Rechttoe, rechtaan tot op de micrometer nauwkeurig

br />
Gert-Jan Nijsse: ,,Bewegende delen zijn vaak de bottleneck voor de precisie in chipfabricage. Contactloos lageren met bijvoorbeeld magneetvelden is een oplossing.”

Tijdens een aardbeving micrometerdunne rechte lijntjes trekken op een chipmaker wordt mogelijk met een besturingssysteem dat de Delftse promovendus Gert-Jan Nijsse ontwierp. Door contactloze, magnetische lagers ‘zweeft’ de apparatuur los van de aardbodem en raakt door trillingen geen micrometer uit koers.

Het stapelen van zeecontainers in de haven van Rotterdam gebeurt met centimeterprecisie; het plaatsen van schakelingen op een chip inmiddels met micrometerprecisie. Hoe log de grote hijskranen in de havens ook ogen, die centimeter is geen groot probleem. De micrometerprecisie van een chip is dat wel. De meest geavanceerde machines van het Veldhovense chipbedrijf Asml trekken lijntjes van eentiende micrometer in silicium. Terwijl door slijtage, kleine trillingen en temperatuurschommelingen de mechanische apparatuur waarmee dat moet gebeuren al gauw een halve micrometer ‘uit koers’ kunnen raken.

Elektronicafabrikanten nemen hun voorzorgsmaatregelen. Productie vindt plaats in stofvrije ruimtes, niet alleen om vervuiling tegen te gaan, een stofje tussen twee bewegende delen kan een lijntje verschuiven. Een goede klimaatregeling is nodig om warmte-uitzetting en krimp te voorkomen. Stampvoeten op de gangen is verboden en de gevoelige apparatuur wordt op zware granieten tafels geplaatst, waarvan de poten in trillingsdempende luchtpotten staan.

Maar het kan anders, denkt de Delftse werktuigbouwkundige Gert-Jan Nijsse, die vorige week promoveerde. Hij ontwierp een systeem dat apparatuur of een werktafeltje perfect langs een referentieblok kan laten lopen, zonder de hele ruimte trillingsvrij te maken. Het geheim van zijn systeem zit in magnetische lagers. Deze zorgen ervoor dat een bewegend object zich niets van trillingen in de ‘buitenwereld’ aantrekt. Nijsse toonde het werkingsprincipe aan van deze zero-stiffness actuator en de TU vroeg een patent aan. Inmiddels bouwt afstudeerder Mingming Zhu van de sectie advanced mechatronics een beweegbare tafel gebaseerd op Nijsses ontwerp.

Verstoren

Een precieze beweging is niet alleen voor de chipsbakkers van belang, vertelt Nijsse. ,,Eigenlijk overal waar een mooie, precieze lijn van belang is, is het idee van trillingsvrije magnetischelagering toepasbaar. Dus bijvoorbeeld ook voor het bewegen van een object onder een microscoop of in de productie van lenzen en andere precisie-onderdelen.”

Wanneer een beweging op de micrometer nauwkeurig moet zijn, laat de gewone mechanica de ingenieur in de steek. ,,De bewegende elementen zijn dan vaak de bottleneck voor de nauwkeurigheid. Het eigen gewicht kan bij beweging bijvoorbeeld trillingen opwekken, en slijtage kan de reproduceerbaarheid verstoren.”

Bijsturing van buitenaf is de oplossing. Nijsse: ,,Op zich niks nieuws. Op de markt zijn verschillende sensoren te koop met bijbehorende corrigerende ‘stuurders’, de actuatoren. Hoe groter de gevraagde precisie, hoe duurder de sensoren. Een beetje sensor kost al gauw tweeduizend gulden. Overigens gaat die regel niet altijd op. Als sensoren op chips gefabriceerd kunnen worden, is het plots massaproductie en worden ze goedkoop.”

De werktuigbouwkundige inventariseerde de bestaande sensoren en verbeterde er zelf een aantal voor precisietoepassingen. Zo bouwde hij een goedkope capacitieve rechtheidssensor die een tafel of apparaat evenwijdig langs een aluminium balk stuurt met micrometerprecisie in alle drie de dimensies. Zo recht als de balk is, zo recht loopt dan de tafel.

