Faculteit Natuur en Techniek / Hogeschool van Utrecht
Kleine zaken, grote gevolgen drs.ing. J.E. Bullema
Inhoudsopgave
Inleiding
auteur Jan Eite Bullema redactie Paulien ’t Hoen en Andy Wagenaar uitgave Faculteit Natuur en Techniek / Hogeschool van Utrecht ontwerp www.dietwee.nl L.S. is een reeks publicaties van HvU-lectoren L.S. 1. Daar hebben we toch communicatie voor. Roelf Middel 2002 L.S. 2. Integraal Ontwerpen, een nieuwe verleiding voor techniek. Tim Zaal, 2000 L.S. 3. Product Design & Engineering, van vuistbijl tot mobieltje. Wim Poelman, 2002 L.S. 4. Tussen illusie en werkelijkheid. Jean Pierre Wilken, 2002 L.S. 5. New Education, de achterkant van het Digitale Wonderland. Tom van Weert, 2003 L.S. 6. Resultaten uit het verleden bieden garanties voor de toekomst. Pim Brinkman, 2003 L.S. 7. Ouder worden. Marieke Schurmans, Mia Duijnstee, 2003 L.S. 8. De spin in het web. Joop de Jong, 2003 L.S. 9. Kleurrijke Gesprekken. Maaike Hajer, 2003 L.S.10. Redelijke sociale verhoudingen, redelijk sociaal gedrag. Hans van Ewijk, 2003 L.S. 11. Met het oog op de meester. Kees van der Wolf, 2003 L.S.12. Door leefstijl naar gezondheid. De mythe van het bewegen. Luc Vanhees, 2003 L.S.13. Betekenisvolle integratie: de ontwikkeling van een competentielandschap voor opleiders in pedagogisch perspectief. Hans Jansen, 2003 L.S.14. Advisering van het midden- en kleinbedrijf. Wie wil voelen zal niet luisteren. Gilbert Silvius, 2003 L.S.15. Voor wat en wie het waard is… Hans Junggeburt, 2004 L.S.16. Microsysteemtechnologie: kleine zaken, grote gevolgen. Jan Eite Bullema, 2004
Vakgebied microsysteemtechnologie
Ontwerp en productie microsystemen
Gevolgen microsysteemtechnologie
Positie leerstoel Microsysteemtechnologie
Afsluiting
Literatuur
Curriculum Vitae
Afbeeldingen
It would be interesting in surgery if you could swallow the surgeon* Richard P. Feynman
Inleiding Geacht College van Bestuur van de Hogeschool van Utrecht, directies van faculteiten en afdelingen, zeer gewaardeerde toehoorders. Tien jaar geleden verscheen een rapport van de Stichting Toekomstbeeld der Techniek met de titel 'Micro System Technology, exploring opportunities' [1]. De studie beschrijft de hooggespannen verwachtingen die er op dat moment leefden met betrekking tot de microsysteemtechnologie. De toekomst waarover het rapport gaat, is nu! Ik zal in mijn openbare les uiteenzetten wat er terecht is gekomen van de verwachtingen en wat er nog te realiseren valt voor de microsysteemtechnologie. Er is immers al weer een nieuw tijdperk aangebroken met de intrede van de nanotechnologie [2]. Mijn betoog bestaat uit drie delen. Eerst wil ik ingaan op het vakgebied van de microsysteemtechnologie (afgekort MST) en de ontwikkelingen daarin. Vervolgens vertel ik u welke gevolgen MST kan hebben voor ons dagelijks leven. De vorige spreker, Egbert-Jan Sol, schetste daar al een beeld van en ik denk dat zijn visie volkomen juist is. Kleine zaken hebben grote gevolgen. Ik sluit af met de rol en positie van de leerstoel Microsysteemtechnologie en een overzicht van de activiteiten waarmee ik mij als lector de komende tijd zal bezighouden.
Vakgebied microsysteemtechnologie Omdat voor velen van u microsysteemtechnologie een nieuw begrip is, wil ik graag uitleggen wat het vakgebied inhoudt. Wat is microsysteemtechnologie en wat zijn MST-producten? Hoe heeft de techniek zich tot nu toe ontwikkeld? Microsysteemtechnologie Microsysteemtechnologie is de techniek om een systeem te bouwen dat zelfstandig signalen waar kan nemen en kan reageren. Microsystemen bestaan meestal uit vier elementen: een sensor die signalen meet, een signaalverwerker, een actuator die interactie met de omgeving mogelijk maakt en een energievoorziening. De sensoren in microsystemen meten signalen als druk, beweging, chemische potentiaal of zuurgraad. Een dagelijks voorbeeld van signaalverwerking vinden we bij de processor in een personal computer. Een actuator zorgt bijvoorbeeld voor het wegblazen van een inktdruppel in een inktjetprinter. Een energiebron, zoals een batterij of een klein zonnepaneeltje, kan het microsysteem zelfstandig laten werken als dat nodig is. Micrometerdomein Een belangrijk kenmerk van deze systemen is het miniatuurformaat ervan; we spreken hier over het micrometerdomein. Figuur 1 geeft een beeld van de afmetingen waar het hier om gaat. Een menselijke haar is gemiddeld 75 tot 100 micrometer dik, een putje in een cd is ongeveer 1 micrometer breed. Een rode bloedcel is een schijfje met een diameter van ongeveer 10 micrometer en een dikte van ongeveer 2 micron.
