MicroMegazine ISSN X

MicroMegazine 4 nummer

• augustus 2010

Poreuze substraten voor vroege TBC-detectie Radio-astronomie met nanosatellieten: achter de maan en navigerend op pulsars Inzicht in luchtinhappen en afsnoeren voor mooier en sneller printen Zelf-assemblage van MEMS door schudden en trillen

Micro ISSN 1877-301X

Ned

Micro Micro

Megazine Megazine

No 4, augustus 2010

Inhoudsopgave Colofon Omslagfoto: Micro-onderdelen arrangeren op een trilplaat. MicroMegazine is een uitgave van MicroNed en verschijnt 3 keer per jaar. Oplage: 3500 ISSN 1877-301X Nummer 4 (doorgenummerd) Jaargang 2 Redactie Philip Broos (hoofd- en eindredacteur) Medewerkers aan dit nummer: Marion de Boo Hans van Eerden Bennie Mols Ruud Overdijk Lina Sarro Redactiesecretariaat & abonnementenadministratie MicroMegazine Lucienne Dado Mekelweg 2 2628 CD Delft telefoon (015) 278 4357 e-mail: [email protected] www.microned.nl Fotografie MicroNed, tenzij anders vermeld. Vormgeving & Opmaak Cok Francken (TU Delft – MultiMedia Services) Druk DeltaHage BV, Den Haag Redactiecommissie Dr.ir. Bert Monna (SystematIC design BV), Dr. Frans W.H. Kampers (Wageningen Universiteit & Researchcentrum) en Dr.ir. Richard Q. van der Linde (MicroNed)

3

Inkjetprinter kan nog sneller, kleiner en preciezer printen

Marktleider op het terrein van grootformaatprinters voor de professionele markt, Océ, en U Twente onderzoeken samen al jaren het afsnoeren van druppels en het inhappen van luchtbellen met akoestische en optische technieken en verwerking met theoretische en numerieke stromingsmodellen.

10 Zelf-assemblage voor microsystemen: sneller, goedkoper, kleiner

Onderdeeltjes voor microsystemen worden met extreme snelheid door lithografiemachines gemaakt. Zijn de duizenden losse componenten gereed, dan stokt het proces soms om de verschillende componenten stuk voor stuk bij elkaar te brengen tot microsysteem. Met enkelvoudige pick & place-apparatuur raakt de productie in een lagere versnelling. Ir. Kurniawan bedacht een methode voor zelf-assemblage.

18 Een satellietzwerm als radiotelescoop; navigerend op pulsars

Na de lancering van Delfi-C3 in 2008 en Delfi-n3Xt in 2011 hebben Delftse ingenieurs hun zinnen gezet op het in de ruimte brengen van nanosatellieten. Die moeten aan de achterkant van de maan in een satellietkolonie als radiotelescoop moet gaan fungeren, navigerend met signalen van pulsar. De spin-off: een bedrijf dat wereldwijd complete modules aan (wetenschappelijke) instellingen verkoopt, en een methode voor de hoogte- en de standbepaling van vliegtuigen en trajectberekeningen.

26 Trage TBC-bacterie nu supersnel in beeld

Nu TBC wereldwijd weer de kop opsteekt, is er ook grote behoefte aan betere en vooral ook snellere detectiemethoden. Microbiologen, medisch technologen en ingenieurs sloegen de handen ineen om een snelle, betrouwbare laboratoriumtest te ontwikkelen. Met geautomatiseerde digitale microscopie kunnen talloze microkolonies, gekweekt op zeer poreuze substraten, per chip straks in hoog tempo worden beoordeeld.

35 MicroNed agenda en mededelingen 36 Studenten-studiereis naar Mannheim, Heidelberg, Bern en Grenoble 38 Hebbedingetje: Labtrix microreactor 39 Estafette-column door prof.dr. Lina Sarro Met het zicht op de finish MicroNed nadert het einde van de looptijd. Hoewel er een verlenging van het programma is tot eind september 2011, zal het overgrote deel van de onderzoekers echter in 2010 het werk binnen MicroNed afronden. Na vijf jaar van wetenschappelijke dynamiek is het nu tijd om een degelijke financiële onderbouwing van het verrichte onderzoek te leveren. Ook is het moment aangebroken om het effect van MicroNed in àl z’n facetten goed in beeld te brengen. De jaarrapportages tot nog toe zijn hiervoor een goede basis. Echter, we willen ook laten zien wat daarnaast gebeurd is, bijvoorbeeld de effecten van MicroNed op onderwijs. Hoewel dit nog enige inspanning van alle betrokken partijen en onderzoeksgroepen zal vragen, is een nette afronding voor iedereen vanzelfsprekend. Even zo vanzelfsprekend is het om het opgebouwde momentum van de samengang van MicroNed en NanoNed in een nieuw en ambi-

Micro

Megazine

tieus FES-programma te benutten. We streven er naar de communities die binnen MicroNed zijn gevormd, en die zo goed mogelijk bijeen zijn gehouden, ook naar het FES-programma over te laten gaan; en het liefst zonder verlies van menselijk kapitaal. Sommige werkpakketten doen alvast de eerste aanzetten om hun laatste WP-meetings in de nieuwe samenstelling te houden. Ook de MicroNanoConferentie 2010 zal in het kader staan van de nieuwe samenstelling. Al met al zijn de laatste loodjes wellicht niet de meest uitdagende. Ze bieden echter wel de uitgelezen mogelijkheid om te leren van wat er gezamenlijk is bereikt voor MST in Nederland. Het is de opmars naar de nieuwe en spannende uitdagingen waar we gezamenlijk de komende jaren nog voor staan. Prof.dr.ir. Fred van Keulen Wetenschappelijk directeur MicroNed

Inkjetprinters sneller, kleiner en preciezer

Afdrukken maken met behulp van inkjet-printers is inmiddels een ingeburgerde technologie, maar een veel hogere afdruksnelheid en nòg kleinere druppeltjes om de afdrukkwaliteit naar een weer hoger plan te trekken, vereisen nog veel wetenschappelijk onderzoek. Printerfabrikant Océ uit Venlo werkt op dit gebied al zo’n tien jaar samen met de afdeling Fysica van Vloeistoffen van de Universiteit Twente. Met deze opstelling wordt de vorming van individuele druppels in een inkjet-printkop bestudeerd.

Onderzoekers van de Universiteit Twente werken samen met printerfabrikant Océ aan het begrijpen van de vorming van inkjetdruppels. Aan de ene kant onderzoeken ze hoe kleine luchtbelletjes in het inktkanaal de druppelvorming kunnen verstoren en aan de andere kant hoe inkjetdruppels worden afgesnoerd aan de nozzle’s van de printerkoppen. Océ bouwt onder meer industriële printers, zoals de

Met diverse optische en akoestische technieken brengen ze zowel het

Colorwave 600, één van hun paradepaardjes. Dit apparaat heeft een afdrukcapaciteit van twee A0-vellen per minuut.

gedrag van luchtbellen als de druppelvorming in beeld. De resultaten

Dit vereist bijna een miljoen gericht gestuurde druppeltjes van gelijke grootte. Dergelijke grootformaat apparaten

vergelijken ze met theoretische en numerieke stromingsmodellen.

worden typisch toegepast in de wereld van de reclame, de architectuur, de constructie, voor posters etc.

door Bennie Mols Micro

Megazine

3

In plaats van inkt op waterbasis ontwikkelde Océ voor de ColorWace 600 zogenoemde TonerPearls. Deze bolletjes worden bij een temperatuur van 130 °C in de printkop gesmolten en verspoten. Zodra de druppeltjes het papier raken, zijn ze binnen enkele milliseconden gefixeerd.

Console met de acht printkoppen van de ColorWave 600, waarbij er per kleur twee koppen met elk een resolutie van 150 DPI worden gebruikt. Door het slim positioneren van de koppen wordt een resolutie behaald van 300 DPI per kleur.

Enkele printkop van de ColorWave 600. Aan de rechterkant zit de toevoerbuis voor de TonerPearls.

Reservoir Elke printkop is opgebouwd uit 256-kanalen, die elk individueel worden

Het Nederlandse bedrijf Océ is een van de wereldleiders op het terrein van de grootformaatprinters voor de professionele markt. Groot formaat wordt gebruikt voor het afdrukken van technische tekeningen, bijvoorbeeld voor productie, architectuur, constructie en woningbouw, maar ook voor diverse andersoortige grafische weergaven zoals landkaarten, reclameposters en kunst. Een van Océ’s paradepaardjes voor het printen op groot formaat is de volledig in eigen beheer ontwikkelde ColorWave 600 inkjetprinter. Zoals elke inkjetprinter, schiet ook de ColorWave 600 kleine vloeibare inktdruppeltjes op het papier. De inkt wordt als vaste bolletjes, de zogenoemde TonerPearls, in cassettes in de printer geschoven. De TonerPearls, een door Océ ontwikkeld concept, worden uitgevoerd in vier kleuren: cyaan, magenta, geel en zwart. Met combinaties van deze vier kan de printer in elke gewenste kleur afdrukken, een methode die in vele drukprocessen wordt toegepast. Er zitten acht printkoppen in de ColorWave 600, twee koppen per kleur. Wanneer de inktbolletjes in de printkop worden verhit, ontstaat er een gel-achtige inkt die het reservoir van de printkop vult. Met hoge snelheid worden de koppen over het papier gestuurd en de inkt op het papier gespoten. De TonerPearl-bolletjes zijn zo gemaakt, dat de inktdruppeltjes compact blijven en razendsnel fixeren. Daardoor gaat de inkt niet uitvloeien en blijft de printkwaliteit op elke papiersoort scherp.

aangestuurd door een piëzo-element. in het kanaal dat aan de bovenkant is

10 mm

Piezo

Het element veroorzaakt een drukgolf

Kanaalblok

aangesloten op een reservoir en aan de onderkant uitmondt in een spuitmond (nozzle). Eén kanaal kan zo’n 20.000 druppeltjes van 30 picoliter per seconde

Nozzleplaat

genereren.

Nozzle (Ø 30 µm) Druppel Verloop van drukgolven in het inktkanaal

pulse

Reservoir

1 time 3

Grafische weergave van het verloop van de drukgolven in de printkop als gevolg van het samentrekken van het piëzo-ele-

Nozzle

5 1

2

3

4

5

6

ment (links) en het verloop van de elektrische puls die

het piëzo element aanstuurt (rechts). De piëzo trekt eerst samen (1), waardoor er een drukgolf ontstaat in de richting van de nozzle en in de richting het reservoir (2). Het reservoir kan beschouwd worden als een open uiteinde, waardoor de reflectie een positieve amplitude krijgt. De nozzle kan als gesloten uiteinde worden beschouwd, waardoor de amplitude van de reflectie niet omkeert (3). Zodra de teruglopende golven (4) in het midden van het kanaal aankomen, maakt het piëzoelement een tegengestelde beweging (5), waardoor er nòg een positieve drukgolf ontstaat. De som van de lopende golven is een positieve drukgolf richting de nozzle (6). De looptijd van de golven hangt af van de effectieve geluidssnelheid in het kanaal. Door een precieze timing van de flanken van de piëzopuls ontstaat er een efficiënte akoestiek waarbij de druppels kunnen worden gevormd.

4

Micro

Megazine

Geluidsgolven In elk van de acht printerkoppen van de ColorWave 600 zitten 256 kleine kanaaltjes die de inkt naar evenzoveel nozzle’s leiden. Voor het spuiten van de inkt op het papier is elk kanaaltje voorzien van een langwerpig piëzo-elektrisch element dat tegen het inktkanaal (8 millimeter lang) is aangedrukt. Aangestuurd door een elektrische puls trilt het piëzo-element razendsnel op en neer, waarbij het kanaal periodiek indeukt of juist opbolt. Deze snelle vormverandering drukt niet tegen de inkt, zoals je een tube tandpasta uitknijpt, maar wekt een patroon van geluidsgolven op in het inktkanaal. De geluidsgolven zorgen ervoor dat de inkt gaat stromen en dat er uit een kanaaltje zo’n twintigduizend inktdruppeltjes van dertig picoliter per seconde op het papier worden gespoten. De ColorWave 600 kan twee A0-vellen per minuut printen (een A0 vel meet ongeveer 1,2 bij 0,8 meter). In tegenstelling tot een laserprinter, stoot hij geen ozon uit en veroorzaakt geen hinderlijke geur of vervuiling van de printer door poedertoner. Ook onderscheidt hij zich van de thermische inkjetprinters, die waterige inkt via een klein verwarmingselement in de nozzle zo snel opwarmt dat een kookbelletje ontstaat waarmee druppeltjes worden weggeschoten. Het voordeel van piëzo-inkjetprinters ten opzichte van thermische inkjetprinters is dat de inkt niet op waterbasis hoeft te zijn. De TonerPearl-inkt bevat geen water of oplosmiddelen en kan daarom ook in de nozzle’s niet uitdrogen, wat bij andere inkjetprinters wèl kan gebeuren. Op het papier vindt een door temperatuur gestuurd geleer- en stollingsproces plaats.

Een gordijn van druppels geproduceerd door 10 naast elkaar liggende nozzles van een ColorWave 600 printkop. Alle 256 kanalen kunnen met een hoge frequentie exact dezelfde druppels reproduceren. De snelheid die de individuele druppels bereiken is bijna 7 m/s.

Ingehapte lucht Het inkjetproces is een van de betrouwbaarste druppelvormingtechnieken die er bestaan, maar toch zijn er omstandigheden waarbij het verstoord kan raken. Één van de mogelijke problemen is het inhappen van lucht aan de nozzlekant. De ingehapte lucht kan vervolgens in de vorm van kleine luchtbelletjes in het inktkanaal terecht komen. Dit verstoort de druppelvorming en leidt in het ergste geval zelfs tot tijdelijke nozzle-uitval. Afhankelijk van de toepassing is dat hinderlijk tot compleet onaanvaardbaar. Dat laatste is het geval bij nieuwe toepassingen van inkjettechnologie die meer en meer buiten het traditioneel printen op papier liggen, zoals het printen van elektronische circuits en DNA-micro-arrays. Eén verkeerd geprinte druppel is hier al onaanvaardbaar.

Bij de vakgroep Physics of Fluids van de Universiteit Twente zijn verschillende opstellingen gebouwd om de druppelvorming tot in extreme detail te kunnen bestuderen. Promovendus ir. Arjan van der Bos maakt daarbij gebruik van een optische microscoop en hoge snelheidscamera’s. Zijn doel is te onderzoeken hoe

Om zowel de vorming van inkjetdruppels als ook de soms optredende verstoringen beter te begrijpen, werkt Océ al ruim tien jaar samen met de vakgroep Physics of Fluids van de Universiteit Twente (UT), een groep van een veertigtal onderzoekers geleid door prof. dr. Detlef Lohse. Van de kant van Océ leidt onderzoeker Hans Reinten de samenwerking. “Onze gemeenschappelijke interesse voor luchtbellen vormde de basis voor deze samenwerking. De kennis die we hiermee hebben opgedaan over het gedrag van luchtbellen is van groot belang geweest voor het verhogen van de betrouwbaarheid waarmee de Colorwave 600 zijn druppels print. Deze kennis hebben we ook gebruikt voor het ontwikkelen van PAINt, een ingebouwd en uniek nozzle-bewakingssysteem dat zowel de hard- als de software omvat en waarmee elke seconde alle nozzle’s worden gecontroleerd op de aanwezigheid van luchtbellen in het kanaal.” Hiervoor worden de piëzo-elementen ook als sensoren gebruikt, die elke verstoring van de kanaal-akoestiek kunnen waarnemen. Wanneer het element een klein luchtbelletje in een kanaal detecteert, wordt automatisch actie ondernomen. Het kanaal wordt bijvoorbeeld tijdelijk niet geactueerd waardoor de luchtbel snel oplost. Maar de ontwikkelingen gaan door. Het beter begrijpen en beheersen van de druppelvorming moet uiteindelijk leiden tot nog betrouwbaarder, snellere en preciezere inkjetprinters”, zegt Reinten. “De trend is om kleinere druppels te maken en die met een nòg hogere frequentie af te vuren. Met kleinere druppels kun je met een hogere resolutie en dus met meer detail printen. En door de frequentie op te voeren, versnel je het printproces. We zoeken de grens op. Maar met het verhogen van de frequentie neemt helaas ook de kans op het inhappen van luchtbelletjes toe, zo hebben we in de praktijk ervaren.” Hoe wordt lucht precies ingehapt? Hoe beïnvloeden lucht­bellen de kanaal-akoestiek? Hoe ontwerp je een printkop zodanig dat je het inhappen van lucht voorkomt? Hoe voorkom je dat een toch ingehapte luchtbel een probleem wordt? En: hoe vormen inktdruppels zich bij het verlaten van de nozzle? Dat zijn >

de vorming van kleinere en snellere druppels kan worden verbeterd. Detail van de kijkopstelling bij de vakgroep Physics of Fluids. De microscoop wordt toegepast in combinatie met een krachtige flitsbron of een hogesnelheidscamera om gedetailleerde opnamen te maken van de druppelvorming. Wanneer de printkop tijdens proeven inkt vernevelt, worden de ultrafijne druppeltjes via de grijze afzuiger afgevangen. De Brandaris 128-camera kan tot 25 beelden p/s filmen. Die hoge snelheid is nodig omdat het hele druppelvormingsproces slechts 20 microseconden duurt.

De evolutie van een druppel van links naar rechts. Hier is te zien hoe een druppel uit de nozzle komt en een lange staart vormt. Nadat de staart van de meniscus is afgebroken, wordt deze bij de hoofddruppel getrokken. Eén van de parameters die bij Océ en op de Universiteit Twente wordt onderzocht, is hoe lang de staart mag worden voordat hij op verschillende plekken insnoert.

Micro

Megazine

5

enkele concrete vragen die de onderzoekers van Océ en de Universiteit Twente samen willen beantwoorden. Een ander deel van het onderzoek van Arjan van den Bos betreft de stabiliteit in de inktkanalen. Door exotische druppels te produceren, kan gecontroleerd een luchtbel worden ingevangen. In deze serie is te zien hoe een luchtbel net is ingevangen in de nozzle. Bij 1 en 2 is te zien hoe de staart van de gegenereerde druppel losbreekt en de meniscus mee naar buiten komt. Bij de beelden 3 en 4 lijkt zich op de meniscus een nieuwe kleine druppel te vormen die niet los komt. Wanneer de meniscus verder naar buiten komt (5 en 6), valt op dat er een luchtbel in het midden van de meniscus is gevangen (7) die met de meniscus mee naar binnen wordt getrokken (8).

Om de gevolgen van een ingehapt luchtbelletje beter kunnen bestuderen, is er tussen het inktkanaal en de nozzleplaat een glazen kanaal geplaatst. Het kanaal heeft een zandlopervorm met een diameter van ongeveer 300 μm. Door transparante inkt te gebruiken is de ingehapte luchtbel, van ongeveer 120 picoliter, rechtsonder goed te zien. Aan weerszijde van het kanaal zijn de rand van de buurkanalen nog net te zien.

