun snelheid is echter 360x kleiner.De grotere massa maakt het mogelijk deeltjes los te slaan uithet preparaatoppervlak en dit zo met submicron-precisie tebewerken. Afbeelding 18 laat zien hoe de ionenbundel en deelektronenbundel op hetzelfde punt van het preparaat samen-komen. De SEM-kolom staat verticaal, de FIB-kolom ondereen hoek, zie Afbeelding 19. De inzet rechts in Afbeelding18 laat zien hoe een door de FIB-bewerking ontstaan gat meteen aftastende SEM-bundel wordt bekeken.

DualBeam-werkstations worden vooral toegepast in de IC-fabricage. De FIB kan materiaal wegnemen om afwijkingenin een chip zichtbaar te maken. Ook kunnen er met Ion

N r . 6 2 0 0 7 48


Afbeelding 19. De DualBeam Helios 600. Boven de elektronen-kolom, links in het midden de ionenkolom, onder de preparaat-kamer.

Afbeelding 18. In een DualBeam zijn de ionenbundel en de elek-tronenbundel gefocusseerd op hetzelfde punt. Rechts: het meteen elektronenbundel observeren van de opening die door eenionenbundel is gemaakt.

Afbeelding 20. Het zoeken naar de oorzaak van een scheur (mid-denboven) in het meerlaagse materiaal van een motorhelm. Delagenstructuur van het materiaal is met een ionenbundel zicht-baar gemaakt (onder). Het preparaat is over 45º gekanteld.

42_49_FEI 30-11-2007 09:53

Beam Induced Deposition (IBID) geleidende sporen of isole-rende lagen worden aangebracht, kan met een EDX-detectorde chemische samenstelling worden geanalyseerd of kan metde SEM het gebied worden waargenomen dat in behandelingis. FIB-werkstations vergemakkelijken het debuggen van IC-prototypen.Afbeelding 20 laat zien dat DualBeam-werkstations ookgoede diensten kunnen bewijzen bij materiaalontwikkeling.De oorzaak van een scheur in het meerlaagse materiaal vaneen motorhelm wordt opgespoord door het materiaal zo metde FIB te bewerken dat de lagenstructuur in een doorsnede tevoorschijn komt. De SEM-opname toont vervolgens eenlokaal fabricagedefect aan.

Een andere toepassing van een DualBeam-werkstation is hetmaken van TEM-preparaten. Die preparaten moeten, zoalsgezegd, heel dun zijn. Afbeelding 21 laat zien hoe dat in zijnwerk gaat. Allereerst wordt met de SEM het preparaat geob-serveerd, waaruit blijkt welk gedeelte interessant genoeg isom met een TEM nader te bestuderen. De FIB bewerkt daar-na het preparaat op die plaats zodanig dat er een lamel terdikte van, bijvoorbeeld, 100 nm ontstaat. De FIB snijdt daar-na de lamel los. Het moeilijke transport van dit uiterst fragie-le preparaat naar de TEM vindt plaats door het met een elek-trostatisch geladen glaspunt vanuit de DualBeam-preparaat-kamer op te pakken en vervolgens op een – voor TEM-observatie gebruikelijk – goudgaasje te deponeren.

Tot slotDe geavanceerde apparatuur van FEI Company voor het opnanometerschaal observeren en eventueel bewerken van pre-paraten beslaat ruwweg een prijsgebied van 60 tot 2.500kilo-euro. De ondergrens geldt voor een Phenom met eengebruiksvriendelijke combinatie van lichtmicroscoop enscanning-elektronenmicroscoop. De bovengrens geldt vooreen TEM met lenscorrectie of voor een omvangrijkDualBeam-werkstation DA300 in gesloten kabinet, zieAfbeelding 22.

AuteursnootFrans Zuurveen is freelance tekstschrijver te Vlissingen.Dit artikel is mede gebaseerd op de voordracht van FEI-specialist Hans Mulders begin dit jaar tijdens de themadagMicroscopie van het Mikrocentrum.

N r . 6 2 0 0 749

[email protected]

Informatie

Afbeelding 21. Het maken van een TEM-preparaat met eenDualBeam. Na observatie met de SEM wordt van een interessantgedeelte een lamel ter dikte van 100 nm met de ionenbundel uit-gesneden.

Afbeelding 22. Het DualBeam-werkstation DA300 in geslotenkabinet.