Dergelijke afmetingen kenmerken het gebied van de microsysteemtechnologie. De nanotechnologie, die ik zojuist noemde, heeft betrekking op afmetingen van minder dan honderd nanometer; dat is nog eens een factor duizend kleiner. Functionele stappen Als we een microsysteem realiseren, komen we meestal de volgende functionele stappen tegen. Eerst moeten we een geschikt materiaal microstructureren, bijvoorbeeld door het etsen van een structuur in silicium of het maken van gaatjes in kunststof met een laser. Dan moeten we deze microstructuur beschermen tegen de omgeving. Een dun, fragiel membraam dat bij weinig kracht al breekt, zetten we in een huisje. Of een klein spiegeltje dat kan oxideren sluiten we af van de lucht. Vervolgens combineren we de functionele microstructuur met micro-elektronica die zorgt voor de besturing en de uitlezing van de microstructuur. Tot slot doen we het geheel in een mooi doosje voor de eindgebruiker. MEMS Waar we het in Europa hebben over microsysteemtechnologie, wordt in de Verenigde Staten vaak gesproken over MEMS, ofwel Micro Electro Mechanical Systems. In mijn opvatting is dat niet helemaal hetzelfde. Met MEMS worden meestal microsystemen aangeduid waarvan het hart bestaat uit een bewegend silicium onderdeel. Bijvoorbeeld een druksensor met een dun silicium membraam. In microsysteemtechnologie worden inmiddels ook andere materialen gebruikt dan silicium. Met name voor medische toepassingen worden uit kostenoverwegingen vaak kunststoffen gebruikt. De Amerikanen lossen dit op door over BioMEMS te spreken of
over OPTOMEMS, waarmee ze het toepassingsgebied aanduiden. Bij BioMEMS gaat het om biologische toepassingen en bij OPTOMEMS om optische toepassingen. Voor buitenstaanders kan dit tot verwarring leiden. De Europese benaming microsysteemtechnologie is eenduidiger. MST-producten De druksensor was de eerste commercieel succesvolle toepassing van microsysteemtechnologie. Bijvoorbeeld de oliedruksensor voor de ‘automotive’ industrie. Zo’n sensor bestaat uit een dun silicium membraam, dat een dikte kan hebben van enkele microns. In dit membraam worden sporen aangebracht die van eigenschap veranderen als er een mechanische spanning op het membraam komt. Meestal verandert dan de elektrische weerstand van de aangebrachte laag. De sensor meet de druk door feitelijk deze elektrische weerstandsverandering te meten. Er is een drietal producten dat altijd genoemd wordt als typisch voorbeeld van microsysteemtechnologie en daar is de druksensor er één van. De andere twee zijn de airbagsensor (feitelijk een accelerometer ofwel versnellingsmeter) en de al genoemde inktjetkop. Een druksensor; de eerste commercieel succesvolle toepassing van microsysteemtechnologie (figuur 1). Er is een grote diversiteit aan MST-producten, maar ik beperk me hier tot een aantal voorbeelden in de medische sfeer omdat dit gebied één van de speerpunten vormt van het lectoraat.
• Pacemaker Een pacemaker (figuur 2) bevat sensoren die hartritmestoornissen registreren. Vervolgens kunnen de actuatoren, in de vorm van elektroden, de hartspier activeren. Het zal duidelijk zijn dat een pacemaker klein moet zijn en een laag energieverbruik moet hebben. Het apparaatje moet bij voorkeur 'intelligent' kunnen reageren op de activiteiten van de patiënt en liefst informatie kunnen sturen naar de dokter. Om zoveel mogelijk functies op zo’n klein oppervlak te realiseren in combinatie met een laag energieverbruik, heb je microtechnologie nodig. • Hoortoestel Een hoortoestel is een compleet microsysteem met een sensor, de microfoon, en een actuator, de luidspreker. Ook een gehoorapparaat moet klein zijn. Liefst zo klein dat het in het oor past, uit cosmetische overwegingen en om windruis tegen te gaan.
• Chemische neus De chemische neus kan geuren ruiken en geurloze verbindingen detecteren. Dergelijke apparatuur in draagbare vorm is bruikbaar bij het detecteren van gassen. Toepassingen variëren van kwaliteitscontrole in industriële processen tot milieuanalyses, medische analyses en militaire toepassingen. Met name deze laatste toepassing, als detectie voor strijdgassen, staat helaas de laatste tijd weer erg in de aandacht. • Geelzuchtmeter Een microspectrometer kan de intensiteit meten van verschillende kleuren waarin het licht wordt uitgesplitst door middel van een microprisma. Een toepassing hiervan is de 'Billicheck’, een product van de Duitse firma Steag MicroParts waarmee het hemoglobinegehalte van bloed gemeten kan worden. Voor het vaststellen van geelzucht bij een baby is dan niet langer een hielprik nodig. • Lab-on-a-chip Een laatste voorbeeld vormen de zogenaamde lab-on-a-chipsystemen ofwel ‘laboratoria op een chip’. Deze chips kunnen snel analyses uitvoeren van vloeistoffen. Omdat ze heel kleine vloeistofkanalen bevatten, is voor een analyse maar weinig vloeistof nodig en gaan opwarmen en afkoelen snel. Deze voorbeelden komen uit de uitgave ‘Branche agenda Microsystemen voor de fijnmechanische en kunststofverwerkende industrie in Noord-Brabant’ [3]. Hieraan heb ik meegewerkt met een aantal collega’s van TNO, onder anderen met Gert van Duren en Irma Kok.
Ontwerp en productie microsystemen Als je deze voorbeelden bekijkt, gecombineerd met de eerdergenoemde druksensoren, airbagsensoren en inktjetkoppen, valt op hoe groot de diversiteit van MST-producten is. Om dit te verklaren zal ik eerst iets meer vertellen over het ontwerpen en produceren van microsystemen. Over de techniek, het multidisciplinaire karakter en de snelle ontwikkelingen in het vakgebied. Techniek Microsysteemtechnologie is ontstaan toen men silicium ging bewerken met etstechnieken om kleine mechanische structuren te verkrijgen. Silicium werd in de elektronica-industrie al gebruikt vanwege de halfgeleidende eigenschappen die het mogelijk maken om diodes, transistoren en geïntegreerde circuits te fabriceren. In de jaren zeventig werd bedacht dat silicium naast de speciale elektrische eigenschappen ook speciale mechanische eigenschappen bezat. Silicium kent namelijk geen ‘kruip’: het vervormt niet na een belasting en het is enorm stijf. Door kleine mechanische structuren te etsen in silicium was het mogelijk om de miniaturisatietechnieken die voor de halfgeleiderindustrie waren ontwikkeld, te gebruiken voor het realiseren van hele kleine, mechanische structuren. Met dergelijke microstructuren is het mogelijk om productfunctionaliteit te creëren. Een dun membraam kan fungeren als element in een druksensor. Een kamstructuur kan gebruikt worden als sensorelement in een versnellingssensor. Of als actuatorelement in een zogenaamde kamaandrijving, bijvoorbeeld om een klein spiegeltje te bewegen. Door spanning op de tanden te zetten, zullen deze afhankelijk van de spanning van elkaar af of
naar elkaar toe willen bewegen. Als je een metaallaagje op de tanden van de kam aanbrengt, kun je de verandering in de elektrische capaciteit meten als de tanden bewegen. Later heeft men ontdekt dat ook andere materialen geschikt zijn om er microsysteemfuncties mee te realiseren, zoals kunststoffen. Deze zijn bijvoorbeeld bruikbaar voor het fabriceren van microkanalen voor de lab-on-a-chiptoepassingen. Daarbij kwam dat men andere technieken ging toepassen dan alleen etsen. Het boren van kleine gaatjes in folie voor de koppen van inktjetprinters, gebeurt bijvoorbeeld met een laser.