Piezo

U

1

Rp

Ua Het piëzo-element kan niet

2

A

If

de kanaalwand in trilling te drukgolf op te bouwen, maar met een kleine uitbreiding van de elektro-

nica ook het ook worden toegepast om de druk op het piëzo-element (en dus het kanaal) uit te lezen. Door tijdens het printen het piëzo-element afwis-

Actueren (signaal uitsturen)

Piezo signaal [mA]

selend in te zetten als puls­ generator en als microfoon, kan de akoestiek in het kanaal worden Luisteren

De Jong had voor het eerst laten zien dat het inhappen van luchtbellen twee mogelijke oorzaken heeft. Ten eerste kunnen kleine vuildeeltjes, zoals een stofdeeltje of een huidschilfer, via de omgevingslucht de nozzle bereiken en de druppelvorming verstoren en het inhappen van lucht een handje te helpen. Ten tweede blijkt ook de dunne inktlaag die zich onder de nozzleplaat kan vormen, aanleiding te kunnen zijn voor het inhappen van lucht. Beide mechanismen kwam de promovendus op het spoor door de luchtbel op een indirecte manier te bestuderen. Hij gebruikte het piëzo-element niet alleen als aandrijfmechanisme voor het spuiten van de inkt, maar ook als een sensor (microfoon) die de akoestiek in het inktkanaal detecteert. Die akoestiek vervormt op zijn beurt namelijk de piëzo en die vervorming kun je meten als een elektrisch signaal. Door het signaal mèt en zonder luchtbelletjes te vergelijken, kun je als het ware de handtekening vinden van de aanwezigheid van lucht in het inktkanaal.

alleen worden gebruikt om brengen en zodoende een

Luisteren

Vuildeeltjes UT-promovendus Arjan van der Bos begon in 2006 met zijn promotie-onderzoek naar de stabiliteit en de druppelvorming van inkjetkoppen. Een belangrijk deel van het onderzoek valt onder het MicroNed-programma. “Toen ik begon, waren twee andere promovendi in het eindstadium van hun onderzoek”, vertelt Van der Bos. “Jos de Jong bestudeerde het inhappen van lucht experimenteel, en Roger Jeurissen deed hetzelfde met analytische en numerieke modellen. Op hun werk kon ik voortbouwen.”

gemeten. Door zo te luis-

Luisteren

Glazen kanaal Daarnaast monteerde De Jong een klein glazen verbindingskanaal direct voor de nozzle, richtte er een hogesnelheidscamera op en filmde de groei van de ingevangen luchtbel tegelijkertijd met de vorming van inktdruppels. Zo kon hij voor het eerst de bel en de absolute grootte ervan zichtbaar maken. Promovendus Roger Jeurissen modelleerde het gedrag van een luchtbel in het kanaal. Hij identificeerde onder andere de dominante fysische effecten bij dit proces: de samendrukbaarheid van de luchtbel, de massatraagheid van de inkt en de viskeuze wrijving van de inkt in de nozzle. Daarbij hield hij er rekening mee dat de bel beweegt en in grootte oscilleert onder invloed van de akoestische golven in het kanaal. Het oscilleren van de bel beïnvloedt op zijn beurt weer de kanaalakoestiek en dus ook de beweging van de inkt in de nozzle.

teren kan Océ precies afwijkingen detecteren, zoals vuil of luchtbellen, en 0

25

50

75

Tijd [µs]

6

Micro

Megazine

100

125

150

te weten komen wanneer een kanaal niet goed print.

Gecontroleerd lucht inhappen Van der Bos ging verder met het experimentele werk waar Jos de Jong gebleven was. “In eerste instantie keek ik alleen naar het inhappen van lucht”, vertelt de promovendus, “maar sinds 2008 ben ik ook gaan

MEMS-technologie voor piëzo-inkjetprintkoppen

Door silicium heen kijken Het observeren van de luchtbel door de glazen doorvoer heeft een nadeel. De doorvoer is namelijk ingebouwd tussen de nozzle en het kanaal. En hoewel de doorvoer maar viertiende millimeter dik is, levert dat dus een iets langer kanaal dan het oorspronkelijke kanaal in de inkjetkop. Is het niet mogelijk om door de nozzleplaat heen te kijken naar het gedrag van de luchtbel? Probleem is dat deze plaat van nikkel of van silicium is en daar kijk je niet zomaar doorheen. “Toch leek ons dat dit voor nozzleplaten van silicium in principe moet kunnen”, vertelt Van der Bos, “maar dan moet je geen zichtbaar licht gebruiken, maar infraroodlicht. Dat heeft een wat langere golflengte dan zichtbaar licht. Om uit te zoeken wat deze aanpak oplevert, heeft afstudeerder Tim Segers tijdens >

0.1

Het akoestisch signaal van een kanaal uit de

Piezo signaal [mA]

0.05

printkop met het glazen kanalenblok. verandert

0

door de aanwezigheid van verstoringen. De

−0.05

meting (weergegeven met een blauwe lijn)

−0.1

laat zien hoe de akoestiek van een ongestoord 0

50

100

Tijd [µs]

150

200

kanaal er tijdens het printen uitziet. De rode

lijn toont het akoestisch signaal wanneer er in datzelfde kanaal een luchtbel zit. Het signaal verandert dan in amplitude en frequentie. Hoe de luchtbel precies de akoestiek beïnvloedt is bij de vakgroep Physics of Fluids gemodelleerd en later met optische en akoestische metingen geverifieerd. 12 10 8 Hoogte [µm]

kijken naar de vorming van de inkjetdruppels.” Waar zijn voorganger nog geen relatie had gelegd tussen het met de piëzo gemeten akoestische signaal en de cameraopnamen door de glazen doorvoer, ging Van der Bos dat wel doen. Dan blijkt het gedrag van een ingevangen luchtbelletje eigenlijk heel voorspelbaar te zijn. “Na het inhappen van een luchtbelletje, kiest het belletje een voorkeurspositie, waarna het begint te groeien. Wanneer het belletje groot genoeg is, beweegt het bij voorkeur naar een hoek in het kanaal, waar het zoveel mogelijk omgeven is door wanden. De plaats en het volume van het belletje hebben een directe relatie met een bepaalde verstoring van de akoestiek.” Van der Bos kon zo ook aantonen dat zelfs hele kleine luchtbelletjes al een meetbare verstoring van de akoestiek veroorzaken. “Door de experimentele resultaten direct te koppelen aan de numerieke berekeningen hebben we laten zien hoe het akoestisch signaal van de piëzo kan worden gebruikt om kleine belletjes te detecteren, lang voordat ze zó groot geworden zijn, dat ze de druppelvorming gaan verstoren.” Het blijkt ook mogelijk om de printkop met een speciale puls aan te sturen die altijd tot het inhappen van luchtbellen leidt. Juist door het gecontroleerd inhappen van lucht kan het inhapproces tot in detail bestudeerd worden. Van der Bos laat een filmpje zien waarop een ingehapte luchtbel precies in het midden van de nozzle een tijdje op en neer beweegt. De opname is haarscherp. “We kregen controle over het inhappen door precies de juiste piëzopuls te genereren. Iets wat we, zoals zo vaak in de wetenschap, op een toevallige manier hebben gevonden.” Slotconclusies over het inhappen van luchtbellen wil Van der Bos pas trekken nadat hij ook nog de benodigde numerieke simulaties heeft gedaan waarmee hij dan zijn experimentele resultaten kan vergelijken. “Maar”, zegt de promovendus, “het zal erop neer komen dat, op het moment dat de staart van de druppel bijna de nozzle verlaat, een bepaalde verstoring van de mensicusbeweging zorgt voor het inhappen van lucht. Deze verstoring kan voortkomen uit toevallig langs waaiende stofdeeltjes.”

Voor toekomstige generaties piëzo-inkjetkoppen wordt MEMStechnologie steeds belangrijker. Hierbij worden uit de chipindustrie afkomstige technieken gebruikt voor het op waferschaal vormgeven en bewerken van silicium. Deze technologie leent zich veel beter voor miniaturisatie dan conventionele bewerkingsmethoden, omdat de productiekosten zijn gerelateerd aan het siliciumoppervlak dat wordt gebruikt. Gebruikmakend van bestaande en uitontwikkelde standaardprocessen en gereedschappen worden kleinere afmetingen en kleinere druppels dan goedkoper. Voor thermische printerkoppen is MEMS-technologie al lang gemeengoed. Voor piëzo-inkjetkoppen zit de crux in de integratie van piëzo-materiaal op siliciumwafers, maar daarvoor gaan de ontwikkelingen de laatste jaren steeds sneller. Bij de ColorWave 600-printkop bestaat het centrale deel uit apart gefabriceerde onderdelen: een kanalenblok uit grafiet, twee folies, twee actuatorplaten met piëzo-elementen en een nozzleplaat. Dit centrale deel meet ongeveer 10×10×40 mm. Ter vergelijking laat Océ-onderzoeker Hans Reinten een silicium chip zien van zo’n 25×5 mm. “Deze chip bevat dezelfde functionaliteit als het hartje van de grafieten printkop. Alleen moeten hiervoor zes aparte onderdelen in elkaar gelijmd worden om één printkop te maken en komen er honderd van deze chips uit een enkele wafer”, vertelt Reinten.

Tijdens zijn promotie-

6

onderzoek heeft Roger Jeurissen het gedrag van een

4

luchtbel in het inktkanaal gemodelleerd. De figuur

2

toont de stabiele en onsta0

biele evenwichtspunten 0

50 Straal [µm]

van een luchtbel (rood) in

100

het kanaal. In veel gevallen

verdwijnt de luchtbel naar buiten samen met de inkt, maar de bel kan ook in de hoek van het kanaal terechtkomen waar hij het printproces verstoort.

Micro

Megazine

7

Wafer met de nieuwe generatie printkoppen die bij Océ zijn ontwikkeld. Macro-opname van de nieuwe MEMS-printkoppen. De koperkleurige vierkante vlakjes zijn de piëzo-elementen, want ook deze nieuwe koppen gebruiken piëzo voor het actueren. Elk element komt overeen met één kanaal. Met slimme ontwerpstrategiën wordt een zo hoog mogelijke nozzledichtheid nagestreefd.

De nozzle-kant van nieuwe

zijn stage drie maanden onderzoek gedaan bij Océ.” Segers deed zijn onderzoek aan een inkjetkop volledig gemaakt van silicium. Hoewel de huidige koppen in bijvoorbeeld de ColorWave 600 van grafiet zijn gemaakt (en de nozzleplaat van nikkel), wordt er binnen de R&D van Océ gewerkt aan een nieuwe generatie inkjetkoppen van silicium op basis van MEMS-technologie (zie kader). Met MEMS-technologie kunnen de kanaaltjes veel kleiner en dichter op elkaar gemaakt worden. Hierdoor worden de koppen nòg compacter en goedkoper en kunnen ze met hogere frequentie kleinere druppels jetten dan de huidige grafietkoppen. “Het probleem bij het observeren met infrarood is echter dat silicium een erg hoge brekingsindex heeft”, vertelt Segers. “Dat betekent dat relatief veel licht intern wordt gereflecteerd en niet naar buiten treedt, zodat je slecht kunt zien wat er gebeurt. Alleen wanneer de camera recht van onder tegen de nozzle en het siliciumplaatje aan kijkt, heb je daar geen last van. Zo is het inderdaad gelukt om met infraroodlicht naar een luchtbel in het inktkanaal van een werkende, niet-omgebouwde printerkop te kijken.”

MEMS-printkoppen. De spuitmondjes zijn nog net te zien.

Student Tim Segers van de Universiteit Twente heeft tijdens zijn stage

A

1

Piezo actuator Inktstroom 2

bij Océ gekeken of luchtbellen ook in de MEMS printkoppen een probleem kunnen worden. Hij gebruikte een

3

infrarood camera en infrarood lichtbron, omdat daarmee door silicium kan worden gekeken. Zijaanzicht (A) en onderaanzicht (B)

4 Nozzle wafer

5

B

van een MEMS-inktkanaal. De inkt

Segers belichtte de luchtbel met stroboscopisch infraroodlicht en kon zo het gedrag van de luchtbel in het silicium inktkanaal filmen. Doordat de silicium MEMS-printkop zoveel kleiner is dan de huidige inkjetkop van grafiet, gebeurt de belangrijkste fysica nu op kortere lengte- en tijdschalen. De frequenties zijn hoger, de bellen zijn kleiner en lossen daardoor sneller op. Tegelijk met de infraroodopnamen registreerde Segers ook het akoestische signaal via het piëzo-element. “Door dit signaal te vergelijken met wat we zien in de stroboscopische opnamen met de infraroodcamera, kunnen we de bel en het effect op de kanaal-akoestiek precies beschrijven. Het belangrijke verschil met het kijken door een kunstmatige glazen doorvoer is dat de geometrie niet is veranderd ten opzichte van de werkelijke situatie. We zijn nu bezig om het akoestische signaal te vergelijken met de gegevens van numerieke modellen.”

stroomt van bovenaf het kanaal in (1) en komt via de actuatiekamer (2)

2

3 4

5

in de doorvoer (3). Aan het einde van de doorvoer bevindt zich een trechter (4) en de nozzle (5).

Segers vond dat door de hoge brekingsindex van silicium (n ≈ 3.4) de kritische hoek tussen lucht en Si ongeveer 17° is. Hierdoor werken bijna alle schuine vlakken als een spiegel voor het infrarode licht. In de figuur is te zien hoe een printkop werd aangepast om met infrarood licht toch in de trechter te kunnen kijken.

8

Micro

Megazine

Nozzleplaat 54.7˚ Infrarood camera

Druppelvorming Na het onderzoeken van het inhappen van luchtbellen, begon Van der Bos in 2008 ook de vorming van de inktdruppels onderaan de nozzle te bestuderen. Na een korte terugtrekking van de meniscus komt de inkt met een pieksnelheid van zo’n vijftien tot twintig meter per seconde uit de nozzle. Die hoge snelheid duurt maar heel kort. Enkele microseconden later is de inktsnelheid in de nozzle al weer naar binnen gericht. Er ontstaat een langgerekte inktstaart met aan de voorkant een ronde kop. Die staart begint in te snoeren en breekt op een gegeven moment af. Als het goed is, haalt de staart de ronde kop vervolgens in, waarna ze samensmelten tot één enkele, perfect bolvormige inktdruppel. Bij het afsnoeren van de druppels is de oppervlaktespanning de drijvende kracht. Maar deze wordt tegengewerkt door de traagheid en de viscositeit van de inkt.

abstract

Research into inkjet printheads for a faster, smaller and more accurate production of droplets Hoge snelheid vs hoge resolutie Van der Bos gebruikte drie optische technieken om deze druppelvorming te onderzoeken: hogesnelheidsopnamen, stroboscopische opnamen met een lagesnelheidscamera en ten slotte single-flash-opnamen. Met een hoge snelheidscamera kun je volgen hoe een enkele druppel zich ontwikkelt. Hoewel deze camera de druppelbeweging goed bevriest in het beeld, is het nadeel dat de cameraresolutie minder is dan die van een lagesnelheidscamera waardoor je niet zulke precieze details ziet. Voor processen die experimenteel perfect herhaalbaar zijn, is het in sommige situaties beter om een lagesnelheidscamera te gebruiken. Zo kan je één nozzle duizend druppels laten maken en die met een stroboscoop belichten. Door de stroboscoop met precies dezelfde frequentie te laten flitsen als de druppelfrequentie, kan je allemaal bijna-gelijke beelden van de druppel maken. Al die beelden kun je vervolgens combineren tot een hoogcontrastplaatje dat de optelsom is van duizenden druppels. Maar omdat die druppels zich vrijwel precies hetzelfde gedragen, staat het resultaat model voor een hoogcontrastopname van de beweging van één enkele druppel.

In the race for an ever faster inkjet printer with an even higher resolution, scientists at printer manufacturer Océ and the Twente University in the Netherlands, have a joint research programme. Océ is one of the world’s leading manufacturers of professional high speed and large format printers as used in the field of engineering, architecture and advertising. Their ColorWave 600 can print up to two sheets of A0-format a minute in with a resolution of 300 DPI! For almost ten years now scientists have been looking at very close range at minute droplets. Using acoustical and optical equipment (such as the unique Brandaris 128 high speed camera) they succeeded in visualising how extremely small air bubbles manage to get into the ink channel. By alternating the use of the piezo element between actuator and microphone, combined with the smart use of IR-equipment to look through silicon, they managed to get a live recording of the behaviour of an air bubble trapped inside a printhead. For further information, please contact: Hans Reinten (Océ), e-mail [email protected], or Arjan van der Bos (UTwente), e-mail [email protected]

Zes nanoseconde laserflits Ten slotte gebruikte Van der Bos ook nog de zogeheten singleflash-technologie. Hierbij wordt de druppelbeweging belicht met zo’n sterke en korte lichtflits dat je een perfect stilstaand beeld krijgt. Van der Bos gebruikt hiervoor laserlicht met een belichtingstijd van zes nanoseconde. Van der Bos: “Door deze drie verschillende technieken te gebruiken, proberen we op elk punt in de druppel de snelheid te bepalen. Door dit op verschillende momenten na elkaar te doen krijg je een gedetailleerd beeld van de druppelvorming en het insnoerproces. Een van de fenomenen die we hiermee beter willen begrijpen, is het opbreken van de staart in meerdere satellietdruppeltjes. Dat is een ongewenst proces dat in de praktijk kan optreden wanneer je naar steeds hogere druppelfrequenties en naar steeds kleinere druppels streeft.” De langdurige samenwerking tussen Océ en de Universiteit Twente heeft veel nieuwe inzichten opgeleverd, vindt Océonderzoeker Hans Reinten. “Vooral het kwantificeren van parametergebieden, anders gezegd welke combinaties van parameters bij welke verschijnselen optreden, is heel nuttig bij het ontwerpen van nieuwe inkjetkoppen. Het onderzoek dat wij zelf doen, is toch altijd wat meer fenomenologisch en pragmatisch van aard. De Universiteit Twente kan daar een fundamentelere onderzoekscomponent aan toe voegen. We weten nu veel beter dan tien jaar geleden welke mechanismen een rol spelen bij het inhappen van lucht, het gedrag van luchtbellen in de printkop en de druppelvorming zelf”

Infrarood opname van Segers met de microscoop loodrecht op de nozzleplaat richting piëzo-element. Het toont de nozzle van 2 naburige kanalen, de trechter en het daarachter gelegen doorvoerkanaal. In de achtergrond van het plaatje is ook nog de piëzo waar te nemen. Om de doorvoer heen is een lijmrand te zien.

Kijkend met een infraroodcamera in een actief printkanaal kon een luchtbel waar worden genomen. De opname laat zien hoe de luchtbel in het doorvoerkanaal tegen de lijmrand wordt

De promotie van Van der Bos staat gepland voor eind 2010.

gedrukt.

Micro

Megazine

9

Zelf-assemblage voor microsyste Doe-het-zelf in Delft

Fabricagetechnieken die worden toegepast op silicium, maken het mogelijk om grote hoevelheden kleine componenten batchgewijs te produceren. De assemblage van deze kleine componenten is vervolgens een serieel proces. Assemblage wordt meestal gedaan met pick & place-apparatuur. Hogere productiesnelheid kan worden bereikt door het inzetten van meer machines, maar de kosten per geplaatste component nemen daardoor niet af. Zelf-assemblage, of autonome assemblage, is een veelbelovende oplossing; zijn grote hoeveelheden componenten te organiseren met een minimum aan inspanning per component?

10

Micro

Megazine

men: sneller, goedkoper, kleiner Chips en micro-onderdelen voor MEMS worden in hoog tempo gefabriceerd, vaak batch-gewijs op wafers met honderden tot wel duizenden identieke stuks tegelijk. De lithografiemachines van ASML bijvoorbeeld worden niet alleen ontworpen op een adembenemende nauwkeurigheid, maar ook op een duizelingwekkende doorvoersnelheid. Zijn de losse componenten gereed, dan stokt het proces soms. Want om te worden geassembleerd tot een microsysteem moeten de verschillende componenten stuk voor stuk nauwkeurig bij elkaar worden gebracht. Pick & place-apparatuur bepaalt dan de pas en het productieproces gaat in een lagere versnelling. Deze bottleneck in de microsysteem productie heeft diverse onderzoekers aangezet tot een zoektocht naar snelle alternatieven met behoud van de nauwkeurigheid. Op de TU Delft proberen ze met zelf-assemblage de componenten zelf het werk te laten doen. door Hans van Eerden abstract

Bij de Faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalwetenschappen (3mE) van de Technische Universiteit Delft zijn dit soort uitdagingen – componenten snel èn nauwkeurig positioneren – een kolfje naar de hand van de Afdeling Precision & Microsystems Engineering (PME). Daarbinnen heeft de Micro & Nano Engineering groep van prof. dr. Urs Staufer de focus van het onderzoek aan productietechniek verlegd van klassieke werktuigbouwkundige productietechnieken in de richting van kleine schaal componenten en extreme precisie. Micro- en nano-assemblage staan daarom nu op het menu van de Delftenaren, vertelt dr.ir. Marcel Tichem. Daarbij zijn ze, vanuit hun werktuigbouwkundige inborst, niet primair geïnteresseerd in het maken van een paar prototype demonstrators, maar in het ontwikkelen van functioneel complete systemen, die kunnen worden vervaardigd in een industrieel proces. Ice gripper Het micro-assemblage onderzoek in Delft richt zich op nieuwe concepten. Zo is er onderzoek verricht naar een zogenoemde ice gripper, die componenten kan oppakken door ze snel aan zich vast te laten vriezen en ze door snelle opwarming op een andere plek weer kan loslaten. Een ander verrassend ingenieus en aan assemblage verwant concept werd ontwikkeld in het onderzoek naar de uitlijning op submicroschaal van glasvezels met behulp van een MEMS-device (Micro-Electro Mechanisch Systeem). In een vervolg hierop wordt momenteel gewerkt aan de uitlijning van optische chips tot op 0,1 micrometer nauwkeurig.