42_49_FEI 30-11-2007 09:53

N r . 6 2 0 0 7 50

MIKROCENTRUM

DDe maakindustrie is onmiskenbaar op weg naar andere werk-bereiken en verlegt daarvoor grenzen. Machinebouwers spe-len daar actief op in. Dat was recent duidelijk zichtbaar op deEMO wereldtentoonstelling van verspaningsmachines,gereedschappen en toebehoren in Hannover. Heel opvallend –zeker voor een bezoeker met binding aan een instituut met denaam Mikrocentrum – was het aantal ‘nano’-producten datwerd gepresenteerd, van groot tot klein, van slijpen, overspuitgieten en horizontaal ultraprecisie-frezen tot vonken toe.

Nano als aanduiding voor extreme precisie is in coating- enoptische kringen geen onbekende meer. Anders is dat in dewereld van de verspaning, waar eenhonderdste mm geen bar-rière hoeft te zijn, maar het realiseren van één micron (10-6

meter) – in het product – dat wel degelijk nog is. Laat staan 1 nm! Geslaagde themadagen als ‘Micro- en precisiebewer-kingen’ in Gent (België) en ‘Microbewerking met lasers’ ineigen huis bevestigen de sterk gestegen interesse van indus-trie en onderzoek in de richting van ‘klein maar fijn’.Achtergrond is onder meer de trend naar miniaturisatie. Dieis zichtbaar geworden bij producten en microsystemen metsterk verhoogde functionaliteit in een uiterst beperkt volume,zoals medische apparaten en systemen, alledaagse beveili-gingsopties in auto’s en sensoren & actuatoren in de fijn-mechanische industrie.

VonkrevivalEen van de processen die in normaal gebruik de ‘submicron’in zich heeft, te weten vonkeroderen of EDM (ElectricalDischarge Machining), lijkt vrij ongemerkt een wedergeboor-te door te maken. Binnen vonkverspanen handelt het dan omde varianten zinken, draadvonken, EDM-boren en vooral(micro)vonkfrezen en -slijpen. In Nederland en België bestaateen tekort aan goed opgeleide vaklieden en valt te constaterendat vonken marginaal wordt gedoceerd in het huidige tech-nisch onderwijs. Samen met de jongste EDM-innovaties – dieongetwijfeld op de komende Techni-Show worden getoond –rechtvaardigen die feiten het organiseren van een themadag‘Vonkerosie innoveert sterk’. De actuele stand van zaken bin-

nen de vonkerosie zal daarbij door een deskundig panel vaninternationale sprekers uit onderzoek, machinebouw, praktijken commercie grondig worden uitgewerkt.

EDM-publicatieDie Eindhovense vonkdag vormt een uitstekende gelegenheidom de nieuwste FME-voorlichtingspublicatie ‘VM 120Vonkerosie, Theorie en Praktijk’ te lanceren. Rijk geïllus-treerd worden in circa 120 pagina’s de belangrijkste aspectenbehandeld voor een optimale inzet van vonkerosietechniekenin de praktijk. Zelfs ingewijde technici vinden hierin onge-twijfeld aansporingen en aanvullende kennis ter verdere per-fectionering van hun werk.De themadag onderstreept eens te meer de hechte band tussenEDM en Mikrocentrum. Zo staat vrijwel vanaf de oprichtingvonkerosie prominent op het cursusprogramma.

Van micro naarnano: hype of feit?

Themadag ‘Vonkerosie innoveert sterk’ op 15 januari 2008 inhet Mikrocentrum te [email protected] (Marieke Peelen)Tel. 040 - 296 99 11

Informatie

Microscoopopname van een complexe mini-contour (buiten-diameter ‘kommetje’: 5,2 mm) in een gevonkfreesde matrijshelftvoor microspuitgieten. (Foto: Sarix)

50_50_nr6_Mikrocentrum 28-11-2007 15:10 Pagina 50

N r . 6 2 0 0 751

Summerschool Opto-Mechatronics in June 2008

Kwart eeuw High Tech BedrijvengidsBegin november vierde het High TechPlatform van het Mikrocentrum het 25-jarig jubileum van de High TechBedrijvengids. Bij het High TechPlatform zijn inmiddels 480 bedrijvenen (kennis)instellingen aangesloten.Doel van het platform is kennisuitwis-seling en (commercieel) netwerken inde technische industrie te bevorderen.De High Tech Bedrijvengids is daar-voor één van de middelen. De gratis te

verkrijgen gids (oplage 7.500 exempla-ren) is een naslagwerk op het gebiedvan industriële technieken en bevat uit-gebreide profielen van alle aangeslotenbedrijven en een overzicht van deMikrocentrum-activiteiten. De gids ver-schijnt ieder jaar in september.