• Materialen In een microsysteem is een aantal materiaaleigenschappen van groot belang. Materiaaleigenschappen zijn op de kleine schaal van MST anders dan we in de alledaagse ervaring op macroschaal gewend zijn. Het soortelijk gewicht van een materiaal is bijvoorbeeld niet langer constant, maar fluctueert doordat op kleine schaal zogenaamde inhomogeniteiten een rol gaan spelen. Dat zijn verschillen die op kunnen treden in de kristallen waar een materiaal uit opgebouwd is, ter grootte van tien tot honderd micrometer.
Multidisciplinair vakgebied Microsysteemtechnologie is een vakgebied waarbij vele disciplines betrokken zijn. Ik zal dat illustreren aan de hand van zeven aandachtspunten die een rol spelen bij het ontwerpen en realiseren van microsysteemtechnologie: • Materialen • Elektronicaontwerp • Besturing • Schaaleffecten • Componenten • Powermanagement • Microassemblage
• Elektronicaontwerp Miniaturisatie is alleen mogelijk door een elektronicaontwerp waarbij het aantal componenten geminimaliseerd is en de kleinst mogelijke componenten gebruikt worden. Er zijn veel voorbeelden waarbij de grootte van het microsysteem volledig bepaald wordt door een paar grote passieve componenten zoals elektrische weerstanden, die per stuk tien keer zo groot zijn als de functionele silicium onderdelen. • Besturing Een zelfstandig microsysteem heeft slimme besturing nodig in een compacte vorm, bij voorkeur met zo weinig mogelijk instructies. De besturing moet liefst op compacte hardware kunnen draaien • Schaaleffecten Effecten in microproducten kunnen sterk verschillen van effecten op macroschaal als gevolg van een ander samenspel van krachten. Bijvoorbeeld: bij kleine onder-
delen wordt de verhouding tussen oppervlaktekrachten en inertiekrachten zodanig dat kleine onderdelen alleen schokkerig kunnen bewegen. Of vloeistoffen mengen niet meer goed, omdat in kleine kanalen de stroming altijd laminair verloopt, dat wil zeggen zonder turbulenties. • Componenten Een maakbaar product wordt zoveel mogelijk opgebouwd uit standaardcomponenten (bij voorkeur uit een database van gekwalificeerde componenten). Dit geldt zowel voor MST-onderdelen als voor elektronicaonderdelen. • Powermanagement Een zelfstandig systeem heeft een batterij nodig. Om het systeem klein te houden mag de batterij niet al te groot zijn en dus het energieverbruik laag. Een ander aspect van het powermanagement, en dit geldt voor alle kleine systemen, is dat ze snel opwarmen vanwege de kleine massa. Als het systeem te warm wordt, kan het stuk gaan. In bijna alle gevallen geldt dat een hoge bedrijfstemperatuur leidt tot een korte levensduur. Het powermanagement van microsystemen stelt ons dus voor een aantal uitdagingen. • Microassemblage Een microsysteem is per definitie klein en bestaat meestal uit een combinatie van fragiele, kwetsbare onderdelen. Dat vraagt om een hoge nauwkeurigheid bij de assemblage, die het eigenlijk onmogelijk maakt om handmatig te assembleren. De absolute nauwkeurigheid ligt in de orde van grootte van enkele tientallen microns
tot minder dan één micron. Dit maakt automatische assemblage noodzakelijk. Promovendus Edwin Bos van de Technische Universiteit Eindhoven doet onderzoek naar de wisselwerking tussen productontwerp en de mogelijkheid tot automatische assemblage van een MST-product. In het kader van het Innovatieve Onderzoeksprogramma Precisie Technologie, begeleid ik hem als projectleider. Het onderwerp van het promotieonderzoek van Edwin is de assemblage van een meettaster met een nauwkeurigheid in het nanometerdomein. Deze meettaster kan oppervlakken van spiegels meten, die nauwkeurig geslepen moeten worden. Deze meting gebeurt met een nauwkeurigheid van ongeveer 1 nanometer. De meettaster bevat een aantal typische problemen die bij de assemblage van microsystemen voorkomen. Met name het voorkomen van beschadiging van de taster, een dun, zeer fragiel silicium membraam. Het onderzoek richt zich op het vinden van nieuwe wegen om de assemblage van dergelijke microsystemen zo eenvoudig en zo goedkoop mogelijk te maken. Het ontwerpen van produceerbare microsystemen is het feitelijke zwaartepunt van mijn lectoraat. Ik ga er daarbij vanuit dat er daadwerkelijk een microproduct geassembleerd moet worden. Uiteindelijk worden onderdelen zo klein en worden de geëiste nauwkeurigheden zo groot dat automatische assemblage de enige oplossing is [4]. Vanuit het lectoraat probeer ik samen met Edwin een methode te ontwikkelen, Design for Micro Assembly [DfMA], die het ontwerpen van produceerbare MST-producten ondersteunt. Over de inhoud van het lectoraat later meer. Nu bespreek ik eerst de ontwikkeling van de microsysteemtechnologie in de afgelopen decennia.