,,Het principe van de sensor is in feite eenvoudig. Je telt elektronen. De lading op een sensorelement hangt bij een bepaalde spanning namelijk af van de afstand tussen sensor en balk. Een slimme combinatie van vijf sensoren, geeft voldoende informatie om een object precies langs een referentie te laten lopen. Technisch gezien is het ook een eenvoudig mechanisme.”

Enig nadeel is dat de sensor traag reageert. Een oplossing die Nijsse daarvoor bedacht is een combinatie van een plaats- en snelheidssensor. ,,Je kunt het vergelijken met een luidspreker. Om het beste geluid te krijgen worden twee speakers gebruikt: één voor de hoge en één voor de lage tonen. In de gecombineerde sensor, meet één sensor de plaats met een lage frequentie en de ander de snelheid met een hoge frequentie. Samen leveren ze een snel, goed resultaat.”

Isolatie

Echter, de ‘olifant op de gang’ verstoort ook met sensorcorrectie nog steeds de beweging. Trillingsisolatie blijft dus noodzakelijk. In plaats van een granieten tafel, zocht Nijsse een meer fundamentele oplossing. ,,Als je een apparaat trillingvrij wilt hebben, zet je het op een gedempte tafel. Dat is praktischer dan de hele kamer of het hele gebouw op een trillingsvrije vloer te zetten. Bovendien: hoe kleiner het geïsoleerde gedeelte, hoe kleiner de kans dat daarbinnen weer trillingen ontstaan. Ik wil dus alleen het kleinst mogelijke deel isoleren: de actuatoren, die onderdelen die actief de beweging corrigeren tot micrometerperfectie.”

Zweven is dé manier om iets trillingsvrij te maken. Of in termen van de werktuigbouwkundige: ,,Je moet een actuator hebben met ‘een stijfheid van nul’. Eigenlijk plaats je het apparaat op een oneindig lange veer. Trillingen van de ondergrond doven hierin uit, maar toch kun je de kracht erop variëren. Ik merk dat dit lastig uit te leggen is. Ook voor meet- en regeltechnici is het moeilijk te begrijpen dat je een kracht kunt overbrengen via iets wat eigenlijk los van de ondergrond zweeft.”

Egyptenaren

In de werktuigbouwkunde bestaat een dergelijk zwevend systeem al: de Lorentz-actuator, een slimme combinatie van een permanente magneet en elektrische spoel die gebruikt wordt in luidsprekers. Trillingen van de ondergrond beïnvloeden de opgewekte kracht niet, die varieertalleen door verandering van de stroomsterkte door de spoel.

Helaas zit er één groot nadeel aan de Lorentz-actuator voor precisiepositionering. Hij heeft een constante stroom nodig en produceert daardoor nogal wat warmte. Nijsse: ,,Ik ben dus op zoek gegaan naar een systeem dat dit nadeel niet heeft. Opvallend genoeg bestond dit nog niet. Maar de vraag goed stellen, was hem haast beantwoorden. Ik wist precies waaraan het systeem moest voldoen.”

Nijsses oplossing is een combinatie van drie permanente magneten loodrecht boven elkaar geplaatst, die draagkracht leveren aan de Lorentz-actuator. De middelste magneet is zo georiënteerd dat de bovenste magneet hem aantrekt en de onderste hem afstoot. Hierdoor zweeft de middelste magneet. Over een klein gebied gedraagt dit systeem zich als een oneindig lange veer. Trilt de onderste magneet een beetje dan heeft dit door de tegenwerkende krachten, geen effect op de bovenste.

Nijsse: ,,Het concept heb ik nu aangetoond. Het is allemaal nog vrij prematuur, maar ik denk dat stijfheidloos regelen de toekomst is in mechatronica. Het past in een trend. De Egyptenaren wisten al dat je het marmer voor de piramides beter kon laten rollen over palen dan het door het woestijnzand te slepen. Daarna kwamen wielen, kogellagers, oliegesmeerde systemen en recent de gasgelagerde systemen. We doen dus steeds minder mechanisch. De volgende stap is contactloos lageren, bijvoorbeeld met magneetvelden. Magnetische lagers zie ik nog niet zo snel op fietsen verschijnen, maar wel in de productie van chips waar nauwkeurigheid alleen maar belangrijker wordt.”