[email protected]

Compacte lineaire DC-servomotorFaulhaber speelt in op de toenemendebehoefte aan miniaturisatie op het vlakvan aandrijftechniek met een compactelineaire DC-servomotor, geschikt voorindustriële en hoogtechnologische toe-passingen. De LM 1247 met afmetin-gen van slechts 12,5 x 47 mm en eengewicht van amper 56 gram levert opvol vermogen een kracht tot 9,4 N. Destandaard uitvoering heeft een slagleng-te van 20 mm, optioneel zijn slagleng-tes beschikbaar tot 80 mm. De lineaire

DC-servomotor bestaat uit een niet-magnetische metalen behuizing (stator)met ingebouwde wikkeling en analogeHall-sensoren. Het bewegende deel, eenmetalen precisiecilinder gevuld metpermanente magneten, glijdt concen-trisch in de stator. Dit concept geeft demotor zijn krachtige en dynamischeeigenschappen.

www.minimotor.ch

For many years now, Dutch companiessuch as Philips, ASML, FEI, Océ andAssembléon excel in the area of preci-sion engineering. It is the ambition ofthe Dutch Association of PrecisionTechnology (NVPT) and TNO Science& Industry to further strengthen thisunique position. Therefore, (young)precision engineers are invited toattend the international summerschoolon opto-mechatronics in June 2008.

The summerschool will comprise fivedays of excellent lectures in opto-mechatronics by Dutch professors and

senior scientists, combined with hands-on training by TNO specialists. Thefocus will be on systems design,including optical, opto-mechanical,dynamic and system control aspects ofhigh accuracy opto-mechatronic sys-tems.

Theoretical background will be suppliedin high level lectures, and case studieswill incorporate the various disciplines.There will be plenty of networkingopportunities. It is advisable to makereservations as soon as possible. Pre-registration is free of obligations.

Elma Janssen (TNO)Tel. +31 (0)40 265 01 [email protected] (more informa-tion following soon)

ConferenceOn March 3-4, 2008, the InternationalPrecision Technology Event(conference and showcase) will be heldin Noordwijk, the Netherlands.

www.ipt-event.com

NIEUWS

51_53_nr6_Nieuws 28-11-2007 15:23 Pagina 51

N r . 6 2 0 0 7 52

NIEUWS

Doorbraak in lineaire-motortechnologiePhilips Applied Technologies heeft eentechniek ontwikkeld waarmee stan-daard lineaire motoren gelijktijdigbeweging langs twee assen in plaats vanéén kunnen verzorgen. In equipmentzoals ‘pick-and-place’ machines voor

elektronica-assemblage kan dezeNforcer-technologie het aantal benodig-de motoren en elektronische aandrijf-modules terugdringen. Tevens verlaagthet de massa van bewegende delen, diedaardoor kunnen opereren met hogereversnellingen en snelheden.

IJzerloze multifase lineaire motorenberusten op het principe dat eenstroomvoerende geleider in een magne-tisch veld een Lorentz-kracht onder-vindt, loodrecht op stroom- en veldrich-ting. In een conventionele lineairemotor bevinden alleen de verticale zij-

den van de stroomspoelen zich in hetmagnetisch veld. Met als resultaatalleen laterale beweging. PhilipsAppTech heeft de spoelen zo verplaatstdat het onderste horizontale deel zichook in het magneetveld bevindt, metverticale beweging (levitatie) tot gevolg.Op basis van die magnetische levitatiekunnen zelfs platforms met zes vrij-heidsgraden en nanometernauwkeurig-heid worden gerealiseerd; deze kunnen– in tegenstelling tot luchtgelagerdeplatforms – ook in vacuüm opereren.