De ontwikkeling van microsysteemtechnologie Microsysteemtechnologie maakt het mogelijk om steeds meer functionaliteit te creëren voor producten. Deze stelling wil ik illustreren aan de hand van de ontwikkelingen in de airbagsensor in de afgelopen vijftien jaar [5]. De airbagsensor, of versnellingssensor of accelerometer, is in het begin van de jaren negentig geïntroduceerd. Eerst als een simpel massaveersysteem dat op versnellingen reageert. Een massa heeft massatraagheid. We kennen dat effect in de alledaagse praktijk, bijvoorbeeld als we in een remmende trein tegen de wand gedrukt worden. Bij afremmen wordt de veer in het massaveersysteem samengedrukt. Hierdoor verandert de elektrische weerstand of de elektrische capaciteit. De accelerometer meet die verandering. De grootte van de verandering in elektrische eigenschap is een maat voor de vertraging. Als de massa versneld wordt, rekt de veer uit en zijn de veranderingen in de elektrische eigenschappen een maat voor de versnelling. Dit principe kun je gebruiken om een grote vertraging te meten, wat een autobotsing feitelijk is. Oorspronkelijk waren er voor airbagsensoren fijnmechanische equivalenten, bestaande uit een kleine metalen veer met daaraan een kleine metalen massa. Het alternatief vanuit de microsysteemtechnologie bestond uit een massaveersysteem, geëtst in silicium. Dit alternatief genoot uiteindelijk de voorkeur omdat de bewerkingstechnieken voor silicium het mogelijk maken om vele duizenden massaveersystemen tegelijk te produceren. Dat betekende een grote kostenbesparing. De tweede generatie massaveersystemen was weer veel kleiner, wat ze ook weer goedkoper maakte omdat er nog meer producten per keer gefabriceerd konden
worden. De sensoren werden zo klein dat de bewegende massa in sommige systemen nog maar 0,3 microgram bedroeg, vergelijkbaar met een stuifmeelkorrel. Als je de bewegingen van een dergelijke massa elektrostatisch meet, gaat het om de ladingsverplaatsing van een paar honderd elektronen. Dat is zo’n kleine ladingsverplaatsing dat zowel het versterken als het meten van het signaal in het systeem moeten plaatsvinden. Als we dat niet zouden doen, blijft alleen ruis over of zou het aanzetten van de autoradio ertoe kunnen leiden dat de airbag afgaat. Om te zorgen dat het signaal niet verstoord raakte, plaatste men de micro-elektronica direct naast de bewegende micromechanische structuur. De derde generatie airbagsensoren heeft ook nog een elektronische terugkoppeling die de sensor betrouwbaar maakt. Analog Devices, het bedrijf dat dit type sensoren maakt, is vorig jaar op de markt gekomen met een versnellingssensor die ook plaats kan bepalen. Een logische stap omdat positie bestaat uit de integraal van de afgelegde weg, die weer bepaald wordt door versnelling en vertraging. Een interessante toepassing voor dit systeempje is dat er een antidiefstalchip van gemaakt kan worden. Je zou in een laptopcomputer zo’n chip kunnen inbouwen. Als dan iemand met de laptop wegloopt, kan de chip na een bepaalde afstand de laptop op slot zetten. Weer een stap verder gaat het vastleggen van een persoonlijke ‘schudcode’, die ook bestaat uit versnellingen en vertragingen. De sensor kan de rechtmatige eigenaar van de laptop herkennen als deze de computer op een bepaalde manier en in een bepaald ritme heen en weer beweegt. De versnellingssensor kan de bewegingen van de laptop zo nauwkeurig bepalen dat zo’n persoonlijke schudcode mogelijk is. De ontwikkeling van een simpel massaveersysteem naar een heel klein
massaveersysteem met geïntegreerde meetfunctionaliteit en vervolgens naar een intelligente positiesensor, is in ongeveer vijftien jaar verlopen. En deze kleine zaak kost tegenwoordig nog maar één of twee euro. Hier komen we op het volgende onderwerp: de grote gevolgen die dergelijke kleine MST-producten kunnen hebben.
Gevolgen microsysteemtechnologie Ik onderscheid drie grote gevolgen van deze kleine zaken. Het eerste is de economische bedrijvigheid die ontstaat door microsysteemtechnologie. Het tweede gevolg bestaat uit veranderingen in onze levensstijl en het derde zijn de medische toepassingen van MST. Nieuwe markten De MST-wereldmarkt werd in het jaar 2000 geschat op een omvang van tien miljard euro en volgens verschillende marktonderzoeken zou deze markt groeien naar een omvang van circa 200 miljard euro in 2010. Dat is vergelijkbaar met het volume van de huidige halfgeleiderindustrie [6 en 7]. Ik wil deze optimistische marktprognoses graag nuanceren. In het al eerdergenoemde rapport van de Stichting Toekomstbeeld der Techniek uit 1994 werd microsysteemtechnologie als een veelbelovende, nieuwe technologie gezien. Een technologie met toekomst. Tien jaar later zijn er inderdaad een aantal aansprekende producten succesvol in verschillende markten ingezet. Met name de druksensor in de ‘automotive’ markt en de medische markt,
de inktjetprinter in de personal computermarkt en de accelerometer in de ‘automotive’ markt en de game-industrie. Maar er is nog steeds maar heel beperkt sprake van een herkenbare MST-markt. Hoe komt dat? Dat komt omdat de MST-markt als zodanig eigenlijk niet bestaat. Inzet van MST is alleen succesvol als daardoor een behoefte aan nieuwe functionaliteit gedekt wordt, een functie beter uitgevoerd kan worden of de kosten voor een functie dalen. Een voorbeeld vormt de ontwikkeling van een optische schakelaar in een markt die voorheen niet als interessant werd beschouwd voor MST: de telecommunicatiemarkt. Een optische schakelaar (figuur 3). Met een optische schakelaar wordt licht uit een glasvezel met een microspiegeltje geschakeld naar een andere glasvezel. Het is dus eigenlijk een klein spiegeltje dat elektrostatisch, bijvoorbeeld met een kamaandrijving, aangedreven kan worden. Toepassing van microsysteemtechnologie loste een groot probleem op bij distributiebedrijven waarvan de schakelcentrales hele verdiepingen begonnen te beslaan. Waar een schakelkast ter grootte van een wandkast nodig was met conventionele elektronicaoplossingen, verstuurde microsysteemtechnologie dezelfde hoeveelheid informatie door in een apparaat ter grootte van een schoenendoos. De wereldmarkt voor dit type MST-schakelaars werd aangestuurd door de groeiende behoefte aan informatie, vanwege de opkomst van internet en mobiele telefonie. De markt voor optische schakelaars groeide in een paar jaar tijd uit van nul dollar naar enkele miljarden dollars per jaar. Het bleek dat de succesvolle bedrijven in deze markt soms al meer dan tien jaar bezig waren met het schakelen met kleine spiegeltjes.