In een teruggekoppeld systeem, meet een sensor steeds nauwkeurig de afstand tot een referentiebalk. Actuatoren zorgen ervoor dat de werktafel of het apparaat evenwijdig langs de referentie loopt met micrometerprecisie in alle drie de dimensies, hoe hobbelig de ondergrond ook is.

Gert-Jan Nijsse: ,,Bewegende delen zijn vaak de bottleneck voor de precisie in chipfabricage. Contactloos lageren met bijvoorbeeld magneetvelden is een oplossing.”

Tijdens een aardbeving micrometerdunne rechte lijntjes trekken op een chipmaker wordt mogelijk met een besturingssysteem dat de Delftse promovendus Gert-Jan Nijsse ontwierp. Door contactloze, magnetische lagers ‘zweeft’ de apparatuur los van de aardbodem en raakt door trillingen geen micrometer uit koers.

Het stapelen van zeecontainers in de haven van Rotterdam gebeurt met centimeterprecisie; het plaatsen van schakelingen op een chip inmiddels met micrometerprecisie. Hoe log de grote hijskranen in de havens ook ogen, die centimeter is geen groot probleem. De micrometerprecisie van een chip is dat wel. De meest geavanceerde machines van het Veldhovense chipbedrijf Asml trekken lijntjes van eentiende micrometer in silicium. Terwijl door slijtage, kleine trillingen en temperatuurschommelingen de mechanische apparatuur waarmee dat moet gebeuren al gauw een halve micrometer ‘uit koers’ kunnen raken.

Elektronicafabrikanten nemen hun voorzorgsmaatregelen. Productie vindt plaats in stofvrije ruimtes, niet alleen om vervuiling tegen te gaan, een stofje tussen twee bewegende delen kan een lijntje verschuiven. Een goede klimaatregeling is nodig om warmte-uitzetting en krimp te voorkomen. Stampvoeten op de gangen is verboden en de gevoelige apparatuur wordt op zware granieten tafels geplaatst, waarvan de poten in trillingsdempende luchtpotten staan.

Maar het kan anders, denkt de Delftse werktuigbouwkundige Gert-Jan Nijsse, die vorige week promoveerde. Hij ontwierp een systeem dat apparatuur of een werktafeltje perfect langs een referentieblok kan laten lopen, zonder de hele ruimte trillingsvrij te maken. Het geheim van zijn systeem zit in magnetische lagers. Deze zorgen ervoor dat een bewegend object zich niets van trillingen in de ‘buitenwereld’ aantrekt. Nijsse toonde het werkingsprincipe aan van deze zero-stiffness actuator en de TU vroeg een patent aan. Inmiddels bouwt afstudeerder Mingming Zhu van de sectie advanced mechatronics een beweegbare tafel gebaseerd op Nijsses ontwerp.

Verstoren

Een precieze beweging is niet alleen voor de chipsbakkers van belang, vertelt Nijsse. ,,Eigenlijk overal waar een mooie, precieze lijn van belang is, is het idee van trillingsvrije magnetischelagering toepasbaar. Dus bijvoorbeeld ook voor het bewegen van een object onder een microscoop of in de productie van lenzen en andere precisie-onderdelen.”

Wanneer een beweging op de micrometer nauwkeurig moet zijn, laat de gewone mechanica de ingenieur in de steek. ,,De bewegende elementen zijn dan vaak de bottleneck voor de nauwkeurigheid. Het eigen gewicht kan bij beweging bijvoorbeeld trillingen opwekken, en slijtage kan de reproduceerbaarheid verstoren.”

Bijsturing van buitenaf is de oplossing. Nijsse: ,,Op zich niks nieuws. Op de markt zijn verschillende sensoren te koop met bijbehorende corrigerende ‘stuurders’, de actuatoren. Hoe groter de gevraagde precisie, hoe duurder de sensoren. Een beetje sensor kost al gauw tweeduizend gulden. Overigens gaat die regel niet altijd op. Als sensoren op chips gefabriceerd kunnen worden, is het plots massaproductie en worden ze goedkoop.”

De werktuigbouwkundige inventariseerde de bestaande sensoren en verbeterde er zelf een aantal voor precisietoepassingen. Zo bouwde hij een goedkope capacitieve rechtheidssensor die een tafel of apparaat evenwijdig langs een aluminium balk stuurt met micrometerprecisie in alle drie de dimensies. Zo recht als de balk is, zo recht loopt dan de tafel.