Self-assembly of Microsystems: good design + the right vibrations When it comes to quantities the production of parts of microsystems such as MEMS is a matter of thousands rather than hundreds. Wafersteppers are not just known for their precision, but also for the phenomenal speed of production. Once the individual components have been manufactured, the production process may slow down considerably or even cease, because the various components have to be put together with care and precision. Pick & place equipment sets the pace and the result is a production process at a lower speed. This problem of efficiency has caught the attention of quite a few scientists who subsequently started looking for alternatives. Delft scientist Iwan Kurniawan spent his PhD-research finding a solution and he’s got something to show for it: a method whereby the components assemble themselves. All it takes for a successful self-assembly is a well designed electrostatic force pattern on a wafer and the right vibrations. For further information about this subject, please contact: Dr Marcel Tichem, e-mail [email protected], or Iwan Kurniawan M.Sc, [email protected]

Toen MicroNed zich aandiende, werd vanuit de universiteit het onderwerp ‘nieuwe assemblageconcepten’ aangedragen voor het cluster Micro Factory. Dat resulteerde in het werkpakket Micro Assembly, met Tichem als coördinator. Onder zijn hoede ging Iwan Kurniawan werken aan zelf-assemblage. De bachelor Mechanical Engineering van het befaamde ITB > Micro

Megazine

11

Adhesive rim

BAW-filter chip

Cap 950 x 500 µm

300 µm Cap 950 x 500 µm

380 µm Cap 950 x 500 µm

Een MEMS-wafer bevat chips met structuren die moeten kunnen bewegen. Derge-

in Bandung (Indonesië) had voor zijn master-opleiding in Delft al onderzoek gedaan aan de ice gripper. In 2005 startte hij zijn promotie-onderzoek in het MicroNed-project Batch-assembly of hybrid microsystems dat is gewijd aan een alternatief voor de conventionele pick & place in het assemblageproces voor microsystemen.

lijke structuren fungeren bijvoorbeeld als een (mechanisch) filter. Daarnaast is er op de wafer electronica geïntegreerd. Om het mechanische deel te beschermen, wordt er alleen over dat deel een kapje (“cap”) geplaatst. Het electronica deel blijft zo toegankelijk voor het aanbrengen van de electrische contacten.

Beschermkapje, 250 μm dik

BAW-filter wafer

Lijmrand

Dwarsdoorsnede van een MEMS-chip met een beschermkap, geplaatst op een dun randje lijm voor het hermetisch afsluiten van de kwetsbare MEMS-structuur.

Concept van de in Delft onderzochte zelf-assemblage methode. Na te zijn losgezaagd van de wafer, worden de te assembleren chips losgemaakt van het zelfklevende membraan (zgn. dicing tape), en met hoge snelheid heel onnauwkeurig verspreid over een zogenoemde uitlijndrager. Op deze drager vindt de autonome uitlijning van de chips plaats. Daarna zijn ze in een nauwkeurig en regelmatig patroon op de drager gepositioneerd. Vervolgens worden alle chips in één handeling (als batch) overgezet naar de wafer waarop ze moeten worden geassembleerd.

12

Micro

Megazine

Concepten voor micro-assemblage Er bestaand verschillende concepten voor micro-assemblage, schetst Tichem bij wijze van aftrap. Het al genoemde pick & place is een voordehandliggende oplossing, maar dat wil niet zeggen dat het altijd eenvoudig werkt. Welke problemen er sowieso kleven aan het nauwkeurig plaatsen van componenten, was te lezen in het vorige nummer van MicroMegazine, waar stuiterende componenten en slimme constructies om dat stuiteren te onderdrukken de revue passeerden. Maar dat betrof een TNO-onderzoek (in hetzelfde MicroNed-werkpakket) naar het plaatsen van componenten op een printplaat. Een andere optie voor assemblage is het gebruikmaken van zogenoemde product-internal assembly functions, vervolgt Tichem, ofwel het inbouwen van assemblagefuncties in het product zelf. Een voorbeeld daarvan is het al eerder genoemde instrument dat zijn groep ontwikkelde voor de uitlijning van glasvezels. En zo zijn er wel meer slimme methoden te bedenken met elk hun eigen trucjes voor het assembleren van bepaalde componenten. Maar het zoeken was natuurlijk naar een meer generieke methode. Zo kwam Kurniawan op de gedachte om niet een slimme constructeur maar de natuur zelf (lees de componenten) het werk te laten doen. Oftewel, zelfassemblage. Pitch Het beeld daarbij was dat van twee verschillende componenten van een MEMS, die elk op hun eigen wafer worden geproduceerd en dan tot losse stukjes worden gezaagd om te worden geassembleerd. Wanneer de chips op de wafers dezelfde afmeting hebben en dezelfde pitch (de vaste afstand tussen de identieke componenten op een wafer), zou je kunnen volstaan met het op elkaar plakken van de wafers (wafer-to-wafer bonding), en vervolgens de zo geassembleerde microsysteempjes los te zagen. Voor praktische toepassingen was dit blijkbaar wat al te gemakkelijk bedacht, omdat bijvoorbeeld de pitches van beide wafers meestal niet overeenkomen. Maar de basis voor een werkbaar concept was met dit idee wel gelegd. Want wanneer je nu een van beide wafers verzaagd tot losse componenten, kun je die vervolgens op een uitlijndrager (een wafer met speciale voorzieningen om componenten uit te kunnen lijnen) rangschikken met de pitch van de andere, nog ongezaagde, wafer. In dat geval passen de componenten wel paarsgewijs op elkaar en kunnen in één klap honderden tot wel duizenden stuks worden geassembleerd.

Voorbeeld van een pick & place-machine zoals wordt gebruikt in de electronicaindustrie voor de assemblage van MEMS en halfgeleiders. Promovendus Iwan Kurniawan gebruikte deze machine bij het

Elektrostatisch De grote uitdaging is dan om die losse componenten op de uitlijndrager heel efficiënt en zo nauwkeurig uit te lijnen, dat ze perfect passen op hun wederhelften in de ongezaagde wafer. Dit nu was in 2005 de uitdaging voor Iwan Kurniawan. Zijn idee was om elektrostatische krachten toe te passen. Als uitlijndrager gebruikte hij een silicium wafer, waarop een patroon van elektrisch geladen vlakjes werd aangebracht waarlangs de componenten zichzelf moesten positioneren. Het oppervlak van de wafer bestaat uit SiO2, een materiaal dat elektrisch kan worden opgeladen en zijn lading kan vasthouden. Onder invloed van die lading zullen componenten die boven het oppervlak worden gebracht polarisatie gaan vertonen, waardoor componenten en oppervlak elkaar zullen aantrekken. Wanneer de uitlijndrager bijvoorbeeld positief is, dan wordt door polarisatie het deel van de chip dat zich het dichtst bij de uitlijndrager bevindt, negatief geladen en het deel dat het verst verwijderd is, wordt positief geladen. Netto is de lading van de component nog steeds nul, maar omdat de elektrische aantrekking danwel afstoting afhangt van de afstand (kleinere afstand, grotere kracht), zal de +/- aantrekking sterker zijn dan de +/+-afstoting. Netto is er dus toch een aantrekking. Eventueel kunnen de uitlijndrager en de chips worden voorzien van de tegengestelde lading, om de aantrekkingskracht nog wat te vergroten. De plekken waar de chips zich niet moeten gaan nestelen, worden bedekt met een geaarde aluminiumlaag, die geen lading vasthoudt en dus geen aantrekkingskracht op de componenten zal uitoefenen. De wafer vertoont zo een schaakbordpatroon van oplaadbare SiO2-velden gescheiden door ladingsneutrale Al-vlakken. Componenten worden losjes gedeponeerd op de geladen wafer, die vervolgens in trilling wordt gebracht. De componenten gaan daardoor aan de wandel totdat ze op een gewenste positie door de elektrische aantrekkingskracht worden ingevangen.

Oostenrijkse bedrijf Datacon voor een aantal van zijn experimenten.

In een typisch pick & place-procedure

Indien de chip niet juist is georiënteerd

wordt een chipje van de gezaagde

voor de assemblage, wordt de chip

wafer, die vastgeplakt zit op de

door een rotatie-unit omgekeerd (zgn.

blauwe dicing tape, van onderaf los-

chip flipping).

geduwd en van bovenaf met een vacuumpipet meegenomen.

Vervolgens wordt de chip opgepakt

In de laatste stap wordt het chipje op

met een tweede vacuümpipet.

het uiteindelijk substraat geplaatst.

Experimenten met de eerste silicium uitlijndrager, waarbij alleen gebruik werd gemaakt

Tweedehands laserprinter Met frisse moed ging Iwan Kurniawan dit concept uitwerken. Op www.marktplaats.nl kocht hij een tweedehands laserprinter waaruit hij de elektrostatische oplaadunit sloopte. In een printer laadt deze unit een drum op met de af te drukken afbeelding; de elektrostatische lading trekt de toner aan en brengt die over op het papier. Kurniawan maakte er een apparaat van dat met een zogeheten corona-ontlading de uitlijndrager (en eventueel ook de componenten) van lading voorziet, als een soort ‘ladingsdouche’. Nadat hij met deze opstelling het principe had bewezen, ging hij over tot het bouwen van een professioneler corona-apparaat. Vervolgens bouwde hij een opstelling die een uitlijndrager met daarop losgestrooide componenten tot vibratie kan brengen. De uitlijndrager met het gewenste patroon, in eerste instantie voor 5 x 5 componenten, liet hij maken bij DIMES, het Delfts Instituut voor Micro­ systemen en Nanoelectronica. >

van elektrostatische lading.

Detail van 2e uitlijndrager. Op iedere positie waar een chip moet worden uitgelijnd, heeft Kurniawan een patroon van sleufjes aangebracht. De chips heeft hij voorzien van pootjes die precies op de sleufjes passen. In het midden van dit patroon bevindt zich een dunne laag siliciumdioxide (SiO2) waar electrostatische lading op wordt aangebracht.

Micro

Megazine

13

Voor zijn experimenten bouwde Kurniawan een oplaadunit waarmee de SiO2-vlakken op de uitlijndrager door met behulp van een Corona-draad konden worden voorzien van een electrostatische van lading.

Working principle:

Niet alleen de uitlijndrager is voorzien van een dunne SiO2-laag, ook de chip. De geometrische kenmerken (voetjes op de chips, ruimtes op de carrier) zijn complementair, ze passen perfect op elkaar. De SiO2-

patronen worden van tegengestelde lading voorzien, zodat de chips worden aangetrokken naar hun optimale positie op de uitlijndrager. De geometrie zorgt er voor dat de chip maar op één manier en nauwkeurig kan uitlijnen op de wafer.

Een belangrijke voorwaarde voor het zelf-uitlijnen van micro-componenten met behulp van electrostatische velden is dat de chips in beweging worden gebracht ten opzichte van de uitlijndrager. Anders zullen de chips namelijk “vastplakken” aan het oppervlak van de uitlijndrager. In het Delftse onderzoek wordt gebruik gemaakt van een eenvoudige trilplaat die voor vibratie in verticale richting zorgt.

Detailopname van een wafer met chips met het SiO2-vlak en de vier symmetrisch geplaatse uitlijn-

Naïef Even de experimenten uitvoeren en het concept zou zijn gedemonstreerd, zo had Kurniawan bedacht: “In het begin was ik naïef en dacht ik dat elektrostatica de klus zou kunnen klaren.” Dat bleek echter helemaal niet het geval. Er werd een ruwe positionering van de componenten verkregen, maar de vereiste nauwkeurigheid liet zich niet zien. De verklaring daarvoor werd, bij nadere beschouwing, gevonden in het verloop van het elektrisch veld boven de geladen drager. In verticale richting is er een sterke aantrekkingskracht – je kunt de drager op z’n kop houden en de componenten vallen er niet af – maar in horizontale richting kent het veld slechts een lichte gradiënt. Gevolg is dat de componenten – als een magneet op een magneetbord –niet zonder meer exact op hun doelpositie worden gefixeerd. Pootjes Kurniawans oplossing voor de benodigde fijnpositionering werd in geometrische termen geformuleerd, met een dummy chip, die – al dan niet voorzien van pootjes op de hoeken – precies in een bepaalde vorm op de uitlijndrager past. Daarvoor moest weer een nieuwe uitlijndrager worden gemaakt, maar nu met uitsparingen die corresponderen met de pootjes op de chips. Deze oplossing bleek in experimenten wel beter te werken – elektrostatisch aangetrokken, klikken de chips als het ware exact in de juiste positie – maar toen diende asymmetrie zich aan als de volgende horde. Een symmetrische component komt wel op de goede plek terecht, maar niet per definitie in de goede oriëntatie. Dus moesten zowel de uitlijndrager als de chip worden voorzien van een asymmetrisch patroon; bij de uitlijndrager gaat het om een patroon van uitsparingen en bij de chip om een patroon van pootjes. Zo toog Kurniawan weer naar DIMES voor een nieuwe drager. Het bleek uiteindelijk de moeite waard, want de onderzoeker kon een paar mooie experimenten uitvoeren. Videobeelden tonen dansende componenten die allemaal – de een iets sneller dan de ander als gevolg van het toevalskarakter van het proces – vanzelf de juiste positie opzoeken.

pootjes.

Snapshots van verschillende momenten uit het uitlijnproces met chips met symmetrisch geplaatste pootjes. In ongeveer 15 seconden lijnen de 16 chips uit. De uitlijntijd is onafhankelijk van de batch-grootte.

14

Micro

Megazine

Haalbaarheid De componenten, bijvoorbeeld silicium beschermkapjes die over een elektronisch circuit op een wafer moeten worden geplaatst , worden in Kurniawans concept niet alleen gepolariseerd (door het geladen waferoppervlak) en in sommige gevallen zelf elektrisch opgeladen, maar gaan ook nog eens lekker stuiteren. Wat betekent deze hardvochtige behandeling voor de praktische haalbaarheid? “Mechanisch zie ik geen probleem, maar elektrisch kan polarisatie of oplading zeker schade veroorzaken. Mijn methode zal niet geschikt zijn voor elektronische chips, maar wel voor optische of mechanische componenten”, stelt Kurniawan. Overigens hebben de Delftenaren al gewerkt aan een alternatief voor de elektrostatische positioneringskracht. Omdat voor

dat alternatieve concept een patentaanvraag loopt, kunnen ze er in dit stadium niets over loslaten. En over financiële haalbaarheid gesproken: in voorkomende gevallen moet een chip nog steeds worden aangepast, bijvoorbeeld voorzien van pootjes, om een nauwkeurige positionering te bereiken. Dat is niet gratis, erkent Kurniawan, maar zelf-assemblage bespaart wel de inzet van een pick & place-machine en versnelt het productieproces, daarom verwacht hij dat het zich kan lonen. “Trouwens”, zegt Kurniawan, “we hebben ook een configuratie ontworpen waarbij alleen op de uitlijndrager een geometrisch patroon is aangebracht, maar waar de chips niet hoefden te worden aangepast.”

Deel van een gezaagde wafer met de asymmetrische chipjes.

De geometrie van de vorige chip staat nog steeds vier verschillende oriëntaties toe,

Vervolg Een eerste spin-off van Iwan Kurniawans onderzoek was een vervolgproject dat vorig jaar werd gefinancierd vanuit het MEMSland-programma van Point-One. Daarin paste hij zijn concept toe op een concrete productiestap, het bevestigen van beschermkapjes op een wafer met MEMS-chips. De wafer met chips en de uitlijndrager werden beschikbaar gesteld door het bedrijf NXP en de experimenten werden uitgevoerd bij Datacon Technology in Oostenrijk, waar een plaatsingsmachine werd gebruikt voor de pre-positionering. De afmetingen van de chips waren kleiner dan van de modelsystemen die in Delft waren gebruikt en dat bleek weer zijn eigen problemen met zich mee te brengen. “Vanwege de elektrostatische lading die altijd wel aanwezig is, wilden de chips na het oppakken niet meer loskomen van het vacuüm pipet, omdat de invloed van de zwaartekracht door hun lage gewicht te gering was. Na het oppakken weer losblazen werkte eerst ook niet, omdat de al eerder geplaatste chips dan werden weggeblazen”, vertelt Kurniawan. Bij Datacon hadden ze dit nog niet eerder meegemaakt, omdat hun machines componenten altijd op soldeerpasta of op lijm plaatsen. Kurniawan: “Door de chips verder uit elkaar te plaatsen, kregen we bij de eerste experimenten met de uitlijning van 240 stuks toch een opbrengst van ruim 80 tot wel boven de 95 procent. Maar in de praktijk is dit zeker nog een uitdaging.”

omdat de positie van de vier pootjes symmetrisch is. Bij deze chip zijn twee van de vier pootjes dichter bij elkaar geplaatst, waardoor die vrijheid wordt beperkt en er nog maar één mogelijke positie overblijft.

Close-up van een alternatief ontwerp voor de uitlijndrager. Hierbij zijn er op de drager op bepaalde plekken selectief veel pootjes aangebracht, waardoor er elders op de uitlijndrager uitsparingen ontstaan op de plaatsen waar de chips moeten worden gepositioneerd. Ook hier worden de chips elektrostatisch geladen. Hierbij is het niet nodig geometrische kenmerken op de chips aan te brengen; door de trillingen komen de chips vanzelf in de uitsparingen terecht. Hiermee is een belangrijk nadeel van het eerdere ontwerp weggenomen. In dit nieuwe ontwerp hoeven de chips niet te worden aangepast, alleen de uitlijndrager.

Verdere spin-off had het onderzoek richting het onderwijs in Delft. Studenten droegen hun steentje bij aan het ontwerp van de uitlijndrager, bij de bouw van het corona-ontladings­ apparaat en bij de metingen aan de aangebrachte lading. Tichem gebruikt de kennis en de opgedane ervaring uit deze zelf-assemblage-projecten als leerstof in zijn colleges. “Ook via de jonge professionals in de dop zullen nieuwe technieken als deze hopelijk hun ingang vinden in de industrie.”

Close-up van pootjes rond de uitsparing (het SiO2-vlak) op de uitlijndrager.

Conclusie Inmiddels zijn de onderzoekers vijf jaar verder sinds de start van het MicroNed-project. Ze hebben fraaie voorbeelden van > Micro

Megazine

15

Chip2Foil Snapshots uit het uitlijnproces met het tweede ontwerp van de drager, waarbij de chips geen uitstekende vormen hebben. De 25 chips waren in ongeveer 15 seconden uitgelijnd.

Hetzelfde uitlijnconcept is toegepast op een industriële casus: het

De Europese Unie ziet in ieder geval toekomst voor het concept. Vorig jaar werd vanuit het Zevende Kaderprogramma een subsidie toegekend aan Chip2Foil (www.chip2foil. eu). In dat project gaat het om het aanbrengen van UTC’s (ultradunne chips) op folie, voor de productie van microsensoren. De toepassingen liggen onder meer in systemen voor de gereguleerde medicijnafgifte, de zogenoemde smart blisters, en in slimme verpakkingen die bijvoorbeeld de versheid van de verpakte etenswaren kunnen aangeven. Dr.ir. Tichem is de coördinator van dit Europese project. Hij beschouwt de honorering door Brussel als een resultaat van het zelf-assemblage-onderzoek. Zelf-assemblage lijkt bij uitstek geschikt voor extreem kleine componenten; ze worden snel tussen chips en circuits op de folie gepositioneerd, waarna de elektrische verbindingen ertussen worden geprint. Partners in het project zijn het Holst Centre (voor de elektrische interconnectie), IMEC (voor de UTC’s en betrouwbaarheid), DSM (voor de folie en de toepassingen), Datacon (voor de chip-handling), Orbotech (voor optische inspectie) en Plastic Electronic (voor de mechanische chip-bonding). Zo heeft de Delftse groep zijn onderzoekspartners goed opgelijnd. Nu die ongrijpbare componentjes nog.

plaatsen van beschermkapjes op een MEMS-wafer. De snapshots van het uitlijnproces laten zien hoe 50 kapjes in ongeveer 5 seconden worden uitgelijnd. De kapjes hebben afmetingen in de orde van 500 x 900 µm.