Ze begonnen daarmee op basis van trendanalyses die aangaven dat de behoefte aan informatie alleen maar zou toenemen. Het waren geen bedrijven die zich met MST bezighielden, maar bedrijven die ontdekten dat ze met microsysteemtechnologie efficiënte en goedkope vormen van schakelen met licht konden realiseren. Zonder deze kleine, bewegende spiegeltjes zouden telefoneren en internetten een stuk duurder zijn dan ze op dit moment zijn. Een voorbeeld van kleine zaken met grote gevolgen. Het is tekenend dat het eerste Nexus-rapport uit 1998 [8], een van de meest geciteerde marktstudies over MST, helemaal geen aandacht besteedde aan de toepassing van MST in de informatiemarkt, die vanaf 2000 enorm sterk groeide en waar toepassing van MST een belangrijke ‘enabler’ was. De moraal van dit voorbeeld luidt: succesvolle MST-bedrijven zijn bedrijven die hun producten ontwikkelen op basis van de gepeilde behoeften van de markt en niet op basis van het aanbieden van technologie. Er wordt in de marktprognoses ook vaak geen rekening gehouden met een belangrijk pluspunt van MST, namelijk dat het met massmicro-machiningtechnieken mogelijk wordt om functionaliteit te realiseren tegen sterk dalende kosten. Zo zijn in massa geproduceerde airbagsensoren ongeveer een factor duizend goedkoper geworden. Het aantal geproduceerde airbagsensoren is enorm toegenomen, maar het geldvolume van de markt is nauwelijks gestegen. Veranderingen in levensstijl Naast de nieuwe markten die ontstaan, is een ander gevolg van de microsysteemtechnologie de wijze waarop onze levens en onze levensstijl zullen gaan veranderen. De vorige spreker, Egbert-Jan Sol, schetste al een beeld van de toekomst van de kleine of microsystemen. Per persoon zullen we binnen afzienbare tijd omringd
worden door een groot aantal 'intelligente' systeempjes die ervoor zorgen dat we ons gezond voelen, dat we ons veilig voelen en dat we met anderen kunnen communiceren. De verdere opkomst van microsysteemtechnologie zal grote consequenties hebben voor de manier waarop we leven. Enerzijds in de vorm van ‘ambient intelligence’ ofwel sensoren en actuatoren die beveiligings- en bewakingsfuncties in huizen en gebouwen uitvoeren. Anderzijds in de vorm van ‘smart products’. Dat zijn bestaande producten, waaraan met behulp van microsysteemtechnologie functies toegevoegd worden. Een voorbeeld is het project ‘intelligente stoeptegel’ van mijn collega-lector Wim Poelman van de leerstoel Product Design & Engineering. Deze stoeptegel is uitgerust met een druksensor en de mogelijkheid om metingen draadloos door te geven. In winkelgebieden kunnen intelligente stoeptegels bijvoorbeeld informatiedisplays en winkelverlichtingen aansturen. In pretparken zouden wachttijden met intelligente stoeptegels beïnvloed kunnen worden. Een ander idee van Wim Poelman zijn de interactieve wandelroutes, uitgezet met behulp van de intelligente stoeptegels. Deze stoeptegel is een voorloper van kleinere en goedkopere systemen die op eenzelfde manier functies in onze leefomgeving kunnen vervullen. Er komen steeds meer producten waarin microsysteemtechnologie toegepast wordt. We zien een grotere functie-integratie in deze producten en we zien dat de systemen kleiner en goedkoper worden. De microsystemen worden steeds zelfstandiger en zijn in staat tot communiceren met andere systemen in de buurt. In een moderne auto bijvoorbeeld, neem een BMW uit de X-serie, worden inmiddels tachtig tot honderd microsystemen toegepast. Het zijn druksensoren voor optimaal motormanagement, versnellingsmeters voor airbags, roll-over detectiesensoren en spanningsregelaars voor de autogordels, allemaal om de veiligheid te verhogen. Voor militaire toepas-
singen wordt gewerkt aan de ontwikkeling van 'smart dust', ofwel ‘slim stof’. Sensoren ter grootte van stofkorrels die uitgestrooid kunnen worden over een gebied om informatie in te winnen. Deze stofkorrels zouden ook op een handschoen aangebracht kunnen worden zodat de drager daarmee een computer kan bedienen. Met 'smart dust' zou elk apparaat zijn eigenaar kunnen herkennen en bijvoorbeeld persoonlijke voorkeurinstellingen kunnen aanpassen aan de ingeschatte emotionele gesteldheid van de eigenaar. Medische toepassingen Een derde belangrijk gevolg van de opkomst van microsysteemtechnologie zijn de medische toepassingen van MST. Pacemakers behoren tot de oudste groep van MST-producten. Implantaten bieden volgens een recente studie van het Rathenau Instituut de opstap naar een toekomst waarin mensen hun eigen functies kunnen uitbreiden [9]. • Cochlear implantaat Met ‘cochlear implants’ kunnen dove mensen weer horen. De implantaten vervangen zowel het in- en uitwendig oor als het middenoor. Ze vertalen geluid naar elektrische pulsen die via een microgestructureerde elektrode direct de gehoorzenuw prikkelen. Wereldwijd hebben ongeveer twintigduizend mensen die functioneel doof waren zo’n rechtstreekse aansluiting van een microsysteem op het zenuwstelsel. Het is vrij eenvoudig om bijvoorbeeld in plaats van omgevingsgeluid radiosignalen op te pikken of om het frequentiespectrum van het gehoorde geluid te veranderen. Er is nog geen melding gemaakt van gezonde mensen die
deze functie-uitbreiding nastreven, maar het kán. Het is een standaardoperatie met beperkte risico’s. • Kunstheup met sensor Professor Robert Peurs van de Katholieke Universiteit Leuven werkt met een team van medewerkers aan verschillende medische toepassingen van microsysteemtechnologie. Eén van de toepassingen is een sensor die geïntegreerd kan worden in een kunstheup. De sensor kan draadloos uitgelezen worden zodat een medicus kan bepalen hoe de kunstheup functioneert. Een volgende stap in deze ontwikkeling zou een micro-actuator kunnen zijn die de heup bijregelt en optimaal laat functioneren. • Transponder in lichaamsdelen Een stap verder gaat professor Kevin Warwick van de Universiteit van Reading. In 1998 liet hij een silicium transponder-chip in zijn arm implanteren. Een transponder-chip is een chip waarmee gegevens uitgewisseld kunnen worden. In latere experimenten liet hij zijn zenuwstelsel aansluiten op een computer. Door middel van het implantaat is hij in staat om een rolstoel en een kunsthand te besturen. Zijn vrouw kreeg eveneens een transponder geïmplanteerd, waardoor het voor het echtpaar mogelijk werd om sensaties uit te wisselen.