www.apptech.philips.com

Tasten op persluchtHet nieuwe 3D-tast-systeem TS 444 vanHeidenhain functio-neert zonder batterij,accu of voedingseen-heid. De persluchtdie door de spilwordt geblazen omde meetplaats te rei-nigen, wordt tevensgebruikt om een tur-

bineschoep aan te drijven. Deze schoepdrijft op zijn beurt een generator aandie de opgewekte stroom in een con-densator buffert. Gedurende 2-3 secon-den een druk van 6-8 bar persluchtlevert voldoende energie om 2 minutenmet het tastsysteem te werken.Dit principe biedt dubbel milieuvoor-deel: er zijn geen batterijen meer nodigen de perslucht wordt tweemaalgebruikt. En gebruikskosten zijn min-

der, omdat er geen batterijen meer opvoorraad gehouden hoeven te wordenen er geen stilstandtijd meer is om bat-terijen te wisselen. De aanschafkostenvan de TS 444 zijn niet hoger dan dievan een conventioneel 3D-tastmeetsys-teem.

www.heidenhain.nl

Draagbare kalibratieRenishaw, specialist in metrologie, pre-senteerde op de Precisiebeurs 2007 hetXL-80 laserinterferometersysteem, datdraagbaarheid, meetprestaties engebruiksgemak combineert. De functievan de XL-80 is het kalibreren vancoördinatenmeetmachines. Vergelekenmet voorganger ML-10 is hij veel klei-ner en lichter, en daardoor gemakkelijk

verplaatsbaar. De opwarmtijd voor delaser is, speciaal voor dienstverlenendebedrijven op dit gebied, teruggebrachttot circa 5 minuten. Voorts is de maxi-male lineaire meetsnelheid verhoogd van1 tot 4 m/s, terwijl de positieresolutienog steeds 1 nm is.

www.renishaw.com

51_53_nr6_Nieuws 28-11-2007 15:23 Pagina 52

N r . 6 2 0 0 753

Tafelmodel elektronenmicroscoopDe nieuwe Hitachi TM-1000 TabletopMicroscope slaat een brug tussen opti-sche microscopie en scanning-elektro-

nenmicroscopie (SEM). Met de zeercompacte microscoop, exclusief ver-krijgbaar bij Goffin Meyvis in deBenelux, kunnen ongecoate niet-gelei-dende materialen zoals plastic, kera-miek en biologische preparaten zonderoplading en/of uitdroging worden beke-ken. Dit met een vergroting tussen~20x en 10.000x (en 40.000x met opti-sche zoom). Meerdere preparaten kun-nen tegelijkertijd in de grote kamerworden geplaatst op een gemotoriseer-

de x,y-stage. Er zijn diverse opties ver-krijgbaar voor de TM-1000, die via eenWindows-computer eenvoudig kan wor-den bediend als ware het een digitalecamera. Hitachi presenteert hiermeeeen concurrent voor de Phenom vanFEI (zie elders in deze Mikroniek).

www.goffinmeyvis.comwww.hitachi-hta.comwww.fei.com

Nieuw opspansysteemMitutoyo introduceert het ‘eco-fix’-opspansysteem voor coördinatenmeet-machines, ontworpen voor bedienings-

comfort en efficiëntie bij opbouw éngebruik. Ontwikkelaar en fabrikant isKomeg Industrielle MesstechnikGmbH, onderdeel van het Mitutoyo-concern.Het modulaire opspansysteem maakteen te allen tijde reproduceerbare, uni-versele opbouw volgens de ongecom-pliceerde rastertechniek mogelijk. Opeen basis voorzien van een regelmatiggatenpatroon worden onderdeelspeci-fieke opnamemodulen zo gepositio-

neerd, dat het te meten werkstuk bij hetopnieuw opbouwen van de inrichtingsteeds exact dezelfde positie inneemt.De coördinatenmeetmachine kan duszonder opnieuw uitrichten in CNC-bedrijf worden gestart. Door de kleur-stelling onderscheidt de opspaninrich-ting zich duidelijk van het te metenwerkstuk – handig voor de documenta-tie.

www.mitutoyo.nl

Sneller chipmachines ontwikkelenVanwege de complexiteit van chipma-chines vergt het ontwikkelen van debesturingssoftware een fors deel van detotale ontwikkelkosten en -tijd. Bij hetmaken van die software zijn twee fasente herkennen. De eerste is het specifice-ren van de functies van alle componen-ten, de tweede het integreren tot eenwerkend geheel en het testen van demachine.Het onderzoeksprogramma Tangram

van het Embedded Systems Institute(ESI) richtte zich op de tweede fase, hetverhogen van de snelheid van het inte-greren en testen. Door een slimmereplanning van de integratie- en testwerk-zaamheden kon een tijdsbesparing tottwintig procent worden gerealiseerd.Daarnaast lukte het om de diagnosetijdbij haperende machines met een factorhonderd te bekorten. ESI voert onderzoek op de werkvloer

van bedrijven uit volgens het ‘Industryas Laboratory’-concept. In het vierjari-ge Tangram-programma participeerdenESI, ASML, de Radboud UniversiteitNijmegen, de drie technische universi-teiten, TNO en softwarebedrijf Science& Technology. ‘Laboratorium’ASMLvertaalt nu de resultaten naar de prak-tijk.