De Smart Blister is een toepassing waar zeer dunne chips in grote aantallen op een folie worden geplaatst, liefst in een reel-to-reel productiemethode. In het kader van het door het EU 7e KaderProgramma gefiClose-up van de MEMS-wafer bij Datacom, waarop de kapjes moesten worden

nancierde project Chip2Foil wordt in Delft bij PME onderzocht op welke

geassembleerd.

wijze zelf-assemblage een rol kan spelen bij het in hoog volume en tegen lage kosten uitvoeren van dit proces. Zie www.chip2foil.eu.

16

Micro

Megazine

zelf-assemblage laten zien, maar ondervonden ook de weerbarstigheid van de materie. Die ervaring delen ze met collegaonderzoekers in onder meer België (IMEC in Leuven) en Finland, die met vergelijkbare concepten aan het stoeien zijn. Tichem en Kurniawan zien in ieder geval perspectief voor hun benadering. Tichem: “In de praktijk is één van de haalbare implementaties op kortere termijn het combineren van pick & place en zelfassemblage.” Met pick & place zouden componenten dan snel, maar onnauwkeurig naar de gewenste positie worden gebracht, waarna zelf-assemblage snel de finishing touch moet aanbrengen door middel van nauwkeurige uitlijning.

Wafer met chipjes, de beschermkapjes die op de MEMS op bovenstaande wafer moeten worden geplaatst.

Voornadere informatie over dt onderwerp kunt contact opnemen met: Dr.ir. Marcel Tichem, e-mail [email protected], of Iwan Kurniawan M.Sc, [email protected]

Een van de projecten die bij PME worden gedaan is het ontwerpen van een “ijsgrijper” en in samenwerking gebouwd met Integrated Mechanisation Solutions (IMS). Hier wordt een onderdeel supersnel met een druppelwater aan een

Micro-opname de uitlijndrager die werd gebruikt voor de proef bij Datacon. Het

grijper vastgevroren,

bovenste beeld toont de nog lege uitsparing., daaronder de uitsparing met uitge-

opgepakt en verplaatst.

lijnd beschermkapje. De speling die het kapje heeft ten opzichte van de uitsparing

Na snelle verhitting is

bepaalt de maximaal haalbare uitlijnnauwkeurigheid.

de verbinding weer gesmolten.

In een ander project, gefinancierd door IOP Precisietechnologie, wordt een chip met MEMS-structuren gebruikt voor het positioneren en fixeren van een optische glasvezel in 2 vrijheidsgraden met submicron-precisie. Op dit ontwerp is

Micro-opname van het gebied op de Datacom-MEMS-wafer, waar overheen het

een octrooi verleend.

beschermkapje moest worden geplaatst.

> Micro

Megazine

17

Een satellietzwerm als rad

waarbij een zwerm microsatellieten in een baan rond de maan cirkelt. Wanneer de satellieten zich aan de achterkant van de maan bevinden, kunnen ze zonder storende aardse signalen heel zwakke radiosignalen van verre sterrenstelsels detecteren en opslaan. Zijn de microsatellieten na zo’n twee uur weer aan de ‘voorkant’ van de maan, dan wordt de opgeslagen data naar het grondstation op aarde gestuurd. Deze generatie microsatellieten zullen gewoon in een baan om de aarde worden gebracht, om vervolgens op eigen kracht naar de maan te navigeren.

18

Micro

Megazine

Afbeelding: Steven Engelen/TU Delft

Artist impression van een toekomstige OLFAR-missie,

iotelescoop De TU Delft timmert al een aantal jaren aan de weg als het gaat om het bouwen en lanceren van kleine satellieten. Het MISAT cluster – onderdeel van het MicroNed programma – heeft daar een belangrijke impuls aan gegeven. Niet alleen bestaan er plannen voor de ontwikkeling van een satellietkolonie in de ruimte die dienst doet als radiotelescoop, maar ook is er nu al belangrijke spin-off. En het is nog lang niet afgelopen. De komende tien jaar liggen er nog genoeg vragen waar afstudeerders en promovendi hun tanden in kunnen zetten. Als kraamkamer voor MISAT heeft MicroNed de kleine Nederlandse ruimtevaart weer op de kaart gezet.

abstract

Swarms of Nanosatellites to act as radiotelescope

door Ruud Overdijk De ruimtevaartactiviteiten van de TU Delft zijn ontstaan vanuit de behoefte eens wat anders te doen, vertelt Chris Verhoeven van de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica EWI). “Elektronica en ruimtevaart is een interessante combinatie. Een aantal jaren geleden besloten we een kleine satelliet te bouwen ter grootte van een melkpak en met een gewicht van een paar kilogram, een zogenaamde cubesat. Het resultaat hiervan is de Delfi-C3, de eerste Nederlandse universiteitssatelliet die is gebouwd in samenwerking met de faculteit Lucht & Ruimtevaarttechniek (L&R).” De Delfi-C3 wordt een microsatelliet genoemd, maar is eigenlijke een nanosatelliet. Volgens de officiële definitie weegt een microsatelliet tussen de 10 en 100 kg en een nanosatelliet tussen de 1 en 10 kg. De ruim 2 kilo zware Delfi-C3 werd in april 2008 gelanceerd en draait nog steeds haar rondjes om de aarde. Met die eerste satelliet was het avontuur echter nog niet afgelopen. Men wilde meer en ging nadenken over de volgende mogelijke stappen. Al in 2003 was het idee gerezen om niet met één maar met een kolonie kleine satellieten te gaan werken (zie het artikel “Zwerm microsatellieten minder kwetsbaar” in Delft Integraal 2003-4). Een kolonie nanosatellieten zou minder kwetsbaar zijn dan een ‘gewone’ satelliet, zowel voor gammastraling en zonnestormen, als ook voor bezuinigingen. Een nanosatelliet is immers klein en licht en kan in de toekomst in massa worden geproduceerd. Met lanceerkosten van gemiddeld zo’n € 50.000 per kilo zijn nanosatellieten daardoor een vorm van ruimtevaart die zelfs voor Nederland betaalbaar is. De geringe omvang van de satellieten zorgt echter ook voor een probleem. Apparatuur in de satelliet heeft elektrisch vermogen nodig en produceert warmte die lastig af te voeren in het vacuüm van de ruimte. Beide vormen een beperkende factor voor kleine satellieten. Het is daarom niet mogelijk de satellieten steeds slimmer te maken door er allerlei processoren aan toe te voegen. Met andere woorden: nanosatellieten zijn wel klein maar ook beperkt in de intelligentie die ze aan boord hebben.

Delft University has been involved in micro spacecraft for a while. On 18th April 2008 Delfi- C3 it launched its first nanosatellite. It is still in orbit and in daily contact with its groundstation at Delft and radio-amateurs. Delfi-n3XT will be launched in 2011, equipped with a microthruster, a prerequesite for swarm flying. That is the next Delft project: sending out cubesats by the hundreds, all interrelating by radio to fulfill a task that is impossible on earth or even in the earth’s orbit: radio astronomy in the low frequency range to detect signals from the far away constellations. The spot: at the back of the moon. Autonomously flying about thrusted by minute ion-motors and navigating on pulsars. For further information, please contact: Chris Verhoeven, e-mail [email protected] or Erik-Jan van Kampen, e-mail [email protected], or Jeroen Rotteveel, e-mail [email protected]

Het reserve-vluchtmodel van de Delfi-C3 die al twee jaar trouw baantjes om de aarde draait. Meerdere malen per dag hebben het grondstation op de TU Delft maar ook radio-amateurs over de hele radiocontact met de microsatelliet.

Micro- en nano-satellieten zijn klein en licht, daarom is het in principe mogelijk ze in aanpaste geleide projectielen vanaf jachtvliegtuigen te lanceren. Dat bespaart eenmalig bruikbare lanceerraketten vanaf de grond. Ook is er minder energie nodig om ze in een baan om de aarde te krijgen: de luchtweerstand op grote hoogte is veel lager. Een nanosatelliet zou (Foto: internet)

Mierenkolonie Het programma Noorderlicht van de VPRO leidde tot het inzicht dat je ook met kleine, minder intelligente satellieten geweldige dingen kan doen. “In de serie “Dat willen wij ook” zagen >

zo precies kunnen worden gelanceerd wanneer hij nodig is (bijv. bij natuurrampen) en dan binnen 3 à 4 uur operationeel zijn.

Micro

Megazine

19

(Afbeelding: TU Delft)

Artist impression van de Delfi-n3Xt. De opvolger van de Delfi-C3, zal in 2011 nog op conventionele wijze worden gelanceerd. Hij wordt momenteel ontwikkeld en gebouwd door de projectpartners TU Delft, ISIS, TNO, SystematIC, NLR, Dutch Space en MicroNed. De nieuwe eigenschappen ten opzichte van de DelfiC3 zijn een volwaardig standhoekcontrolesysteem aan boord, een (experimentele) microstuwraket, nieuwe zonnecellen (testmodel) en een S-band-zender voor hogere datasnelheden.

Het gedrag van een zwerm nano-satellieten zal moeten worden gerealiseerd door

we in 2004 een aflevering over een mierenkolonie”, vertelt Verhoeven. “Daarin werd getoond hoe mieren gezamenlijk allerlei nuttige dingen doen, zonder dat ze daar zelf een besef over hebben. Dat bracht ons op het idee een satellietkolonie te ontwikkelen waarin de satellieten samenwerken.” “In de dierenwereld heb je veel kleine, niet zo intelligente dieren, die gezamenlijk toch heel veel weten te bereiken”, gaat Verhoeven verder. “Mieren, maar bijvoorbeeld ook bijen, leven in kolonies en werken daarin nauw samen. Als je nanosatellieten beschouwt als insecten, moet je in de insectenwereld kijken om een idee te krijgen over hoe ze zich zouden kunnen gedragen. Insecten zijn het meest effectief als ze in een zwerm zitten. Nanosatellieten zouden dus ook effectief een missie kunnen doen als ze in een zwerm opereren.” Dit inzicht leidde ook tot een idee over het soort missies waarvoor nanosatellieten bij uitstek geschikt zijn. Verhoeven: “Niet voor alle missies heb je veel satellieten nodig. Als dat niet het geval is, moet je dus geen zwerm hebben. Eén van de grote doorbraken van MISAT vind ik dat we hebben ontdekt dat nanosatellieten zijn te vergelijken met insecten en dat ze in zwermen moeten opereren. Door die constatering gaan we een ander soort ruimtevaart in.”

het toe passen van slechts enkele eenvoudige regels, zoals in de natuur. Neem een zwerm vogels: iedere vogel weet dat hij niet tegen zijn buurman aan mag vliegen, en niet tegen obstakels. Vliegt een zwerm bijv. voorbij een kerktoren, dan wijkt de hele zwerm uit, en wel op zo’n manier dat het gemiddeld de minste energie kost voor de vogels. Voor zover bekend hebben ze hierover niet gecommuniceerd. Puur uit de regels ‘botsingen vermijden’ en ‘zo min mogelijk energie verspillen’ heeft de

(Afbeelding: TU Delft)

zwerm het obstakel vermeden. Biologen noemen dit ‘emergent behaviour’.

Micro- of nanosatellieten in zwermformatie zullen uitblinken in zijn precies die gebieden waar gewone satellieten niet of nauwelijks kunnen komen, zoals ultra lage banen, instabiele banen en bijv. ver weg in te ruimte (asteroïde- en stralingsgordels). In feite elke baan waarvan de levensduur van het ruimtevaartuig naar verwachting kort zal zijn. Zwermen kunnen veel frequenter een bepaald gebied observeren en vanuit verschillende hoeken tegelijk. Bovendien kunnen micro- en nanosatellieten in extreem lage banen om de aarde hangen (100-150 km) waardoor ze dichter bij het te observeren doel kunnen komen. Echter, vanwege de hoge luchtweerstand zullen de satellieten in dergelijke banen niet zo’n lang leven hebben, afhankelijk van de zonnecyclus zo’n tien tot tachtig dagen. Omdat een zwermelement in principe wegwerp-materiaal is, maakt het niet veel uit.

20

Micro

Megazine

Ruimtetelescoop Denkend over het soort missie dat in aanmerking zo komen voor een zwerm nanosatellieten kwam Verhoeven uit bij de radioastronomie. Nederland heeft met de radiotelescoop in Dwingeloo (uit 1956) en de Westerbork Synthese Radio Telescoop (in 1970 in gebruik genomen) belangrijke bijdragen aan dit vakgebied geleverd. De nieuwste ontwikkeling is de LOFAR (LOw Frequency ARray) die in juni van dit jaar in gebruik is genomen. Bij radioastronomie probeert men radiosignalen uit het heelal te detecteren om op basis daarvan iets te kunnen zeggen over ontstaansgeschiedenis. Sinds de Big Bang is het heelal aan het uitdijen, maar we kunnen nog steeds signalen ontvangen uit de begintijd. Er zijn een paar satellieten die daar hele mooie plaatjes van maken. Van een bepaalde periode na de Big Bang is echter weinig waar te nemen. We weten wel dat er radiosignalen van waterstof moeten zijn, maar omdat het helaal uitdijt en die signalen zo lang onderweg zijn geweest is hun frequentie door de zogenaamde roodverschuiving sterk gedaald. Vanaf de aarde kunnen we door de atmosfeer niets waarnemen onder de 10 MHz. Om dergelijke signalen in de ruimte detecteren, moet je een ruimtetelescoop hebben met een heel groot oppervlak. Bij waarnemingen vanuit de ruimte, is er echter nog een tweede probleem: de aarde is een grote storingsbron. Uit waarnemingen van Explorer missies begin jaren zeventig blijkt dat je daar aan de achterkant van de maan geen last van hebt. De ideale plaats voor een grote ruimtetelescoop is dus achter de maan. En daarmee was het idee voor OLFAR (Orbitting Low Frequency ARray) geboren. “OLFAR bestaat uit een zwerm nanosatellieten die een oppervlak van 100 vierkante kilometer bestrijken”, zegt Verhoeven. “Gezamenlijk vormen ze een grote telescoop waarmee we

(SEM-foto: Courtesy of H. Shea, EPFL, http://lmts.epfl.ch)

sats hebben ionenmotoren. Hier een SEM-beeld van een enkele ionengenerator (hoog 70 µm met een binnendoorsnede van 20 µm). 19 generatortjes in een matrix vormen ze samen het elektrische motortje. Het is ontworpen (en met etstechnieken geheel van silicium gemaakt) door ir. R. Krpoun en dr. H. Shea van het Microsystems for Space Technologies Laboratory van de Ecole Polytechnique Féd. de Lausanne. De silicium kogeltjes in het capillaire buisje regelen de hydraulische impedantie. Een artist-impres-

(Afbeelding: Steven Engelen / TU Delft)

Plasmamotortje Het idee van een zwerm satellieten was geboren evenals de missie die ze zouden kunnen uitvoeren. Weten waarheen je de satellietenzwerm wilt sturen is één ding, maar de vraag hoe ze daar komen is iets heel anders. Verhoeven: “Geïnspireerd door de insecten hebben we bedacht dat ze zelf moeten vliegen. Dat kan met een plasmamotortje waaruit ionen met een hoge snelheid worden weggeschoten. Zo’n motortje geeft heel weinig kracht, maar kan wel heel lang blijven draaien. Het kan lang genoeg aanstaan om de satelliet in een jaar bij de maan te brengen.” Het vliegen op eigen kracht bleek ook andere voordelen te hebben. In de eerste plaats kan je de telescoop satelliet voor satelliet opbouwen. Je hebt geen groot en duur systeem nodig om bijvoorbeeld 50 satellietjes op een vooraf gedefinieerde plek af te leveren. Een tweede voordeel is dat ze veel flexibeler zijn als ze zelf kunnen vliegen, ook voor andere toepassingen. Je kunt er bijvoorbeeld een paar met een goedkoop optisch instrument 400 km boven de aarde laten hangen. Als er dan waarnemingen moeten worden gedaan, bijvoorbeeld na een ramp, zijn ze eenvoudig naar de juiste plaats te dirigeren.

van koelgasgeneratoren (zie MicroMegazine 3), cube-

sion van een toekomstige OLFAR-nanosatelliet met 5 meter lange dipool-antenne voor het opvangen van radiosignalen van verre sterrenstelsels. De zonnepanelen voeden, onder meer, de ionenmotoren die de satelliet van een aardse baan naar zijn uiteindelijke baan om de maan moeten brengen. Radio-telescopen, zoals de grote schotels bij Westerbork, richten zich op hogere frequenties

(Foto: Astron, Dwingeloo)

laagfrequente waarnemingen kunnen doen tussen 100 kHz en 30 MHz. Daarmee kunnen we niet alleen kijken naar een periode vlak na de Big Bang die bekend staan als de Dark Ages, maar ook naar aardachtige planeten buiten ons zonnestelsel. Daarnaast zouden we de sporen kunnen waarnemen van hoog energetische deeltjes in het heelal als ze inslaan in de maan. Met zo’n instrument in de ruimte kunnen we dus van alles doen.”

Vliegt Delft-n3Xt straks met een micro-stuwraket op basis

waarmee tot slechts een bepaalde tijd kan worden teruggekeken. Daarnaast kan daarmee ook naar hoogfrequente verschijnselen worden gekeken, zoals radiopulsars, sterrenstelsels, hete gaswolken, quasars, magnetars en gamma-ray-bursts (wanneer ze maar lang genoeg zijn uitgedoofd.) De nieuwe LOFAR-radiotelescoop richt zich op veel lagere frequenties (~10-240 MHz). Daardoor moet het oppervlak aanzienlijk veel groter zijn dan de schotel-radiotelescopen. Met interferometrische methoden worden dergelijke

(Afbeelding: J. K. Alexander et all. / NASA / 1975)

kleine telescopen samengevoegd tot één gigantisch virtueel instrument.

Pulsarnavigatiesysteem Als een satelliet zelf vliegt, moet hij ook weten waar hij is. Een tweede belangrijke uitbreiding is daarom een eigen navigatiesysteem. “Daarvoor is een heel exotische oplossing gevonden”, vertelt Verhoeven, “de radiopulsars. Pulsars zijn roterende sterren die een heel stabiele breedband radiosignaal uitzenden. Er zijn er zo’n 1700 geïdentificeerd die allemaal hun eigen signatuur hebben en hele goede timers zijn. Het zijn een soort elektromagnetische vuurtorens die je kan gebruiken om te navigeren.” Verschillende afstudeerders hebben al laten zien dat pulsars in principe bruikbaar zijn om te navigeren. Het bouwen van ontvangers en de apparatuur voor navigatie zal nog wel een aantal jaren in beslag nemen, maar daarna heb je ook voor gebruik op aarde een goed navigatiesysteem dat, afhankelijk van de behaalde nauwkeurigheid, in elke geval een goede backup voor het huidige GPS is. En je hoeft er geen satellieten voor in de lucht te houden, zoals met het huidige GPS en niemand kan het uitzetten of storen.

In 1968 lanceerde NASA de Radio Astronomy Explorer 1, de eerste laagfrequent-radiotelescoop in de ruimte om de achtergrondstraling te bestuderen. Direct ontdekte men dat de ionosfeer van de aarde zelf een hele hoop signalen uitstuurde. Dit was volkomen een onverwachte en zeer belangrijke ontdekking. Het was onmogelijk te

Dwalen Als nanosatellieten zelf kunnen vliegen en weten waar ze zijn, wordt de sky de limit”, zegt een enthousiaste Verhoeven. “Je kunt ze naar de maan sturen, maar ook ver weg om planeet­ onderzoek te doen. Of je kan ze gewoon laten dwalen en >

bepalen waar de radiosignalen vandaan kwamen, dus kon er geen beeld van worden gevormd. Juni 1973 lanceerde NASA de RAE-2 in een baan om de maan. Metingen gaven aan dat de achterkant van de maan volledig wordt afgeschermd van de aardse storing en het daar eindelijk mogelijk was laagfrequente metingen te doen. Door gebrek aan een directionele antenne werd er relatief weinig informatie verzameld.