Verdergaande ontwikkelingen Je kunt natuurlijk discussiëren over de zin en onzin van dergelijke producten. Maar wie zou er geen automatische histamine-injectie toegediend willen krijgen bij een allergische reactie op bijvoorbeeld een wespensteek? Zeker als het maar een paar euro kost om een dergelijk klein product te implanteren. Door de opkomst van ‘minimal invasive surgery’, zeg maar ‘catheterchirurgie’, dalen operatiekosten. Er zijn al operatierobots die met deze methode kunstheupen kunnen aanbrengen. De toekomst van dit soort kleine systemen is niet ver weg. Min of meer sluipenderwijs hebben verschillende microsystemen al een zeer belangrijke rol in ons dagelijks leven gekregen. In 1994 maakten alleen een paar wetenschappers en een paar militairen gebruik van internet. Bijna niemand had een mobiele telefoon en alleen de meest luxe auto’s hadden hooguit één airbag. We weten allemaal wat er in tien jaar tijd gebeurd is. Terwijl ik durf te wedden dat op dit moment niemand in dit publiek via een implantaat online is... Wat vinden wij zinnig om aan te pakken op het gebied van microsysteemtechnologie? Tijd om u meer te vertellen over de positie van het lectoraat.
Positie leerstoel Microsysteemtechnologie Het lectoraat Microsysteemtechnologie is een logisch vervolg op het Utrecht Micro Engineering Competence Centre. UMECC is in 1998 opgericht om kennis en ondersteuning op het gebied van MST aan het bedrijfsleven te bieden. Zowel in de vorm van cursussen als in de vorm van toepassingsgerichte projecten. UMECC richt zich vooral op ‘packaging’, ‘assembling’, ‘handling’ en ‘testing’ van microsystemen. Door de projecten die in het verleden al succesvol door UMECC zijn opgezet, heeft het lectoraat een vliegende start kunnen maken. De Kenniskring Het team rondom mijn lectoraat, de kenniskring, bestaat op dit moment uit de volgende mensen: • Rob Sillen die zich als projectleider van UMECC zeer verdienstelijk gemaakt heeft. Hij zette een behoorlijke infrastructuur op en voerde een aantal aansprekende projecten uit, waaronder het project rondom de kunstlong. • Caspar van Bommel werkt als trainee aan het realiseren van MST-applicaties en zet zich daarnaast in voor het operationeel houden van de apparatuur in de cleanroom. • Marcel de Haas is ook trainee en werkt aan microstructureringstechnieken. Momenteel houdt hij zich bezig met het project ’elektroforetisch display’, dat gezamenlijk met het lectoraat Product Design & Engineering uitgevoerd wordt.
• Paul Goede is promovendus aan de TU Delft. Hij is verbonden aan de kenniskring door een project dat door UMECC is opgezet in het kader van het Innovatieve Onderzoeks Programma Precisie Technologie. Het project richt zich op de snelle assemblage van microcomponenten. • Anton Honders en Jules Trentelman zijn beiden docent bij de hogeschool en leveren een bijdrage aan het promotieproject van Paul Goede. Uitgangspunt: model van Ebefors Het uitgangpunt van onze werkzaamheden vormt het model van Ebefors. In zijn proefschrift werkt Thornbjorn Ebefors [10] de problematiek uit van de aansluiting van verschillende MST-deeltechnologieën op elkaar. Het model van Ebefors ziet eruit als een aantal concentrische cirkels met gearceerde schijfjes. De gearceerde gebieden beschrijven deeltechnologieën die onderzocht zijn en waar zinvolle kennis over aanwezig is. In het centrum ligt kennis omtrent materialen, de cirkel daaromheen beschrijft de microstructureringstechnieken, en de volgende cirkel geeft aan welke methoden er zijn om een microstructuur te beschermen. De daaropvolgende cirkel geeft de kennis aan die nodig is om een sensor uit te lezen of slim te besturen en de laatste cirkel geeft de eindvorm aan. Ebefors zegt dat er nog slechts stukjes kennis beschikbaar zijn en dat het maken van commercieel zinvolle producten alleen maar mogelijk is als er een aansluitend kennispad van binnen naar buiten gelegd kan worden. Volgens dit model kunnen alleen die producten geproduceerd worden, waarbij de kennis van binnenuit steeds aansluit op een relevant kennissegment van binnen naar buiten. Het model van Ebefors (figuur 4).