www.esi.nl/tangram

51_53_nr6_Nieuws 28-11-2007 15:23 Pagina 53

DDe Tegema Group is een projectenorganisatie op het gebiedvan de ontwikkeling van speciaalmachines en technologischhoogwaardige modules en apparaten. Projecten worden uit-gevoerd binnen de high-precision industry, de algemenemachinebouw en de automotive.

Met een no-nonsense benadering en passie voor het vakspeelt Tegema in op de wensen van klanten – accuraat, snelen in één keer goed. Of de klant nu een idee voor een nieuwproduct wil realiseren, een proces wil implementeren of ver-beteren of een door hem ontwikkelde machine wil laten pro-duceren, Tegema kan het gehele proces of een deel ervanbegeleiden. De afgelopen dertig jaar is Tegema langdurigerelaties met multinationals en MKB’ers aangegaan door in tespelen op hun wensen en verwachtingen.

Compleet in dienstverleningTegema zoekt voortdurend strategische samenwerking omklanten met een zo compleet mogelijke dienstverlening tekunnen bedienen. De laatste jaren is Tegema gaan focussenop projectmanagement, mechatronica, fijnmechanica enwerktuigbouwkunde. Voor andere disciplines – zoals elek-trotechniek, elektronica, (embedded) software, optica, fysicaen (bio)chemie – wordt steeds vaker een beroep gedaan opgespecialiseerde partijen, om telkens gebruik te kunnenmaken van de nieuwste technologieën. De regie houdtTegema daarbij altijd in eigen hand.Ontwikkelaars en engineers werken vanuit de vestigingen inEindhoven, Arnhem en Tsjechië. Of desgewenst elders of bijklanten op locatie. Speciaalmachines bouwt Tegema in deeigen werkplaatsen in Eindhoven en Tsjechië; in de toolshopworden prototypes en functiemodellen gebouwd en getest.

Denken in oplossingenTegema’s hoogopgeleide technici hebben ervaring in verschil-lende kennisvelden en toepassingsgebieden. Wensen of pro-

blemen van de klant pakken ze op om tot realistischeoplossingen te komen die zijn toegespitst op diens strategieen markteisen. Dit alles binnen vooraf duidelijk overeen-gekomen randvoorwaarden en condities. De projectmanagervan Tegema neemt de eindverantwoordelijkheid voor hetgehele project, onderhoudt alle contacten met de klant enstuurt het projectteam aan, zowel intern als extern. Dit inclu-sief de realisatie of het bouwen en beproeven van prototypes,met aansluitend de implementatie van het project op de doorde klant gewenste locatie.Meer dan de helft van dergelijke projecten realiseert Tegemabinnen de high-precision industry: fijnmechanica, micro- ennanotechnologie, cleanroom- en hoogvacuüm-techniek.Traditionele ontwikkelstrategieën zijn hierbij allang niet meertoereikend. Een integrale benadering vanaf het begin en eendaarmee goed opgezette systeemarchitectuur zijn onontbeer-lijk.

Persoonlijke benaderingIedere klant en ieder vraagstuk is toch weer anders. In deloop der jaren heeft Tegema krachtige structuren ontwikkeldop het gebied van projectmanagement, ontwikkeling en engi-neering. Om het iedere keer weer tot een echt succes te

maken is een per-soonlijke benaderingonontbeerlijk, waar-bij de werkwijze vanTegema zo goedmogelijk aansluit opde organisatie van deklant. Zo maaktTegema iedere keereen op maat gesne-den projectplan.

N r . 6 2 0 0 7 54

KENNIS VAN ELKANDERS KUNNEN

Tegema Group, high-tech

projectenorganisatie

www.tegema.nl

Informatie

54_54_nr6_Kennis 28-11-2007 15:25 Pagina 54

00_nr6_omslag 20-11-2007 15:37 Pagina 55

00_nr6_omslag 20-11-2007 15:37 Pagina 56

instrumentatie voor nanometernauwkeurigheid • keuze van

Documents