Micro

Megazine

21

Een OLFAR-telescoop zal uit enkele tientallen nanosatellieten bestaan. Daarmee zijn er tientallen antennes beschikbaar om, verspreid in hun baan om de maan, te luisteren naar radiosigde de nanosatellieten aan de achterkant van de maan, dan slaan ze informatie over de ontvangen radiosignalen op en geven die vervolgens door aan de andere satellieten, waarna de data wordt gecorreleerd. Deze voorverwerkte data is veel minder omvangrijk dan de afzonderlijke datastromen van elke satelliet en daardoor veel gemakkelijker naar de aarde terug te zenden via de satelliet die op dat moment het dichtst bij de aarde staat. Dit is een aanzienlijke besparing op de anders benodigde bandbreedte van de zender en de energie die daar voor nodig zou zijn, want de afstand aarde-maan is erg groot. Dit is maar een van de scenarios; een alternatief is de satellieten de data die ze verzamelen zelf op te laten slaan en zelf naar de aarde te laten zenden. Pulsars zijn neutronensterren die met een erg hoge snelheid om hun as draaien en die extreem sterke elektromagnetische straling uitzenden. De ronddraaiende stralen, die regelmatig voorbij de aarde zwiepen, zijn te vergelijken met een vuurtoren. Elke pulsar heeft dan ook een eigen extreem stabiele rotatiesnelheid, vergelijkbaar met de meeste atoomklokken en daardoor zijn de pulsen te gebruiken

(Afbeelding: TU Delft)

nalen in het lage frequentiegebied. Zijn

wachten tot ze iets aardigs gevonden hebben. Ze kunnen bijvoorbeeld een aardscheerder vinden, daaraan vastklitten en via hun pulsarnavigatiesysteem telkens vertellen waar ze zitten. Of ze kunnen ruimteschroot opzoeken, zich daar aan hechten en dan het schroot langzaam richting aarde duwen tot het in de dampkring verbrand. Op die manier werken ze als anti-lichaampjes die de ruime schoonmaken. Als ruimteschroot echt een issue wordt kunnen de lanceerders gaan eisen bij elke lancering ook 20 van die antilichaampjes mee te nemen.” OLFAR is een ambitieus plan waarvoor nog heel veel moet gebeuren. Verhoeven: “Er moet aan voortstuwing, navigatie en attitude control van de satelliet (bepaling van de positie en de oriëntatie van de satelliet) worden gewerkt. Maar ook aan voldoende geheugen, lange afstandsradio, enzovoort. Al deze technologie willen we stap voor stap ontwikkelen en met afzonderlijke nanosatellieten testen. We schatten dat dit binnen 10 jaar moet kunnen. Voor het einde van deze decade moet Nederland een nanosatelliet naar de maan hebben gestuurd. OLFAR is het magnetische Noorden van ons kompas geworden.”

als tijdreferentie. Samen met het feit dat ook hun positities bekend zijn, besloten elektrotechnici aan de TU Delft om een speciale pulsar-navigatie-ontvanger te ontwerpen voor gebruik aan boord van nanosatellieten, waarmee het mogelijk is om positie, snelheid en acceleratie te bepalen, onafhankelijk van hun positie in het zonnestelsel. Een atoomklok meenemen is niet meer nodig omdat de pulsarssignalen net zo exact zijn. Voor ruimte-vaartuigen die diep het heelal ingaan en die dus zo licht mogelijk moeten zijn, met een zo laag mogelijk energieverbruik, komt dat goed uit. Dr.ir. Chris Verhoeven vond tijdens zijn promotie-onderzoek een nieuw type oscillator uit waarop indertijd een octrooi werd verleend. Zowel zenders als ontvangers gebruiken oscillatoren. Bijzonder aan Verhoeven’s ontwerp is onder meer de grote stabiliteit ervan. Een ander aspect is dat het slechts weinig onderdelen omvat, waardoor de robustheid toeneemt. Toen ir. Wouter Weggelaar tijdens zijn afstuderen bij het Delfi-C3 betrokken raakte, heeft hij een zend-ontvanger ontworpen op basis van deze oscillator. Zendzijde van de zend-ontvanger die ir. Weggelaar specifiek ontwierp voor de Delfi-C3 en die nu

Spin-off OLFAR kan een belangrijke impuls kan geven aan de Nederlandse ruimtevaart. Het is echter ook een project dat tal van afstudeerders en promovendi trekt en dat belangrijk spin-off kan hebben. Een bedrijf dat direct is voortgekomen uit de ruimtevaartactiviteiten aan de TU Delft en ook betrokken is bij MISAT is Innovative Solutions In Space( ISIS). “ISIS is een directe spin-off van Delfi-C3”, vertelt Jeroen Rotteveel, één van de directeuren. “Het bedrijf is in januari 2006 opgericht door vijf mensen uit het project management team en inmiddels zijn er 29 mensen in dienst.” De kerncompetentie taak van ISIS is “Space Systems Engineering”, ofwel het leveren van producten en diensten op het gebied van de ruimtevaart. Daarbij richt men zich vooral op micro- en nanosatellieten. ISIS levert producten als radiozenders en -ontvangers, antennes, grondstations, sensoren en complete satellieten (de zogenaamde cubesats). Dit zijn deels zelf ontwikkelde producten – al dan niet een spin-off van onderzoek aan de TU Delft – maar deels ook producten van andere leveranciers. Daarbij kan de klant zelf het pakket van satellietonderdelen en deelsystemen samenstellen dat hij wil kopen. ISIS levert de support op dat totale pakket.

dagelijks vanuit de ruimte contact maakt met het grondstation op de TU Delft. Het ruimtevaartuigje heeft twee zend-ontvangers aan boord, omdat het communicatie-systeem bij een satellietmissie cruciaal is voor het behalen van de missiedoelen. De zend-ontvangers bevatten extra circuits waardoor ze gelijktijdig ook als transponders kunnen fungeren. Ontvangen signalen worden daarbij direct weer uitgezonden, zonder tussenkomst van de boordcomputer. De lineaire transponders werken in de amateurbanden (downlink 145,870 Mhz / 2 meter band - uplink 435,550 Mhz / 70cm). Het bereik van de 100 mW zend-ontvanger is 650 km (recht overvliegend) tot 3000 km wanneer het satellietje aan de horzion staat. Radioamateurs wereldwijd maken op die manier al ruim twee jaar dankbaar gebruik van de Delfi-C3.

22

Micro

Megazine

Zendontvanger “Wij zien onze rol binnen de ruimtevaart vooral als systeem integrator”, zegt Rotteveel. “Wij plakken al die losse technologieën en apparatuur aan elkaar om er iets nuttigs mee te doen. Zo zien wij ook onze rol binnen MicroNed. Iedereen was bezig met de nieuwste technologieën, maar de lijm die alles aan elkaar verbindt tot iets wat maatschappelijk en commerciële relevantie heeft, ontbrak een beetje. Wij zetten de resultaten van MicroNed om in een verkoopbaar product dat we vervolgens gezamenlijk vermarkten. Dat is de grote uitdaging van een project als MicroNed: nieuwe technologie op het juiste moment implementeren in een goed product.” De zendontvanger van de Delfi-C3 is een mooi voorbeeld

Met de kennis die is opgedaan in het Delfi-C3project heeft ISIS een eigen zend-ontvanger ontworpen. De systeemarchitectuur is grotendeels gelijk gebleven, maar er zijn aanpassingen gedaan, zoals onder meer het weglaten van een conversie-stap voor de transponder, dat een specifiek missiedoel was van Delft- C3. De

van de manier waarop technologie ontwikkeld bij de TU kan doorstromen naar het bedrijfsleven. Het apparaat bevatte een nieuw innovatief type oscillator, dat is ontwikkeld naar een idee van Verhoeven. Wouter Weggelaar, nu werkzaam bij ISIS als engineer, werkte tijdens zijn afstuderen bij Verhoeven aan dit apparaat. “De zendontvanger functioneerde uitstekend – en doet dat nog steeds”, vertelt Weggelaar, “maar was wel geheel op de Delfi-C3 toegespitst.” ISIS is er middels een aantal kleine en grotere aanpassingen in geslaagd de zendontvanger om te bouwen tot een universele zendontvanger voor cubesats. Weggelaar: “We hebben bijvoorbeeld de connector waarmee hij is gekoppeld aan de overige elektronica in de satelliet vervangen door een cubesat compatibel type. En het voedingsgedeelte afgestemd op wat je normaal in cubesats vindt. Maar ook hebben we een geheel nieuw softwarepakket ontwikkeld. Zo is de snelheid waarmee hij data kan versturen nu vergroot en instelbaar gemaakt en kan de gebruiker nu kiezen uit verschillende modulatievormen voor het sturen van gegevens naar de satelliet. Voor ons is het nu een goed lopend product.”

transceiver werkt nog steeds op de amateurbanden. Andere veranderingen zijn de variabele datasnelheden bij verbindingen met grondstations. De huidige ISIS-zend-ontvangers zijn voorzien een 104-pins connector, die inmiddels gangbaar is geworden in cubsats. De prototypes zijn getest in ovens op het functioneren in warmte en onder vacuüm en op triltafels om de vibratie van de lancering na te bootsen.

De ingenieurs van ISIS hebben ook een modulair antennesysteem ontworpen dat optimaal functioneert in combinatie met de ISIS-zend-ontvangers. Het systeem combineert de mechanische, electrische en data-interfaces van de antenne in een zeer compact systeem, dat bovenop een kleine satelliet kan worden geschroefd.

Kosteneffectief ISIS heeft een groot aantal klanten van over de hele wereld, waaronder ook veel academische onderzoeksgroepen. “Voor minder dan één miljoen Euro kan je al een nano-satelliet-missie doen”, zegt Rotteveel. “Dat is iets anders dan de 3,5 miljard die Galileo heeft gekost. Een miljoen dat is een budget dat een onderzoeksgroep te besteden heeft voor baanbrekend onderzoek en daar zitten dan ook de meeste van onze klanten. Daarnaast komt er ook steeds meer interesse van gouvernementele organisaties en van organisaties als ESA en NASA, omdat je met kleine satellieten heel kosteneffectieve missies kan vliegen.” Naast de systeem engineering tak heeft ISIS nog twee dochters: Innovative Data Services (IDS) en Innovative Space Logistics (ISL). ISD houdt zich bezig me het leveren van data aan klanten. Die data kan van satellieten komen, maar ook van heel andere systemen. IDS kan de data verzamelen, bewerken en in het door de klant gewenste formaat afleveren. ISL is de lanceertak van het bedrijf en treedt op als een soort lanceermakelaar voor kleine satellieten. “Wij regelen alle interfaces”, vertelt Weggelaar, “zowel technisch als de organisatorisch. Wij hebben veel kennis en kennen de lanceerproviders waardoor wij snel en efficiënt zaken met hen kunnen doen.” Voor een bedrijf als ISIS is de kennis van de deelnemers van MicroNed essentieel om nieuwe innovatieve producten op de markt te kunnen zetten. En voor programma’s als MicroNed zijn bedrijven as ISIS van het grootste belang om de ontwikkelde wetenschap en technologie te vertalen naar systemen die waardevol zijn voor de samenleving. En daarmee is MISAT een goed voorbeeld van hoe samenwerking voor alle partijen loont.

Het bevat vier opgerolde antennes van speciaal geheugenmetaal die (onafhankelijk van elkaar) kunnen worden aangestuurd.

De ISIS S-band-zender voor nanosatellieten is de recentste telg van de productlijn. Anders dan z’n voorganger gebruikt deze zender een aanzienlijk hogere frequentieband (2,3 - 2,5 Ghz), waardoor er hogere datasnelheden mogelijk zijn. Wanneer een missie een meer complexe payload aan boord heeft, kan een dergelijk systeem essentieel zijn om voldoende wetenschappelijke data van de satelliet naar de grond te krijgen.

Standaard behuizing voor nanosatellieten van ISIS. Dit modulaire systeem, gecombineerd met andere producten uit de ISIS-portfolio, vormt de basis voor een reeks van satellieten die ISIS in ontwikkeling heeft voor eigen gebruik en voor klanten. ISIS fun-

Voor nadere informatie over dit onderwerp kunt u contact opnemen met

geert inmiddels ook als partij in

Dr.ir. Chris Verhoeven, tel. 015-278 6482, e-mail [email protected] of

de integratie systemen voor

Ir. Erik-Jan van Kampen, tel. 015-278 8114, e-mail [email protected] l, of

nanosatellieten; het bedrijf

Ir. Jeroen Rotteveel, tel. 015-256 9018, e-mail [email protected], of met

heeft momenteel vijf satel-

Dr.ir. Bert Monna, tel. 015-251 1100, e-mail [email protected]

lieten onder contract.

Micro

Megazine

23

Interval analyse heeft veel praktische toepassingen Een theoretische poot van het MISAT project – maar met een groot aantal mogelijk praktische toepassingen – is het onderzoek op het gebied van interval analyse. Dit is een wiskundig benadering voor het oplossen van numerieke problemen met behulp van een computer. Een belangrijk toepassingsgebied van deze aanpak zijn de zogenaamde niet lineaire optimalisatieproblemen. Voor dergelijke problemen bestonden al oplossingsmethoden, maar die bieden niet de garantie dat de beste (lees meest optimale) oplossing wordt gevonden. Interval analyse geeft die garantie wel. Interval analyse is een wiskundige techniek waarbij niet wordt gerekend met enkelvoudige danwel eenduidige waarden, maar met een interval van mogelijke waarden. Een voorbeeld: Stel een satelliet moet met behulp van zijn stuurraketten van zijn huidige positie (punt A) worden verplaatst naar een tweede satelliet om daaraan te dokken (punt B). In theorie is het mogelijk exact de hoeveelheid en de richting van de kracht uit te rekenen die de stuurraketten daarvoor moeten uitoefenen. In de praktijk bevatten deze berekeningen echter belangrijke onzekerheden. Zo is het bijvoorbeeld de vraag of we punt A, de huidige positie van de satelliet, wel exact weten. En hetzelfde geldt voor de bestemming, punt B. En ook is het maar de vraag of de kracht en richting van de stuurraketten zo precies kunnen aansturen. Deze onzekerheden kunnen een berekening met heldere en eenduidige waarde zo goed als nutteloos maken.

Onzekerheden “Dit is dè oplossing als je moet omgaan me onzekerheden en mogelijke meetfouten”, zegt ir. Erik-Jan van Kampen. “Met name in kleine satellieten zijn deze onzekerheden veel groter omdat de sensoren en actuatoren veel kleiner en daardoor onnauwkeuriger zijn.” Samen met ir. Elwin de Weerdt werkt Van Kampen binnen het Aerospace Software and Technologies Institute (ASTI) van de faculteit Lucht & Ruimtevaarttechniek aan interval analyse. Over een paar maanden promoveren ze beide op een onderzoek in het kader van MISAT. Van Kampen richt zich daarbij op het naar elkaar toebrengen en aan elkaar koppelen van satellieten (dokken), terwijl het onderzoek van De Weerdt het zogenaamde formatievliegen of ‘zwermvliegen’ als onderwerp heeft. “Mijn onderzoek gaat om de vraag hoe we een satelliet zo efficiënt mogelijk in een specifieke positie tussen een aantal andere satellieten kunnen krijgen, zonder dat hij tegen de anderen aanvliegt”, vertelt hij. “Hoe kunnen we een optimale baan bepalen waarbij de satelliet op een bepaald tijdstip op zijn positie is tegen zo laag mogelijke brandstofkosten. Met behulp van interval analyse kan je alle mogelijke oplossingen afzoeken en daardoor weet je zeker dat je de meest optimale oplossing vindt.”

(Foto: NASA)

Bij interval analyse wordt nu niet uitgegaan van enkelvoudige waarden, maar van een reeks, een interval. Voor positie A

wordt dan bijvoorbeeld gezegd dat de satelliet zich zeker tussen twee punten A1 en A2 bevindt. En hetzelfde geldt voor de bestemming B. Voor een aantal mogelijke banen tussen deze intervallen kan dan de benodigde stuwkracht en -richting worden uitgerekend. Door deze berekeningen tijdens de vlucht van de satelliet telkens te herhalen, kan de meest optimale besturing voor de satelliet worden bepaald.

Koppeling van het ruimtevaartuig Soyuz aan het

Met intervalberekeningen

Landen met de automatische piloot kan wellicht

internationale ruimtestation op 1 november 2002,

wordt bepaald wat de moge-

bijdrage aan de luchtverkeersveiligheid. Belang-

gezien vanuit het ISS. Miniaturisering van satel-

lijke paden zijn die de satelliet, met

rijke parameters die de boordcomputer daarbij

lieten kan ten koste gaan van de kwaliteit van de

onzekerheid in beginpositie, zal volgen

onder meer nodig heeft, zijn de positie- en de

sensoren en actuatoren, resulterend in onzeker-

bij het activeren van een stuwraket met

standbepaling. Met de intervalmethode voor

heden, waardoor autonome koppeling moeilijker

onzekerheid in de exacte hoeveelheid stuw-

het oplossen van het probleem van de geheeltal-

wordt. De regelsystemen aan boord moeten reke-

kracht. Acties waarbij de satelliet, de onzeker-

lige meerduidigheden (‘integer ambiguity’) is het

ning houden met deze onzekerheden tijdens het

heden meegenomen, niet uitkomt bij de doelsa-

mogelijk om uit de data van drie GPS-ontvangers

optimaliseren van de nadering- en koppelingma-

telliet, kunnen worden verwijderd uit de lijst van

(op beide vleugels en de romp) de complete stand

noeuvre.

mogelijke acties. Op deze wijze kan iteratief het

van een vliegtuig te achterhalen. Voor het bepalen

optimale pad naar het doel berekend worden.

van de positie met een extreme nauwkeurigheid is echter nog een extra antenne op de landingsbaan nodig.

24

Micro

Megazine

Satellite

Een andere toepassing waarvoor de standcarrier wave

bepaling uiterst belangrijk is, is bijvoorbeeld het onbemande en radiografisch bestuurde vliegtuig van Heering UAS (spanbreedte 3meter) dat

e.b=(phi+N)lambda

ingezet wordt voor het maken van nauwkeurige measurement: phi1

hoogtekaarten.

e measurement: phi2 b

receiver 2

receiver 1

Twee GPS-ontvangers meten de fase van het binnenkomende satellietsignaal. Het verschil in de fase van het signaal, die verwaarschijnlijk verschilt per ontvanger, is een maat voor de lengte en richting van de denkbeeldige lijn (b) die de ontvangers met elkaar verbindt. Omdat de ontvangers niet weten van welke golf ze de fase aan het meten zijn, is er een ambiguïteit in het aantal gehele golven tussen de ontvangers. Door met intervalberekeningen meerdere combinaties van satellieten en frequenties te combineren, kunnen deze meerduidigheden opgelost worden.

Interval-optimalisatie-methodes zijn ook toegepast voor het identifi-

Proeven met de Cessna Citation van de TU Delft

ceren van perceptiemodellen van piloten. Door het gedrag van piloten in

en het NLR konden de door promovendi ir. Elwin

een simulator en in een echt vliegtuig te vergelijken, kan worden bepaald

de Weerdt en ir. Erik-Jan van Kampen ontwikkelde

hoe de bewegingen van de simulator meer waarheidsgetrouw gemaakt

rekenmethoden valideren.

kunnen worden. De aanpassing wordt bereikt door het het fijnafstellen van de bewegingsfilters.