Met andere woorden: de technologische kennis die beschikbaar is op het gebied van microsysteemtechnologie groeit en maakt het mogelijk om nieuwe MST-producten te definiëren die grotendeels gebruik maken van al aanwezige kennis. Het is volgens mij momenteel mogelijk om een veelheid van nieuwe MST-producten te realiseren op basis van kleine technologische vernieuwingen met hergebruik van beschikbare kennis. Het ontwikkelen van geheel nieuwe producten op basis van innovatieve, nieuwe technologieën is voor het lectoraat te complex en risicovol. Dat geldt ook voor de meerderheid van de Nederlandse bedrijven; alleen met stapsgewijze ontwikkeling is MST commercieel succesvol te maken. En dat is ook de missie van het lectoraat: met kleine stapjes microsysteemtechnologie invoeren in bestaande producten. Dat is waar we ons op richten. De rol van het hbo en het MST-lectoraat Nederland is een toonaangevend land als het gaat om het wetenschappelijke onderzoek op het gebied van microsysteemtechnologie [7]. De universitaire onderzoekers zijn bezig - en dat is wetenschappelijk volstrekt legitiem - met het verdiepen van hun vakgebied. Dat betekent in termen van het model van Ebefors dat we in Nederland veel stukken van de kennis in handen hebben die het mogelijk maken om paden te vinden naar zinvolle producten. Voor het ontwikkelen van nieuwe MST-producten is het nodig dat we alle noodzakelijke kennis aan elkaar verbinden. Daar ligt volgens mij ook de rol van de hbo-onderzoeker die op basis van bestaande en getoetste kennis samen met mkb-bedrijven nieuwe MST-producten realiseert. Die rol ligt niet in de ontwikkeling van nieuwe fundamentele kennis, zoals dat uitstekend gedaan wordt op de universiteiten, maar in het zoeken naar realisatiemogelijk-
heden van nieuwe ‘smart products’. Ofwel: functies toevoegen aan bestaande producten op basis van microsysteemtechnologie. Bijvoorbeeld: • De sleutel die nooit meer zoekraakt; • De rollator die de weg naar huis kent; • De trap waar je niet van af kunt vallen; • De pinpas waarvan je de code niet kunt vergeten; • De fiets die niet gestolen kan worden.
wordt het effect van de training te verbeteren. De ontwikkelingen die bij TNO op dit gebied in gang gezet zijn, wil ik overbrengen naar de hogeschool. Er is inmiddels een projectvoorstel ingediend om gezamenlijk met Syntens en het PDElectoraat een aantal mkb-bedrijven te helpen met het realiseren van toepassingen van MST in de winkelomgeving.
Projecten Binnen de kenniskring ben ik daarom begonnen met het opzetten van een tweetal projecten waarmee we willen proberen om concrete MST-oplossingen te bieden voor bedrijven.
Het doel van het Applicatiecentrum MST is om samen met andere hogescholen nuttige projecten voor bedrijven uit te voeren. Er ligt bijvoorbeeld bij de Hogeschool van Zeeland een vraag van een bedrijf dat industriële ventilatoren bouwt. Deze ventilatoren zijn vaak op het dak van een fabriek of gebouw geplaatst. Als een onderhoudsmonteur de ventilatoren komt inspecteren is hij al gauw een half uur tot een uur kwijt om het dak op te komen en de ventilator te meten. Met een simpele, draadloze versnellingssensor zou de monteur vanaf de weg de onderhoudstoestand van de ventilator kunnen bepalen. Met de MST-bouwblokjes kunnen we in een paar uur een testapplicatie maken voor zo'n toepassing. Het Applicatiecentrum MST willen we gezamenlijk met de Hogeschool van Zeeland en de Hogeschool van Rotterdam gestalte gaan geven.
• Applicatiecentrum MST Het eerste project is het Applicatiecentrum MST. Dit is een project waarin we op basis van bestaande microsysteembouwblokjes simpele en nuttige toepassingen van MST willen realiseren voor bedrijven. Vanuit TNO hebben we kennis en ervaring met deze bouwblokjes opgedaan. We hebben daar verschillende producten gerealiseerd zoals een bodyscanner. Dit is een draagbare sensor die de activiteit van een mens nauwkeurig kan meten. Voor een winkel zijn draagbare scanners ontwikkeld waarmee de klant zelf zijn boodschappen scant en in het wagentje legt en bij de kassa alleen nog maar hoeft af te rekenen. En TNO heeft een vest ontwikkeld met sensoren voor sporters waardoor het voor een coach mogelijk
Bouwblokje voor een MST-product (figuur 5).
• Medische applicaties van MST Het tweede project is gericht op medische applicaties van MST. In het verleden zijn er binnen UMECC al een aantal zeer aansprekende projecten uitgevoerd op dit gebied. Er is een glucosesensor gerealiseerd en een kunstlong die succesvol op proefdieren is getest. Door deze projecten is gebleken dat er bij veel specialisten behoefte bestaat aan dergelijke technologische toepassingen. Vaak gaat het om de behandeling van aandoeningen die niet veel voorkomen en waar geen grote onderzoeksbudgetten voor zijn omdat er geen geld mee verdiend kan worden. Ik was onlangs op een symposium 'Precisietechnologen ontmoeten medici' en sprak daar een orthopedisch specialist, dr. Guido Brouwers van het AMC. Hij heeft een sensortechnologie ontwikkeld om snel en pijnloos een botbreuk bij een patiënt te kunnen bepalen. Hij gebruikt daarvoor een speciaal hamertje met een speciale sensor. Dergelijke medische technologie zou bijvoorbeeld geschikt zijn voor toepassing in de derde wereld, waar dure en complexe technologie niet inzetbaar is. We voeren nu gesprekken om te kijken of we deze technologie samen met studenten tot een goed en betrouwbaar product kunnen ontwikkelen. Een dergelijk project vraagt een multidisciplinaire aanpak, waarbij niet alleen functionaliteit, maar ook vormgeving en elektronisch ontwerp een belangrijke rol spelen. Waar mogelijk zoeken we aansluiting bij projecten die binnen het lectoraat PDE al lopen op het gebied van het helpen en ondersteunen van de zieke medemens.