,,Het principe van de sensor is in feite eenvoudig. Je telt elektronen. De lading op een sensorelement hangt bij een bepaalde spanning namelijk af van de afstand tussen sensor en balk. Een slimme combinatie van vijf sensoren, geeft voldoende informatie om een object precies langs een referentie te laten lopen. Technisch gezien is het ook een eenvoudig mechanisme.”

Enig nadeel is dat de sensor traag reageert. Een oplossing die Nijsse daarvoor bedacht is een combinatie van een plaats- en snelheidssensor. ,,Je kunt het vergelijken met een luidspreker. Om het beste geluid te krijgen worden twee speakers gebruikt: één voor de hoge en één voor de lage tonen. In de gecombineerde sensor, meet één sensor de plaats met een lage frequentie en de ander de snelheid met een hoge frequentie. Samen leveren ze een snel, goed resultaat.”

Isolatie

Echter, de ‘olifant op de gang’ verstoort ook met sensorcorrectie nog steeds de beweging. Trillingsisolatie blijft dus noodzakelijk. In plaats van een granieten tafel, zocht Nijsse een meer fundamentele oplossing. ,,Als je een apparaat trillingvrij wilt hebben, zet je het op een gedempte tafel. Dat is praktischer dan de hele kamer of het hele gebouw op een trillingsvrije vloer te zetten. Bovendien: hoe kleiner het geïsoleerde gedeelte, hoe kleiner de kans dat daarbinnen weer trillingen ontstaan. Ik wil dus alleen het kleinst mogelijke deel isoleren: de actuatoren, die onderdelen die actief de beweging corrigeren tot micrometerperfectie.”

Zweven is dé manier om iets trillingsvrij te maken. Of in termen van de werktuigbouwkundige: ,,Je moet een actuator hebben met ‘een stijfheid van nul’. Eigenlijk plaats je het apparaat op een oneindig lange veer. Trillingen van de ondergrond doven hierin uit, maar toch kun je de kracht erop variëren. Ik merk dat dit lastig uit te leggen is. Ook voor meet- en regeltechnici is het moeilijk te begrijpen dat je een kracht kunt overbrengen via iets wat eigenlijk los van de ondergrond zweeft.”

Egyptenaren

In de werktuigbouwkunde bestaat een dergelijk zwevend systeem al: de Lorentz-actuator, een slimme combinatie van een permanente magneet en elektrische spoel die gebruikt wordt in luidsprekers. Trillingen van de ondergrond beïnvloeden de opgewekte kracht niet, die varieertalleen door verandering van de stroomsterkte door de spoel.

Helaas zit er één groot nadeel aan de Lorentz-actuator voor precisiepositionering. Hij heeft een constante stroom nodig en produceert daardoor nogal wat warmte. Nijsse: ,,Ik ben dus op zoek gegaan naar een systeem dat dit nadeel niet heeft. Opvallend genoeg bestond dit nog niet. Maar de vraag goed stellen, was hem haast beantwoorden. Ik wist precies waaraan het systeem moest voldoen.”

Nijsses oplossing is een combinatie van drie permanente magneten loodrecht boven elkaar geplaatst, die draagkracht leveren aan de Lorentz-actuator. De middelste magneet is zo georiënteerd dat de bovenste magneet hem aantrekt en de onderste hem afstoot. Hierdoor zweeft de middelste magneet. Over een klein gebied gedraagt dit systeem zich als een oneindig lange veer. Trilt de onderste magneet een beetje dan heeft dit door de tegenwerkende krachten, geen effect op de bovenste.

Nijsse: ,,Het concept heb ik nu aangetoond. Het is allemaal nog vrij prematuur, maar ik denk dat stijfheidloos regelen de toekomst is in mechatronica. Het past in een trend. De Egyptenaren wisten al dat je het marmer voor de piramides beter kon laten rollen over palen dan het door het woestijnzand te slepen. Daarna kwamen wielen, kogellagers, oliegesmeerde systemen en recent de gasgelagerde systemen. We doen dus steeds minder mechanisch. De volgende stap is contactloos lageren, bijvoorbeeld met magneetvelden. Magnetische lagers zie ik nog niet zo snel op fietsen verschijnen, maar wel in de productie van chips waar nauwkeurigheid alleen maar belangrijker wordt.”