Praktische problemen Interval analyse is in de vijftiger en zestiger jaren ontwikkeld, maar pas de laatste jaren sterk in de belangstelling gekomen omdat er nu praktische toepassingen in zicht zijn. Dit komt met name doordat computers steeds sneller zijn geworden en ze nu grote aantallen berekeningen in relatief korte tijd kunnen uitvoeren. Dit biedt mogelijkheden voor het oplossen van een groot aantal praktische problemen.

dit probleem, waarop patent is aangevraagd, maakt het in principe mogelijk een vliegtuig geheel geautomatiseerd te laten landen. Modelleren Een heel ander probleem waar Van Kamen en De Weerdt naar hebben gekeken is het modelleren van menselijke waarneming en dan met name dat van een piloot. Om een goede vluchtsimulator te kunnen maken, heb je een model nodig van de wijze waarop een piloot reageert. Daarbij gaat het om vragen als hoe snel reageert hij op een prikkel van de simulator. En met hoeveel kracht trekt hij bijvoorbeeld aan een stuurknuppel als hij door iets in de simulatie de noodzaak voelt dat te doen. De beschrijving van dit gedrag blijkt een niet-lineair optimalisatie probleem te zijn dat met interval analyse goed kan worden opgelost.

Van Kampen en De Weerdt hebben naast het MISAT-onderzoek ook aan een aantal andere problemen gewerkt. Een belangrijke was het onderzoek naar de mogelijkheid om met behulp van meerdere GPS-ontvangers niet alleen de positie maar ook de oriëntatie of stand van een vliegtuig te bepalen door gebruik te maken van de fase van het GPS signaal. Door de fase van het ontvangen GPS signaal te bepalen, kan in principe de positie in millimeters nauwkeurig worden bepaald. Het probleem is alleen dat de ontvangers bij twee metingen de ene fase niet kunnen onderscheien van de andere. Ze kunnen dan wel het faseverschil bepalen maar weten niet hoeveel hele golven daarbij moeten worden opgeteld. Dit probleem staat bekend als de “Integer Ambiguity”.

Het werk van Van Kampen en De Weerdt is voornamelijk theoretisch van aard, waarbij ze zich ook richten op de implementatie van de theorie in de software. Ze houden zich nadrukkelijk niet bezig met hardware. Het aantal toepassingsmogelijkheden is echter zo groot, dat implementatie in hardware vooral een kwestie van tijd lijkt. De onderwerpen van de onderzoeken in het kader van MISAT zijn hiervan een goed voorbeeld. Om nanosatellieten in de ruimte zo optimaal mogelijk een bepaald traject te kunnen laten volgen, is een hardware-implementatie van het onderzoek van De Weerdt van goot belang. En als nanosatellieten met elkaar of met andere voorwerpen moeten dokken, kan het onderzoek van Van Kampen van grote waarde blijken te zijn. De theorie is duidelijk. Nu wacht de praktijk.

Samen met dr. Ping Chu (hun co promotor), prof. dr. Bob Mulder (hun promotor en hoogleraar bij de vakgroep Besturing & Simulatie van de faculteit L&R) en ir. Meine Oosten (directeur ASTI) hebben Van Kampen en De Weerdt dit probleem met behulp van interval analyse opgelost. Mede dankzij dit werk kan bijvoorbeeld een vliegtuig dat is uitgerust met drie GPS ontvangers nu niet alleen de positie maar ook de exacte stand in alle richtingen (dus ook helling en rol) ten opzichte van de aarde bepalen. De oplossing van >

Micro

Megazine

25

Micro-imaging van tuberculosebacteriën vordert gestaag

Trage bacterie nu supersnel

Macro-opname van een innovatief kweekplaatje van MicroDish. Het

Wereldwijd steekt tuberculose de kop weer op. Er is dan ook grote behoefte aan betere

tweelaags plaatje met een poreuze onderlaag en bovenlaag met honderden

en vooral ook snellere detectiemethoden. Microbiologen, medisch technologen en

geëtchte putjes (doorsnede 180 micrometer) is een ideaal substraat gebleken

ingenieurs sloegen de handen ineen om een snelle, betrouwbare laboratoriumtest te

om kweekjes van TBC-bacteriën met een geautomatiseerde microscoop te bekijken

ontwikkelen. Met geautomatiseerde digitale microscopie kunnen talloze microkolonies

op de kleine veranderingen in hun groei. Hoe sneller veranderingen kunnen

gekweekt op zeer poreuze substraten per chip straks in hoog tempo worden beoordeeld.

worden gedetecteerd, hoe sneller TBC kan worden vastgesteld.

26

Micro

Megazine

Door Marion de Boo

in beeld abstract

Elke seconde raakt iemand ergens in de wereld besmet met de tuberculosebacil. Anders dan vaak gedacht is tuberculose wereldwijd een snel groeiend gezondheidsprobleem. In 2007 waren er volgens de Wereldgezondheidsorganisatie WHO naar schatting 13,7 miljoen chronische ziektegevallen, zo’n 9,3 miljoen nieuwe gevallen en 1,8 miljoen doden, voornamelijk in ontwikkelingslanden. Ruim 98 procent van alle nieuwe tuberculosegevallen zijn te vinden in ontwikkelingslanden. Tuberculose wordt, samen met AIDS en malaria, tot de drie ‘armoede ziektes’ gerekend. In Nederland zijn er circa 1000 nieuwe TBC-patiënten per jaar. De helft van hen heeft open longtuberculose en is dus besmettelijk voor anderen. In de eerste helft van de 20e eeuw telde Nederland jaarlijks nog 7,500 TBC-doden. Tegenwoordig genezen vrijwel alle Nederlandse patiënten volledig. Elders in de wereld is het beeld een stuk minder rooskleurig. Want zonder adequate behandeling is de ziekte nog altijd dodelijk. In veel Afrikaanse en Aziatische landen is zo’n 80 procent van de bevolking met de TBC-bacterie besmet – al openbaart de ziekte zich dan vaak pas vele jaren later. In de Verenigde Staten is 5 tot 10 procent van de bevolking positief getest. In veel gebieden waar veel TBC voorkomt, komt ook HIV veel voor, met name in zuidelijk Afrika. De combinatie is zo ernstig omdat HIV-patiënten een verzwakt immuunsysteem hebben waardoor de TBC ernstiger kan worden. Bovendien is de diagnose bij deze mensen moeilijker. Vooral mensen met een HIVbesmetting zijn bijzonder vatbaar voor de ‘vliegende tering’. Juist die combinatie is rampzalig. Daarnaast is de toename van multiresistente tuberculose een groeiende bedreiging voor de volksgezondheid in grote delen van de wereld. Jaarlijks komen er wereldwijd een half miljoen gevallen van multidrugresistente tuberculose bij. Met name in het voormalige Oostblok werken behandelingen waarbij patiënten bijvoorbeeld hun antibioticumkuur niet afmaken, selectie van resistente bacteriestammen in de hand. Via toerisme en andere internationale contacten kan deze epidemie ook gevolgen krijgen voor de Nederlandse volksgezondheid.

Scrutinising TB bacteria by automated micro-imaging Tuberculosis seems a disease from the previous century, and mainly a problem in Third World countries. The reality is that TB is on the increase, not only south of the Mediterranean, but also in Eastern-Europe, South-America and in Asia. The increase is partly caused by the HIV epidemic, as this viral disease weakens the resistance of individuals and makes people more susceptible for a TB infection. Another cause is resistance to many otherwise useful drugs, resulting from inappropriate use of antibiotics in regions such as Eastern Europe. Multidrug resistance, combined with tourism and immigration, allow these drug resistant strains to rapidly travel round the world. This is critical to understanding why TB is on the increase in Western Europe. TB is a difficult disease to tackle for several reasons. One of them is that a lot of people who are infected by the bacteria do not show the signs, but despite being asymptomatic they may remain infected and develop disease only years later. In all cases it is important to discover the TB bacteria in patients as early as possible. Currently there several methods, of which the two most common ones are: a quick one, a smear test, which is not very sensitive, and the traditional but very reliable one, where bacteria from the sputum of a suspected sufferer is grown in a petri dish in a lab, taking up to six weeks before TB bacteria can positively be identified. Microbiologists at KIT (the Royal Tropical Institute in Amsterdam), Wageningen University and with the company MicroDish, all partners in a MicroNed auxiliary project, joined forces to look for a new approach to tackle the disease. Together with engineering company CCM in the Netherlands they developed an automated process for establishing of the presence of TB cells on a patented substrate of very porous aluminium oxide, by looking at minute differences in the cell growth over just a few days. For further information about this research, please contact Dr Richard Anthony, phone. +31 20 566 5450, [email protected], or Dr Alice den Hertog, phone +31 20 566 5454, [email protected], or Dr Colin Ingham, phone +31 30 634 3160, [email protected] or Dr Frank H.A.G. Fey, phone +31 40 263 5000, [email protected]

SEM-opname van TBCbacteriën op een speciaal (Foto: www.MicroDish.nl

Kweek versus kijken Het Koninklijk Instituut voor de Tropen (KIT) zoekt daarom samen met twee partners naar een snellere detectiemethode voor tuberculose. Het KIT, dat dit jaar 100 jaar bestaat, is een kenniscentrum voor cultuur en duurzame ontwikkeling. Het KIT heeft een eigen researchafdeling voor biomedisch onderzoek, gehuisvest bij het Academisch Medisch Centrum (AMC) in Amsterdam. “Voor TBC-diagnostiek zijn er twee principes: een directe test of een kweek”, vertelt projectleider dr. Richard Anthony van het KIT. “De traditionele TBC-test bestaat uit smeermicroscopie, waarbij het longslijm op een glaasje wordt gesmeerd en vervolgens gekleurd. Dit is een snelle test, maar de gevoeligheid is laag, en het kost veel tijd om de glaasjes met de microscoop te bekijken. Bovendien kunnen zo bij hooguit 60 tot 70 procent van de patiënten bacteriën in het longslijm worden aangetoond.” >

Fast detection of slow growing pathogens

substraat van poreus aluminium-oxide met cellen van 3 tot 5 micrometer, ontwikkeld door MicroDish BV.

Micro

Megazine

27

(Foto: Archief KNCV, www.tuberculose.nl

Traag, ongevoelig en gevaarlijk Kweektesten zijn veel gevoeliger, stelt Anthony. “Maar het nadeel daarvan is dat het meerdere weken duurt om resultaat te krijgen. De tuberculosebacterie is van nature een zeer langzame groeier. Waar de bekende E. colibacterie een delingstijd van 20 minuten heeft, deelt de tuberculosebacterie zich ongeveer maar eens in de 20 uur. De traditionele, ruim honderd jaar oude laboratoriumkweek, die gebruik maakt van opgehoest longslijm, kan wel drie tot zes weken duren. Bovendien zijn die tuberculosekweekmethoden arbeidsintensief en ook gevaarlijk.” Tuberculose is een zogenoemd klasse III micro-organisme. Onderzoekers mogen het alleen kweken in gecertificeerde laboratoria met luchtsluizen en andere speciale veiligheidsvoorzieningen. Dat maakt zulk onderzoek lastig en duur. Anthony: “Feit blijft dat veel onderzoekers ondanks alle bezwaren toch een voorkeur houden voor bacteriekweek, omdat die meer mogelijkheden biedt voor verder epidemiologisch onderzoek.” “Het voordeel van kweektesten is wel dat daarbij – anders dan bij smeermicroscopie - ook de gevoeligheid voor antibiotica kan worden bepaald. Daarom werken wij bij het KIT aan een snellere versie van de kweektest, maar dat zal per definitie nooit een echte sneltest zijn. Er zijn alternatieve kweektesten in vloeibaar medium die sneller zijn, maar die zijn gecompliceerd of erg arbeidsintensief”, zegt Anthony. “Vandaar de push om deze klassieke kweektechnieken te verbeteren.” Een ander voordeel van een gevoeliger test is dat je minder volume aan gevaarlijke tuberculosebacteriën hoeft op te kweken. De nieuwe testmethode maakt gebruik van zeer subtiele ‘microkolonies’. Biologische veiligheid is een groot pluspunt van micro-imaging. In andere MicroNed-projecten werkt het KIT mee aan moleculaire testmethoden, die bijvoorbeeld gebruik maken van eiwitdetectie of RNA- of DNA-hybridisatie. Met moleculaire methoden kun je heel specifieke vragen goed beantwoorden. Bijvoorbeeld: ‘Is dit antigeen aanwezig op het oppervlak van het micro-organisme of niet?’ Anderzijds kun je met moleculaire methoden lastig onderscheid maken tussen levende en dode, snel- of langzaam groeiende micro-organismen. Juist bij tuberculose zijn dat belangrijke vragen.

Tuberculose-patiënt in de jaren 30 in Nederland. Ook in dit land was tuberculose lange tijd een zeer veel voorkomende ziekte die jaarlijks zo’n 7.500 doden eiste. Daarom werd in 1903 als de Nederlandsche Centrale Vereeniging ter bestrijding van tuberculose opgericht. De NCV (sinds 1953 KNCV), inmiddels samengegaan met het Nederlandse Tuberculose Fonds (Emma-collectie), is sinds de jaren 70

(Foto: Archief KNCV)

actief in wel 46 landen.

(Foto: Archief KNCV / Foto Kunst - H. van der Meulen, Den Haag)

De speciale TBC-onderzoekskamer van het Sophie Stichting rond 1930.

De plattelandsbevolking kon in 1950 voor TBC-controle terecht in een mobiel

In 1962 krijgt de jeugd in Zaandam een tuberculineprikje (de zogenoemde Mantoux-test) op het consultatiebureau van Zr. Visser.

28

Micro

Megazine

(Foto: Archief KNCV / Fototechnischbureau Huizinga, Rotterdam)

kliniekje.

Computer blijft alert Eén van de problemen met directe handmatige beoordeling van smeermicroscopie is dat dit heel veel tijd kost, waardoor de analisten die hier de hele dag naar moeten kijken verveeld raken en daardoor minder alert worden. Een ander probleem met conventionele methoden is dat er soms te weinig bacteriën in het longslijm van een patiënt aanwezig zijn om een goed oordeel te kunnen vellen. Wanneer er minder dan 10.000 bacteriën in een milliliter slijm zitten, zie je ze niet terug op het microscoopglaasje. Daarom ontwikkelde het KIT in een MicroNed-project een alternatief, een snelle kweekmethode. Men kweekt de bacteriën eerst verder tot kleine microkolonies. Dat kost wel iets meer tijd dan bij de methode van directe smeermicroscopie, maar het maakt de test veel gevoeliger.

Elke dag een foto Het KIT gebruikt de digitale microscoop nu als helderveld microscoop of lichtmicroscoop, maar hij is ook bruikbaar als fluorescentie microscoop. “Ik laat de microscoop automatisch elke dag een foto maken om te zien of de kolonies zijn gegroeid”, vertelt Den Hertog. “Je kunt de XY- tafel zo instellen, dat de lens altijd foto’s maakt op precies dezelfde posities, de x-y coördinaten staan vast. We kunnen dus het gedrag van elke individuele microkolonie heel nauwkeurig volgen, zowel de normale groei als de respons op verschillende antibiotica. Ook handig is dat de microscoop in elk punt van het vlak weet waarop hij moet scherpstellen.”

(Foto: Archief KNCV

Een van de twee manieren om tuberculose bij een patiënt vast te stellen is door een röntgenopname te maken van de longen, zoals hier in de

(Foto: Archief KNCV / Fotopersbureau Schiedam)

jaren veertig.

De andere manier is door met de microscoop een sputum-uitstrijkje te bestuderen.

(Foto: Archief KNCV

“Detectie is nu in een heel vroeg stadium mogelijk geworden”, vertelt medisch bioloog en post-doc onderzoekster dr. Alice den Hertog van het KIT. Bovendien blijft de computer altijd even alert. De onderzoekers gebruiken een speciale geautomatiseerde microscoop, ontwikkeld door het bedrijf CCM uit Nuenen, in combinatie met bijzondere, zeer poreuze substraten om de tuberculosebacteriën op te kweken tot zogenoemde microkolonies. De groei van elke individuele bacteriekolonie wordt beoordeeld via automatiseerde microscopie. Anthony: “Deze speciale microscoop is uitgerust met een camera. Daarmee maken we dagelijks foto’s van de groeiende bacteriekolonies en die laten we heel nauwkeurig door een computer analyseren. Computers zijn nog niet zo sterk in het herkennen van beelden, maar wèl bij uitstek geschikt om kleine veranderingen in beelden op te sporen.” Den Hertog schuift een houdertje met vier monsters onder de microscoop. “Kijk, met het blote oog kun je die microkolonies nog niet eens zien, maar onder de microscoop wèl.”

Hulpkracht bestudeert sputum-uitstrijkje in het open veld in Afrika in de jaren zestig.

toux-test in Kenia door een medewerker van de Kon. Nederlandse Centrale Vereniging ter bestrijding van [Foto: Ilse Blijker /KNCV]

Het aluminiumoxidesubstraat waarop de kolonies groeien, vormt een zeer poreuze (‘anapore’) membraan, die op een voedings- >

Het plaatsen van een Man-

tuberculose (KNCV)

[Foto: Ilse Blijker / KNCV]

Een van de voordelen van het speciale substraat, het poreuze aluminiumoxidemembraan, is dat het is te gebruiken in combinatie met allerlei vloeibare of vaste voedingsbodems. Bovendien kunnen de microkolonies daarmee zonder hun groei te verstoren worden overbracht op een nieuw medium, bijvoorbeeld met een selectief antibioticum. Dat biedt de mogelijkheid om de opgekweekte microkolonies snel te testen op medicijnresistentie. Anthony: “Omdat we hun groei heel zorgvuldig registreren, kunnen we heel snel zien hoe de microkolonies op veranderingen in groeimedium reageren. Dat helpt ons om ze beter te karakteriseren. Zo kunnen we bijvoorbeeld de resistente bacteriën opsporen. Het is belangrijk om goed te weten tegen welk antibioticum de bacterie, waarmee iemand is besmet, resistent is. Temeer omdat sommige antibiotica veel giftiger voor de patiënt zijn dan andere.” Naarmate er meer antibiotica-resistente tuberculosebacteriestammen ontstaan, groeit de behoefte aan snelle, goedkope, geautomatiseerde testmethoden voor direct susceptibility testing. De methode is ook bruikbaar voor onderzoeksdoeleinden, bijvoorbeeld om snel en subtiel nieuwe medicijnen te testen.

Het plaatsen en aflezen

.

van een Mantoux-test is een precies werkje, waarvoor een goede training noodzakelijk is.

Micro

Megazine

29

Interieur van het prototype van de µScan-microscoop

bodem van agar wordt geplaatst. Zo kunnen de voedingsstoffen de bacteriën heel goed bereiken. De bacteriën zijn opgekweekt in een vloeistof die verdund is tot een concentratie van een paar honderd bacteriën per microliter. Per monster wordt met een pipet een oplossing met ongeveer 500 bacteriën op de voedingsbodem gespoten. “Daaruit kunnen dus 500 microkolonies groeien”, legt Den Hertog uit. “Dat geeft de mooiste resultaten. Je wilt niet dat de agar meteen overgroeid raakt met een dichte massa bacteriën, maar het moeten er ook niet zo weinig zijn dat er op de foto’s haast niks valt te zien.”

van CCM. Dit exemplaar is gebruikt om de technische haalbaarheid van de detectie van bacteriën op een microzeef aan te tonen.

Close-up van het microzeefje in de monsterhouder van de µScanmicroscoop van CCM. Aanvankelijk wilde men het sputum van TBCpatiënten filteren met het bleek dat de eigenschappen van sputum van patiënt tot patiënt te veel verschilt. Op de foto is te zien hoe het microzeefje wordt belicht met blauw

(Foto: J.H.W. Spitshuis, CCM)

dit microzeefje, maar

excitatielicht. Het fluorescentielicht dat het monster terugzendt, is veel zwakker en op de foto niet zichtbaar. Om dit licht toch met een camera op te kunnen nemen, zorgt een emissiefilter ervoor dat het blauwe licht wordt weggefilterd en alleen het fluorescentielicht wordt doorgelaten.

Dr. Alice den Hertog van het KIT gebruikt de µScan-microscoop om microkolonies van mycobacteriën te scannen op groei.