Onderwijs Naast deze projecten speelt het onderwijs een belangrijke rol in het lectoraat. Ik citeer nogmaals het rapport van de Stichting Toekomstbeeld der Techniek: 'Bewustwording en onderwijs zijn van groot belang voor het succes van MST. In het onderwijs moet daarom speciale aandacht worden gegeven aan de systeembenadering die MST vraagt. Daarnaast moeten het ontwerp en de productietechnologie van MST worden onderwezen.' Omdat MST vraagt om een multidisciplinaire aanpak is het belangrijk om in de opleiding aandacht te besteden aan de verschillende disciplines die erbij betrokken zijn. Het is van groot belang om studenten te leren samenwerken in teams. Professor Rao Tummala, President of the IEEE-CPMT Society, stelt dat de wereldwijde ontwikkeling van de MST-markt vertraagd wordt door het tekort aan goed opgeleide MST-ingenieurs [11]. Mensen die voldoende in de breedte zijn opgeleid om de complexe vraagstukken die bij MST opgelost dienen te worden, het hoofd te kunnen bieden. Het opzetten van onderwijs dat de breedte van MST steunt, is een grote uitdaging. Maar als we dit onderwijs kunnen vormgeven aan de hand van de ontwikkeling van concrete MST-producten, dan moet dat lukken. Dan blijkt namelijk dat MST eigenlijk niet moeilijk is, maar juist leuk! Met concrete producten als een draadloze trillingssensor voor onderhoudsbewaking, een botbreukdetector, de besturing van een kunstlong of een display met een zeer laag energieverbruik, kunnen we in mijn ogen de uitdaging van het onderricht in MST met vertrouwen tegemoet zien.
Afsluiting
Literatuur
Tot slot geef ik u een korte samenvatting van mijn openbare les. Ik ben de les begonnen met een verwijzing naar het rapport ‘Micro Systems Technlogy, exploring opportunities’ van de Stichting Toekomstbeeld der Techniek. Ik heb laten zien dat er inmiddels grote markten zijn ontstaan waarin microsysteemtechnologie een essentiële rol speelt. Ik heb verteld over de wereld van de microsystemen en hoe die in onze dagelijkse omgeving een steeds belangrijker rol gaan spelen. Over microsystemen die steeds kleiner worden, zelfs de grootte van zandkorrels zullen hebben. Ik heb geprobeerd aan te geven dat er mogelijk dramatische veranderingen in onze leefomgeving en in onze levensstijl kunnen gaan optreden. Kleine zaken, grote gevolgen. Tot slot heb ik u mijn plannen ontvouwd voor een tweetal concrete projecten. Hiermee wil ik proberen te helpen met het toepassen van MST-technologie bij bedrijven en in de medische wereld. Door het onderwijs aan concrete projecten te koppelen, wil ik het onderwerp MST aantrekkelijk maken voor de studenten. Studenten die kiezen voor een vak met toekomst. Die toekomst begint nu.
1 Klein Lebbink, Gerard, Micro System Technology, Exploring opportunities STT-56, ISBN 90 14 05088 7, 1994 2 Ten Wolde, Arthur, Nanotechnologie, op weg naar een moleculaire bouwdoos, STT-60, ISBN 90 73035 87 2, 1998 3 Van Duren et all, Branche agenda Microsystemen voor de fijnmechanische en kunststofverwerkende industrie in Noord-Brabant, ISBN 90-5986-068, 2004 4 Jan Eite Bullema, Kosteneffectieve assemblage van Microsystemen, Mikroniek, April 2004 5 Nadim Maluf, An Introduction to Micro Electro Mechanical Systems Engineering, ISBN 0- 89006 – 581-0, Artech House 2000 6 Market Analysis for Micro Systems II 2000-2005, A nexus task force report, February 2003, ISBN 2-9518607-0-6 7 Small Technologies means big business, Verkenning Micro Systeem Technologie, Oktober 2003, publicatie nummer 03141, Ministerie van Economische Zaken 8 Market Analysis for Micro Systems 1996-2002, A nexus task force report, October 1998 9 Van Est et all, Om het kleine te waarderen, Rathenau Instituut, ISBN 90 - 77364 056, 2004-09-27 10 Thornbjorn Ebefors, PhD thesis, V groove joints for 3D silicon transducers Ebefors Stockholm, 2000 11 Rao Tummala, Fundamentals of Micro Systems Packaging, ISBN 0-07-137169-9, 2001
Curriculum Vitae Jan Eite Bullema (Middelstum 1959) begon zijn loopbaan als procestechnoloog in 1984 bij AKZO Zout Chemie Delfzijl. Na een paar jaar stapte hij over naar Philips om vanuit het Centrum van Fabricage Technologie voornamelijk te werken aan industrialisatieproblemen rondom bestaande producten (televisiemonitoren, lampen, keramische onderdelen) en nieuwe innovatieve producten (DCC-koppen, mobiele telefoons, LCD-displays, plasma-displays). Na twaalf jaar werd hij in 1999 gevraagd door TNO om in Eindhoven de groep Micro Technologie op te zetten rondom het thema microsysteemtechnologie. Sinds december 2003 combineert hij deze functie met een aanstelling als lector MicroSysteemTechnologie /Micro-Engineering bij de Hogeschool van Utrecht. Jan Eite Bullema is lid van KNCV, EUSPEN, MINACNED, the Chapter, IVAM , IOP PT (Lid programmacommissie) en van MicroNed (lid management team/chair educational committee).
There’s plenty of room at the bottom* Richard P. Feynman * Citaat komt uit de lezing: 'There's plenty of room at the bottom', die Richard Feynman in 1959 gaf voor de American Physical Society. Feynman heeft in 1965 de Nobelprijs voor natuurkunde ontvangen voor zijn werk op het gebied van quantumelectrodynamica. Mede door zijn Feynman Lectures is hij enorm populair onder natuurkundigen.
figuur 2
figuur 4
figuur 3
figuur 1
figuur 5