Schermbeeld van de µScanmicroscoop waarop te zien te hoe het instrument vòòr het scannen eerst op drie verschillende plaatsen de afstand tot het monster bepaalt om een maximale

Zonder luchtbelletjes Het analyseren van de waarnemingen gebeurt met een speciaal softwarepakket voor beeldverwerking. Hiervoor is deels gebruik gemaakt van open source software. Om de foto’s goed te kunnen vergelijken, heeft het KIT zelf ook nieuwe tools ontwikkeld. Groot voordeel van de automatisering is dat men de analyse nu speciaal kan richten op groeiende objecten, namelijk de groeiende kolonies. De kolonies worden voor het eerst zichtbaar bij een afmeting van 50 tot 100 pixels op de foto. Wanneer je maar één foto maakt, zijn de prille microkolonies niet eenvoudig herkenbaar temidden van alle stofjes, luchtbelletjes in de agar en andere oneffenheidjes op het grid, die ongeveer net zo groot zijn. Maak je echter een tijdreeks van foto’s, steeds vanuit dezelfde positie, dan wordt het veel gemakkelijker om de kolonies te herkennen. Stofjes en luchtbelletjes groeien immers niet mee en worden daarom automatisch uit de analyse gegooid. Dit maakt de analyse een stuk nauwkeuriger. Den Hertog: “We hebben dit concept getest en daarmee aangetoond dat je hiermee groeiende kolonies kunt onderscheiden van niet-groeiende kolonies en bovendien de snelheid van de groei kunt beoordelen.” “Voor tuberculose zou dit een oplossing kunnen zijn”, zegt de onderzoekster. “Maar je zou het systeem ook voor ander onderzoek kunnen gebruiken. In water- of grondmonsters, bijvoorbeeld, vind je soms een mengelmoes van sneller en langzamer groeiende soorten. Nu laat men die laatste meestal buiten beschouwing, maar met deze nieuwe techniek zou je ook die langzaam groeiende soorten zichtbaar kunnen maken.” Hiervoor is nog verdere automatisering nodig. Bovendien moet nog blijken hoe robuust het inoculeren is en of je verschillende soorten kolonies in een gemengde oplossing echt kunt identificeren. Een snelle kweekmethode die ook geschikt is voor gebruik in ontwikkelingslanden is het einddoel van het KIT-project. “Maar dat zal nog zeker tien jaar duren”, verwacht Anthony. “Aan een dipstick wordt al 40 jaar gewerkt, maar op dat gebied is er veel troep op de markt. De gebruikelijke immunologische testen zijn vaak weinig specifiek. Waarschijnlijk zal bij zo’n test toch altijd een bacteriekweek nodig blijven. Daarvoor blijft men aangewezen op de betere, centrale laboratoria.”

scherpte over het gehele monster te behalen.

30

Micro

Megazine

Longslijm filtreren De geautomatiseerde digitale microscoop die het KIT sinds kort in gebruik heeft, is gebouwd door het bedrijf CCM, Centre for

De µScan bezig een kweekveld met kolonies van mycobacteriën te scannen. Het apparaat kan zodanig worden ingesteld dat het dagelijks op hetzelfde tijdstip een serie foto’s van een aantal velden maakt. Door beelden van

Concepts in Mechatronics, in Nuenen. Het particuliere onderzoek- en ontwikkelingsbedrijf werd in 1969 opgericht door professor Alexandre Horowitz (TU Eindhoven) en telt circa 100 medewerkers die zich bezighouden met machine- en apparatenbouw voor een scala aan opdrachtgevers. “Van plukrobots voor de champignonteelt tot ruimtevaartinstrumenten – wij zoeken altijd naar creatieve oplossingen”, vertelt projectleider dr.ir. Frank Fey. “Geautomatiseerde beeldverwerking van micro-organismen kan de laboratoriumkosten sterk terugdringen”, zegt zijn collega ir. Edwin Langerak. “Nu de technologie volwassen begint te worden, zien we allerlei toepassingen, niet alleen voor lichaamsvloeistoffen, maar bijvoorbeeld ook voor water- en voedselveiligheid. De uitdaging blijft om te zorgen dat de kwaliteit van die analyse blijft toenemen. Bovendien kunnen we door betere voorbewerkingen de detectielimiet steeds verder verlagen. In theorie kan CCM één bacterie in een liter water terugvinden, maar dan moet die niet net aan de rand van het bekerglas kleven.” Het idee voor digitale microscopie is voortgekomen uit een eerder project dat CCM zo’n vijf jaar geleden samen met het KIT begon.

µScan proces description

dezelfde vlakken te vergelijken, kan de groei over de tijd worden beoordeeld.

µScan processtappen

Read recipe Find focuspoints

Focus points X,y,z image plane

Calculate image plane

Step toimage position

Digitali-

Scan images (multicolour)

sering van het oppervlak van de microzeef en het MicroDish kweekplaatje

Images

Process images

Continue next position

Analysis

Generate overall report

gebeurt met een zogenoemde step & scan-proces. De beelden worden vervolgens automatisch op aanwezigheid van bacteriën geanalyseerd.

Opnamen van Den Hertog met de µScan

Longslijm filtreren Fey: “Het oorspronkelijke plan was om het longslijm van TBCpatiënten te filteren op microzeven. Het idee was om de bacteriën op de zeef eerst even aan te kleuren en dan binnen een kwartiertje onder de microscoop uit te lezen. Vergeleken met de tot dan toe gebruikelijke wekenlange kweektests was dat echt een revolutie! Wij dachten dat als dit ons voor een lastige, traag groeiende bacterie als TBC zou lukken, dat het dan ook voor makkelijke toepassingen zou werken. Daarom wilden we dat microfiltreren graag als platformtechnologie gaan ontwikkelen.” Jammer genoeg liep dit eerste project echter spaak omdat het longslijm, een taaie, kauwgumachtige substantie, op een microzeef met gaatjes van amper een halve micron vaak lastig te zeven bleek. Daarom werd alsnog gekozen voor microscopie. Automatisch scherpstellen Voor het beoordelen van de opnames heeft CCM een slimme geautomatiseerde analysetechniek bedacht. Normaal gesproken moet de microscopist het apparaat voor elk monster opnieuw scherpstellen. Iedere amateur-fotograaf kan daarover meepraten: De horizon is meestal wel scherp, maar juist close-ups van bloemen of insecten worden al snel onscherp. Anders gezegd, bij een grotere vergrotingsfactor, wordt de scherptediepte steeds minder. De tuberculosebacterie is 0,3 micron breed, ongeveer een micron lang en een micron hoog, maar de scherptediepte onder de microscoop is hooguit anderhalve micron. Dat is lastig werken. “Gelukkig heeft zo’n microzeef – of een chip met aluminiumoxidemembraan - een zeer vlakke ondergrond”, zegt Fey. “Wanneer je drie punten in het vlak bepaalt en daarvoor scherp stelt, kun je daar volgens de wetten van de meetkunde een vlak doorheen trekken. Als je dit vlak dan optimaal belicht, dan kun je de overige punten in dat vlak zeer snel en efficient inlezen en bemonsteren.” >

(vergrotingsfactor 5) waarbij de groei van de individuele microkoloniën gedurende tien dagen goed is te volgen.

µScan-microscopen tijdens de eindassemblage. Op de voorgrond is de elektronica en het microscoophuis zichtbaar. De liggende cylindertjes aan de zijkant van het instrument zijn de drie smalbandige LED-lichtbronnen, met ieder een eigen golflengte. Met behulp van dichroïsche spiegels en excitatiefilters wordt het licht op het monster gericht. Alleen het reflecteerde fluorescentielicht bereikt via een emissiefilter de camera en wordt het beeld gevormd.

Micro

Megazine

31

Toen microbioloog dr. Colin Ingham bij LUW enkele jaren geleden naar een alternatief zocht om de agar kweekbodem voor TB-bacteriën in een petrischaaltje te verbeteren, kwam hij een poreus materiaal tegen dat in de jaren 80 op het researchlab van ALCAN per ongeluk was ontstaan: alumniumoxide.

Close-up van het MicroDish petrischaaltje. Met poriën tot 200 nanometer trok het alumniumoxide de aandacht van dr. Ingham als potentiële kweekplaat voor bacteriën. De fysieke structuur is ideaal om micro-organisme op te laten groeien, terwijl poriën groot genoeg zijn om voedingstoffen toe te laten. Bovendien is het materiaal inert. Ingham maakte een ontwerp dat in samenwerking met Mesa+ in een jaar tijd werd gerealiseerd tot een substraat van 60 micrometer dik aluminiumoxide met poriën van 120 nanometer. Daarop werd een laag acryl gelamineerd (10 tot 40 microm dik), waarin putjes werden geëtcht met een doorsnede van 180 micrometer. De sandwich van Alu-oxide en acryl wordt op een wafer gemaakt en daarna opgezaagd. Ideaal van deze kweekplaat is dat het op een andere voedingsbodem kan worden geplaatst, zonder de bacteriegroei te verstoren.

Opname met een optische microscoop van de bacteriegroei in de ronde putjes (180 micrometer). De bacteriën zijn behandeld met een kleurstof, waardoor ze zich beter laten onderscheiden met een fluorescencie microscoop. De bacteriën zijn te zien als een kolonie wit micro-organisme, terwijl de vaatjes door een laagje platinum niet-autofluorescent zijn en er zwart uitzien. Vanwege de zeer geringe scherptediepte bij microscopie is het prettig dat de kweekplaat erg vlak is.

32

Micro

Megazine

Het zeer tijdrovende scherpstellen blijft bij deze aanpak tot een minimum beperkt. CCM gebruikt slimme, gepatenteerde wiskundige technieken om dit vlak telkens snel te bepalen. Bovendien kan men dan uit de hellingshoek van elk vlak al nauwkeurig extrapoleren welke kant het microreliëf op zal gaan en hoe de ‘scheefstand’ van het volgende vlak zal zijn. Belichting In het laboratorium van CCM worden allerlei microscopen gebouwd. Elke klant heeft zijn eigen wensen. Er zit een belichtingssysteem in en een camera, een motortje dat de samples in beweging brengt en de nodige fluorescentiefilters. Fey: “We kunnen er ook allerlei ‘recepten’ inprogrammeren. Bijvoorbeeld: Zoek naar vlekken die er zus en zo uitzien en belicht die zus en zo. Onze microscopen zijn volledig configureerbaar.” Zo’n op maat gemaakt apparaat kost circa € 40.000. In principe is de resolutie van zwart-witopnamen net iets beter en daarom heeft het KIT daarvoor gekozen. Maar als je bijvoorbeeld verschillende soorten bacteriën wilt bekijken, hebben kleuropnames soms de voorkeur. Fey: “Wij werken met allerlei verschillende lichtbronnen: blauw, amber, violet of ultraviolet. Het slimme aan onze microscopen is dat je daarvoor geen filtersets mechanisch hoeft te wisselen, want dat leidt altijd tot tijdverlies en kleine positie-verschuivingen. Je hoeft hier alleen maar een andere lichtbron in te schakelen. Onze filtersets leven als het ware met elkaar in symbiose.” Veel aandacht gaat uit naar de keus van de juiste lampen. De oorspronkelijke kwiklamp die 150 watt gebruikte en maar 1000 branduren meeging is inmiddels vervangen door een vrijwel onverwoestbaar LED-lampje dat maar 3 watt consumeert. Voor ontwikkelingslanden is dat een veel betere optie. Er wordt nog voortdurend geëxperimenteerd om een sneller, scherper beeld te krijgen. “Wanneer je meer punten pakt krijg je een scherper beeld, maar dat kost ook meer tijd”, zegt Fey. “Vergeleken met een jaar geleden is de beeldkwaliteit al weer spectaculair vooruitgegaan. Bovendien lopen opnames en analyses nu keurig in de pas, we willen nu toe naar volautomatische rapportages.” Micro-imaging De CCM-microscoop bij het KIT heeft een andere dan monsterhouder die CCM standaard meeleverd. Den Hertog maakt gebruik van een monsterhouder die wordt voorzien van speciale chips, die ontwikkeld zijn bij het innovatieve, in 2008 opgerichte bedrijf MicroDish, ook een partner in MicroNed. “Wij hebben een chip ontwikkeld waar wel één miljoen monsters op passen,” vertelt microbioloog dr. Colin Ingham. Hij is Chief Scientific Officer van MicroDish. Veel van zijn onderzoek voert hij uit bij het Top Institute for Food and Nutrition. De Wageningse hoogleraar Willem de Vos is wetenschappelijk adviseur van het bedrijf. Ook wordt nauw samengewerkt met hoogleraar Albert van den Berg van het Mesa+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente. Beide hoogleraren zijn Spinozaprijs­ winnaar. Ter demonstratie schuift Ingham een chip onder de microscoop. “Dit model heeft minuscule vierkante poriën of ‘putjes’ van 40

bij 40 micrometer”, vertelt de onderzoeker. “Het gebruikte keramische materiaal, een zeer zuiver soort aluminiumoxide, heeft een zeer merkwaardige structuur. Het is niet alleen zeer poreus, maar ook zeer inert en stabiel. Het rekt niet uit en krimpt niet als je er aan trekt of als je het verwarmt – hetgeen soms nodig is om de bacteriën te doden.” Honingraatstructuur De wanden tussen de putjes bezitten een chaotische honingraatstructuur. Voedingsstoffen kunnen de bacteriën zo optimaal bereiken. Bovendien is het basismateriaal, aluminiumoxide, goedkoop. Dat is een eerste vereiste voor grootschalige toepassing in minder welvarende landen waar veel TBC heerst. Ingham: “Eerder hebben we zelfs chips gemaakt met poriën van slechts zeven bij zeven micrometer. Het mooie daarvan was dat er een miljoen monsters op één chip pasten. En voor een snelle test met een traag delend organisme heb je niet veel ruimte nodig.” Het nieuwe model met putjes van 40 x 40 micrometer biedt de bacteriën meer ruimte om zich te gaan delen tot microkoloniën. Ingham: “Ieder putje is omringd door muren, zodat je het kunt beschouwen als een miniatuur petrischaaltje. We kunnen zowel ronde als vierkante putjes maken, afhankelijk van de toepassing. Met een steriele gereedschap kun je daarin monsters enten. Om een test te miniaturiseren, moet je alle bijbehorende gereedschappen miniaturiseren. Qua miniaturisering is ons bedrijf nu wereldrecordhouder: Niemand heeft nog een kleinere test ontwikkeld.

EM-opname van zeven putjes op de MicroDish kweekplaat. In het midden groeien niet nader gespecificeerde bacteriën. In het bakje links onder is nòg een kweekje te zien. De afstand tussen de verschillende putjes is groot genoeg om de bacteriën niet aan elkaar te laten groeien. Daardoor blijven de afzonderlijke kweekjes goed te onderscheiden.

Streptococci-cellen groeien zichtbaar in één putje van 180 micrometer. De honderden individuele cellen

De juiste microstructuur Ingham heeft veel geëxperimenteerd met de microstructuur en de geometrie van het materiaal. “Daar hebben we veel van geleerd. Nanotechnologie biedt fantastische mogelijkheden. We hebben eerst geprobeerd om de chip te vullen met een vloeibare polymeer. We gebruikten een soort lijm die alleen stolt als je er ultraviolet licht op laat schijnen. Het idee was dat je de wanden rondom de putjes zou kunnen bouwen door alleen licht te laten schijnen op de plek waar die wanden moesten komen. Maar het effect was rampzalig. De rest van de lijm bleef weliswaar vloeibaar, maar je kreeg het onmogelijk meer uit die putjes door de capillaire krachten. De hele chip werd één dichte plak.” Een beter resultaat werd bereikt door gaatjes in een membraan te etsen en die te lamineren met substraat van aluminium-oxide. Ingham: “We zijn de chip nog steeds aan het fine-tunen. Er moet een gelamineerde rand omheen komen, zodat je hem makkelijk kunt oppakken zonder de monsters te vervuilen en er moet een gridsysteem komen, zodat je weet wat de exacte positie van elk monster is. Bovendien heeft elke chip een barcode nodig, om hem geschikt te maken voor massaverwerking in de computer, zonder extra papierwerk.”

zijn in deze opname met fluorescencie microscopie goed te onderscheiden.

De preparaathouder voor de µScan is voor de KIT aangepast voor een conventionele monsterhouder met kweekbakjes, waarin nu de gepatenteerde MicroDish-kweekplaatjes worden toegepast.

Voor nadere informatie over dit onderwerp kunt u contact opnemen met Dr. Anthony Richards, tel. 020-566 5450, e-mail [email protected], of Dr. Alice den Hertog, tel. 020-566 5454, e-mail [email protected], of Dr.ir. Frank Fey, tel. 040- 263 5000, e-mail [email protected], of met Dr. Colin Ingham, tel. 06 - 42 47 70 78, e-mail [email protected].

Micro

Megazine

33

Netherlands MicroNano Conference 2010 Science & Industry meet on a high level of content and impact

34

Micro

Megazine

MicroNed Agenda/Mededelingen

MicroNed mededelingen

Congressen / Symposia / Beurzen

Werkpakket-bijeenkomsten

CCOMS 2010 29 augustus t/m 2 september Albuquerque, New Mexico, USA www.mancef.org/COMS2010

De bijeenkomsten zijn besloten. Aanmelding via Mw. Lucienne Dado, telefoon (015) 278 4357, e-mail [email protected] of bij de desbetreffende werkpakketleider is verplicht in verband met geheimhouding. FUNMOD final meeting 3 november, TU Delft Info: [email protected] 4D bijeenkomst 16 september, Universiteit Twente Info: [email protected]

Publicatieprocedure Mw. Marianne Stolker is het centrale contactpunt voor de procedure voor publicatietoestemming. Gaarne haar 15 werkdagen voor de publicatiedatum een kopie sturen van het vrij te geven materiaal. Mw. Stolker zal zorg dragen voor verspreiding binnen het betreffende werkpakket. Ze is bereikbaar via e-mail [email protected].

Nieuws Afronding MicroNed Op de MicroNed website is informatie te vinden over de afronding van MicroNed. Zo zijn het accountantsprotocol, een handreiking bij het opstellen van de verklaring, het vaststellingsformulier Bsik en Q&As te vinden (onder ‘end of microned’). De partners die klaar zijn met al hun projecten in MicroNed kunnen per heden hun benodigde stukken voor de eindafrekening inleveren bij Jan van der Lek.

MNT for space 13-17 september 2010 ESA ESTEC, Noordwijk Micro & Nano Engineering Conference 19 t/m 22 september 2010 Genda, Italie www.mne2010.org MinacNed ledenmeeting 22 september 2010 Philips Apptech Thema: simulatie in microsystemen en nanotechnologie Het Instrument 2010 (Met MicroNano Paviljoen !) 28 sept t/m 1 okt Amsterdam RAI www.hetinstrument.nl uTAS 2010 3 t/m 7 oktober 2010 Groningen http://www.microtas10.org/ MicroNano Conference 2010 17/18 november 2010 Universiteit Twente, Waaier http://Mnc.minacned.nl

Micro

Megazine

35

Ministudiereis W.S.V. Simon Micro- en nanotechnologie in Duitsland, Zwitserland en Frankrijk

Werktuigkundige Studievereniging Simon Stevin van de TU/e organiseert elk jaar een ministudiereis in Europa. In 2010 nam een groep van 18 studenten een kijkje in de wereld van micro- en nanotechnologie. Ze bezochten verschillende bedrijven in Mannheim, Heidelberg, Bern en Grenoble. Dinsdag 16 februari werd koers gezet richting het Duitse Mannheim om daar de kleinste procesinstallatie van AkzoNobel te bezoeken. Dit bezoek was gepland omdat het vele aspecten van de werktuigbouwkunde raakt. De fabriek vervaardigt chemicaliën voor de papierindustrie. In de rondleiding over het terrein werd het gehele proces van wax- en resinbehandeling duidelijk gemaakt. Het overblijvende substraat wordt aan papier toegevoegd om te voorkomen dat inkt uitlekt langs de papiervezels. Aan het einde van de rondleiding werden we langs biologische filters gevoerd. Daar werden de ‘afval’-gassen door biomassa gevoerd om vervolgens schoon te worden vermengd met de omgevingslucht. Na slechts een half uurtje rijden kwamen we in Heidelberg aan voor het bedrijfsbezoek bij Heidelberg Instruments (HI). Dit kleinschalige bedrijf, met een eigen R&D-lab, produceert met zo’n 100 werknemers lithografie machines. Ze worden in tal van domeinen gebruikt zoals Flat Panel Displays, MEMS, Optica en andere micro- en nano-toepassingen. HI heeft zicht zich gespecialiseerd in lithografieopstellingen voor universiteiten en onderzoeksinstellingen. Dit doen zij door haar standaardmodellen aan te passen aan de specifieke wensen van de klant. Na een presentatie, waarin het lithografieproces, de machines en bedrijfsfeiten de ruvue passerden, werd er een bezoek gebracht aan het research- en productiegebouw. In speciaal geïsoleerde kamers werden verschillende hoogstaande projecten en opstellingen van HI getoond. Hier werd duidelijk hoe de instrumentatie en het lenzensysteem voor de laser fungeerde. Horloge van € 700.000 Na een overnachting in het Zwitserse Bern werden we de volgende ochtend al vroeg verwelkomd bij Feintool. Technisch directeur

Rondleiding bij AkzoNobel. Op de achtergrond is een deel van de productie-installatie te zien.

36

Micro

Megazine

Rolf-A. Schmidt had speciaal voor ons zijn vlucht laten herboeken om een gedetailleerde kijkje te geven in de keuken van het zogenoemde fine blanking. Dit is een speciale blank techniek voor hoog dimensionele materiaal accuratesse, de specialiteit van Feintool. Fijn blanken is een alternatieve bewerkingsmethode voor behandelingen waar normaliter het relatief duurdere frezen zouden worden gebruikt. Tijdens de rondleiding door de fabriek zagen we het diverse aanbod van eigengemaakte ponsen en stempels en werd een blik gegund in de eigen onderdelenfabriek. Na de lunch in het toepasselijk genoemde “Fein Dine” bedrijfsrestaurant, namen we afscheid om onze reis zuidwaarts te vervolgen voor een bezoek aan de hoogstaande mechanische horlogemakerij Blancpain in Le Brassus. Blancpain, onderdeel van de Swatch-groep, assembleert handmatig horloges in de prijsklasse van € 7.000 tot € 700.000. De productietijd van een horloge kan oplopen van twee weken tot 2 jaar. Ondanks de, voor Blancpain, grote groep bezoekers werd er een uitstekende rondleiding verzorgd door het pittoreske drie verdiepingen tellende berghuis. Het gehele productieproces werd doorlopen en alle aparte mechanismes werden haarfijn uitgelegd. De door Swatch los-geproduceerde onderdelen worden bij Blancpain gepolijst, gedecoreerd en uiteindelijk geassembleerd. Zelfs de niet-zichtbare onderdelen worden met de grootste zorg gepolijst tot ze perfect zijn. Het is fascinerend om te zien hoe er met zoveel geduld en vakmanschap aan deze meesterstukken wordt gewerkt. Kabelbaan en likeur De derde dag ontwaakten we na een lange rit in het bergachtige Grenoble. Daar stond ons als eerste een excursie te wachten bij POMA, ’s werelds grootste bouwer van kabelbaan-transportsystemen. Tijdens de presentatie kwam de verscheidenheid van POMA-producten duidelijk naar voren. Of het nu skiliften, stoeltjesliften, goederenbanen of treinen zijn, ze hebben allemaal één ding gemeen; de aandrijving geschiedt per kabel. Het bedrijf richtte zich oorspronkelijk op de markt van personenvervoer in ski-resorts, maar verlegt de aandacht langzamerhand steeds meer op ‘Urban-Transport’. Op plaatsen waar de kosten en de ruimte van een traditionele vervoersapplicatie niet toereikend zijn, bijvoorbeeld bergsteden en luchthavens, spelen zij graag op de wensen in met hangende of luchtgelagerde kabeltreinen. Het in 1936 door de Pool Pomagalski opgerichte bedrijf installeerde haar eerste skilift op de Alpe d’Huez. Nu, 74 jaar later, heeft POMA 12.000 kabelbanen operationeel in 82 verschillende landen. Met een bijbehorende 10,5 miljoen meter kabel zijn ze in staat om 6,5 miljoen mensen per uur te vervoeren. Na de rondleiding bij POMA werd in Voiron, een klein plaatsje in de buurt van Grenoble, een bezoek gebracht aan de destilleerderij van Chartreuse. Een door lokale monniken gedestilleerd drankje, waar vandaag de dag wel de computer bij komt kijken, wordt opgeslagen in houten vaten. Na het bezoeken van de kelders was een productconfrontatie onvermijdelijk. Minatec & ESRF Op de vierde dag, vrijdag, stond een hoogwaardig ‘micro en nano’bezoek gepland, namelijk aan Minatec. Op deze streng beveiligde

Stevin

De kabelbaan in Grenoble. De ‘Bubbles’ zijn gemaakt door de firma POMA.

Europese onderzoekscampus van 200.000 m2 wordt op meer dan 1000 m2 cleanroom-oppervlak onderzoek verricht op het gebied van micro- en nano-technologie. Tijdens de presentatie liet Minatec weten dat er op hun campus plaats was voor geïnteresseerde PhD-studenten om hun doctoraat te behalen. Daarna werden de microscoop-faciliteiten en de cleanroom bezocht. De microscoopfaciliteiten bieden een breed scala aan apparatuur: van de ordinaire microscoop tot aan de indrukwekkende tot op de milliKelvin gereguleerde kamers met elektronenmicroscopen van FEI. Parallel werd een bezoek gebracht aan een van de cleanrooms. Gehuld in jasje, haarnetje en overschoenen mochten we in de gang naast de

Speciale werktafel bij Blancpain waaraan horloges onderdeel voor onderdeel

cleanrooms kijken naar o.a. ASML-machines waarmee waferstep onderzoek werd verricht. Tijdens de lunchlezing bij Minatec verzorgden Evert de Kock en Ir. Lambert Bergers ieder een presentatie. Respectievelijk werd het Nederlandse onderwijssysteem en een PhD-project over kruip en vermoeiing in MEMS behandeld. Na de lunch werd een bezoek gebracht aan de Europese Synchrotron Radiatie Faciliteit (ESRF). Hier worden door een deeltjesversneller hoogvermogen röntgenstraallijnen geproduceerd. De bijna 850 meter lange versneller voorziet 44 testlocaties van een straallijn voor fundamenteel onderzoek. Met deze straallijnen is het mogelijk om deeltjes en processen op nanoschaal waar te nemen, iets wat met een elektronenmicroscoop niet kan. Ook werd er een bezoek gebracht aan de meetopstelling van de Dutch-Belgium-Beamline. Cultureel Grenoble Na een paar dagen verblijf in Grenoble bezochten we op de laatste dag de stad zèlf. Een korte wandeling langs rivier de Isre kwamen we aan bij de oudste personen-kabelbaan in de wereld (geopend in 1934) die ons 300 meter hoger brachten naar de Bastille van Grenoble, een oude vesting in de bergen. ‘De Bubbels’ zoals de bal-vormige karretjes aan de kabelbaan in de volksmond heten, zijn het verlaatte praktijk uitje van de POMA-excursie. Vanaf de Bastille vormt zich een schitterend uitzicht over Grenoble, een dal dat wordt in gesloten door drie bergketens. Na een authentieke Franse “dejeuner’ in restaurant ‘Télèphérique’ zijn we per voet afgedaald langs de vestigingsmuren naar het centrum van Grenoble. Hiervandaan zijn we die avond noordwaarts teruggekeerd naar Eindhoven.

worden gemonteerd.

Micro

Megazine

37

Hebbedingetje Wat is het hebbedingetje? Een microreactorsysteem genaamd Labtrix. Het apparaat wordt gefabriceerd door Chemtrix BV uit Geleen. Het hart van het apparaat, de reactorchip, wordt met microchiptechnologie gemaakt door Lionix BV uit Enschede. Het systeem is zo groot als een middelformaat reiskoffertje waarvan de deksel open staat. Er kunnen in korte tijd veel verschillende reacties mee worden uitgevoerd. Omdat die met de computer heel goed ‘live’ zijn te volgen, kunnen de reacties ook erg snel worden geoptimaliseerd. Wie is de gebruiker? Michael Hendriks (1988) ging na het behalen van het HAVO-diploma aan het Graaf Huyn College in Geleen, naar Hogeschool Zuyd in Heerlen. “Op de HAVO was mijn studieprofiel Natuur & Gezondheid. Voor m’n studie had ik een aantal studierichtingen in gedachte: werktuigbouwkunde, iets met biologie of met life science. Uiteindelijk werd het dat laatste. Aan het einde van het tweede jaar life science moest ik kiezen tussen biologie, chemie en chemische technologie. Ik heb toen gekozen voor chemie. Bij de stage in het derde jaar moest ik opnieuw kiezen, nu tussen organische chemie en analytische chemie. Ik heb bij DSM stage gelopen in organische chemie bij de afdeling Performance Materials Chemistry & Technology. Ik hield me daar bezig met het verbeteren van de hechting van verf op waterbasis door het manipuleren van polymeren. Dat vond ik interessant werk en onderzoek; daarmee zou ik wel verder willen gaan. Dat is nu zo’n anderhalf jaar geleden.” Waarom is het apparaatje belangrijk voor je? “M’n afstudeeropdracht is het opschalen van de Labtrix. Het is de kleinste van de drie modellen die Chemtrix voert en heeft een reactor van 10 microliter. Een ander model, de Plantrix, heeft een reactor van 5,16 milliliter. De Protrix bevat een aantal Chemtrixmicroreactoren die parallel staan gekoppeld. Afhankelijk van de instellingen produceert de Labtrix van milligrammen tot grammen per jaar.” “M’n hele opdracht is verweven met het apparaat. Hoe zou ik het anders kunnen doen dan met de microreactor?” “Ik kijk naar een 1-2 Azole-reactie. Die reactie was al door een medewerker van Chemtrix, Dr Paul Watts van Hull University in Engeland, op de Labtrix uitgevoerd; de reactie was door hem bewezen.” “Het eindproduct is een anti-biotica, een ontstekingsremmer, een basisproduct voor medicijnen. Die reactie moest ik optimaliseren door verschillende parameters te veranderen. Er zijn drie parameters: ik heb gekeken naar de reactie in de volgende oplosmiddelen, ethanol, methanol, isopropanol, acetinitril en THF. De tweede parameter is de variatie in temperatuur. De temperatuur van de reactie kan worden beïnvloed met een verwarmingselementje onder de reactorchip in de Labtrix. De derde parameter was de verblijftijd, de reactietijd, in de chip.” “Ik ben in januari begonnen en heb zo’n drie maanden dagelijks met de Labtrix gewerkt. Het waren niet alleen de reacties en de productie, ik moest ook de productie analyseren met gaschromatografie.” “Ik heb bepaald niet met tegenzin met het apparaat gewerkt, 38

Micro

Megazine

O

O

N

NH

NH2NH2 5-methyl-3-phenyl-1H-pyrazole

zegt Hendriks. “Er zijn af en toe wel problemen met het apparaat geweest, maar die zijn allemaal weer opgelost. Ook de resultaten klopten niet, de herhaalbaarheid lukte niet. Achteraf bleek dat vervuilingen de oorzaak waren. Het probleem was opgelost door het apparaat grondig te reinigen. Wat kost het? “Zo’n € 50.000, maar dat heeft Hogeschool Zuyd er niet voor hoeven te betalen, wij hebben hem gekregen. De deal met Chemtrix is dat wij als tegenprestatie onderzoek naar de opschaling zouden doen. Het apparaat is eigenlijk eigendom van Lionix en de Hogeschool mag er in de toekomst nog vaker onderzoek mee uitvoeren. De Labtrix kan tot 160 °C gaan en daar heb ik ook mijn onderzoek op gericht. Nu blijkt dat de Plantrix die temperatuur niet aankan. Op de Labtrix werkte ik tot 25 bar, de Plantrix kan maar tien bar aan. Aanvankelijk zou ik het opschalingsonderzoek zelf op de Plantrix gaan doen. Uiteindelijk heeft Chemtrix op basis van mijn resultaten en hun eigen bevindingen moeten concluderen dat de Plantrix deze maxima niet kon halen.” “Ik ben nu met mijn afstudeerverslag bezig en met een rapportage aan Chemtrix. Zij gaan de Plantrix nu aanpassen, want ze willen die inzetten voor kleine producties, van tonnen per jaar.” Wat ga je doen na je afstuderen? “Werk zoeken; ik zou het liefst op het lab chemische syntheses doen. Op de langere termijn weet ik het nog niet.”

Estafette-column Microsystemen en Innovatie Er wordt tegenwoordig veel gesproken over innovaties, dus .... hoe zit het met innovaties in het domein van microsystemen? Wat is de betekenis van R&D op het gebied van microsystemen voor industriële innovatie en de ontwikkeling van de kenniseconomie? Deze vraag stond centraal bij het symposium “Microsystemsn and Innovation”, dat plaatsvond op 27 april bij Dimes, het Delfts Instituut voor Microsystemen en Nanoelektronica. Deelnemers vanuit de overheid, politiek, universiteiten en industrie bespraken recente resultaten op het gebied van microsystemen, de technologische uitdagingen en hun innovatieve relevantie. Presentaties werden gegeven door onderzoekers van universiteiten (Freiburg, Twente en Delft), de grote industrie (NXP, ASML) en het MKB (Sensata, Aquamarijn). Het publiek kreeg een overzicht van het speelveld, de relevantie en de impact van microsystemen op sectoren die van groot economisch en maatschappelijk belang zijn, zoals monitoring in de gezondheidszorg, diagnostiek, apparatenbouw en de auto-industrie. In een paneldiscussie werd besproken hoe de stakeholders kunnen samenwerken om de innovatiekansen te benutten die R&D in microsystemen hen bieden. Het was duidelijk dat innovatie in het opkomende More than Moore-veld een goede samenwerking vereist tussen alle partners in de keten. Behalve de noodzakelijke inbreng van de partners, ontstaat hierdoor ook de kritische massa om de technologie naar de markt te brengen. Het MKB speelt een rol van toenemend belang in zulke consortia, terwijl de betrokkenheid van grote bedrijven essentieel blijft. Terecht werden er vragen gesteld over de nieuwe financiële uitgangspunten van grote bedrijven, waarbij er minder geld voor R&D wordt gereserveerd. Op termijn zal dit hun innovatiecapaciteit beperken. Prof. Paddy French wees er in zijn presentatie over Dimes en microsystemen op, dat de oprichting van STW een belangrijke stap is geweest in het stimuleren van microsystemen en dat dit heeft geleid tot veel succesvolle innovaties. Het was bijzonder interessant om key-note-speaker prof. Oliver Paul (IMTEK, Duitsland) te horen spreken over de financieringsmogelijkheden voor innovaties in Zwitserland en Duitsland en hun return on investment. Hij stelde dat je nooit weet waar innovatie vandaan komt, maar dat je er wel klaar voor moet zijn. Je moet je instellen op het faciliteren van innovaties, niet op het reguleren ervan. Hij wees er ook op dat hightech de toekomst is voor kleine landen zoals Zwitzerland (…en Nederland..) die, naast “brain power”, verder beperkte grondstoffen hebben.

Uit de presentaties en de discussie die daarop volgde, is duidelijk dat er in Nederland volop innovatie, creativiteit en kennis is op het gebied van microsystemen. Zoals prof. Albert van den Berg (UTwente) het samenvatte: “Microsystemen hebben een rijke geschiedenis, een stralend heden, en een opwindende toekomst!” Wanneer de (financiële) omstandigheden zo blijven dat de universiteiten de industrie kunnen blijven voeden met nieuwe ideeën en concepten, zullen we in dit land niet alleen een gezondere industrie hebben, maar ook een betere kwaliteit van leven.” Bij microsystemen gaat het, anders dan bij IC’s, vooral om toename van de functionaliteit of, zoals dr. Reinoud Woltjers (NXP) zei: “Beter” in plaats van “sneller”. De TU Delft en Dimes hebben een prominente positie verworven op het gebied van microsystemen. Dit is het resultaat van meerdere factoren, zoals prof. Simon iddelhoek’s baanbrekende onderzoek naar microsystemen sinds begin jaren 70, de excellente infrastructuur van Dimes en de nauwe samenwerking met de industrie, ondersteund door STW en programma’s als MicroNed. Ook de vele generaties van in Delft opgeleide briljante studenten (nu op invloedrijke posities binnen de industrie en universiteiten), ondersteunen mijn observatie. Als hoogleraar van TU Delft/ Dimes, en als groot fan van microsystemen, ben ik daar bijzonder trots op! Samengevat: ik geloof dat Nederland alle ‘ingrediënten’ heeft voor een continuüm aan innovaties in microsyLina Sarro stemen. Zoals ook door Hoogleraar Microsysteemtechnologie STW-directeur dr. Eppo TU Delft Bruins werd erkend, kan innovatie echter niet worden gestuurd. Zij dient te worden aangemoedigd, gewaardeerd en vooral gefaciliteerd. Hiervoor zijn (niet te complexe) financieringsmechanismen nodig die het ‘kennen/ontmoeten/ samenwerken’ stimuleren. Dit is fundamenteel voor uitvindingen die aan de wieg staan van zoveel andere innovaties.

Micro

Megazine

39

MicroNed is een publiek-private verband waarin tien kennisinstituten, 28 actief deel­ nemende bedrijven (partners) en zo’n 25 betrokken bedrijven (gebruikers) samenwerken aan zowel het verwezenlijken van nieuwe MST-toepassingen, als aan het opzetten van een duurzame kennisinfrastructuur op het gebied van microsysteemtechnologie. MicroNed is een van de 37 BSIK-consortia die zijn opgezet voor het versterken van economische kennisinfrastructuur en die deels worden gefinancierd uit de Nederlandse

aardgasbaten. Het totale budget van MicroNed bestaat uit € 58 miljoen. Daarvan is € 30 miljoen ingebracht door de partners, de overheid heeft € 28 miljoen toegezegd. MicroNed staat namens de overheid onder supervisie van drs. J.R.G. Bakker (voorzitter, Min. van Econ. Zaken), drs. J.N. Mout (Min. van Onderwijs, Cultuur & Wetenschap) en mr. P.M.A. Vetter (Min. van Landbouw, Natuur & Voedselkwaliteit).

Raad van Toezicht (deelnemende organisaties & bedrijven, Vz. Prof.ir. O.H. Bosgra) Management Team (7 leden, Vz. Prof.dr.ir. A. van Keulen)

Bureau

Cluster-leider MISAT

Cluster-leider SMACT

Cluster-leider MUFAC

Cluster-leider FUNMOD

1A Satellite bus Dr.ir. C.J.M. Verhoeven Technische Universiteit Delft Fac. EWI / ELCA Postbus 5031 2600 GA Delft Tel. (015) 278 6482 E-mail [email protected]

2A Atomisation Dr. A.M. Versluis Universiteit Twente Fac. TNW / Vloeistoffysica Postbus 217 7500 AE Enschede Tel. (053) 489 6824 e-mail [email protected]

3A 3d-Microstructuring Dr.ir. H.H. Langen Technische Universiteit Delft Fac. 3ME / PME Design Mekelweg 2 2628 CD Delft Tel. (015) 278 1887 E-mail [email protected]

4A/B Transport phenomena & multi physics Prof.dr. D.J. Rixen Technische Universiteit Delft Fac. 3ME / PME Mekelweg 2 2628 CD Delft Tel. (015) 278 1523 E-mail [email protected]

1B Payload system Dr.ir. B. Monna SystematIC design BV Motorenweg 5G 2623 CR Delft Tel. (015) 251 1100 E-mail [email protected]

2B Micro-engineering of supramolecular assemblies Prof.dr. E. van der Linden Wageningen Universiteit Agrotechnologie & Voedingswetenschappen / Food Physics Group Postbus 8129 6700 EV Wageningen Tel. (0317) 485 417 e-mail [email protected]

3B Micro assembly Dr.ir. M. Tichem Technische Universiteit Delft Fac. 3ME / PME Mekelweg 2 2600 AA Delft Tel. (015) 278 1603 E-mail [email protected]

4C Micromechanics Prof.dr.ir. M.G.D. Geers Technische Universiteit Eindhoven Fac.Werktuigbouwkunde, MoM, WH 4.135 Postbus 513 5600 MB Eindhoven Tel.(040) 247 5076 E-mail [email protected]

3C Phase separation microfabrication Dr.ir. R.G.H. Lammertink Universiteit Twente Fac. TNW / Membraantechnologie Postbus 217 7500 AE Enschede Tel. (053)489 2063 E-mail [email protected]

4D Design & Optimisation Prof.dr.ir. A. van Keulen Technische Universiteit Delft Fac. 3mE / PME Mekelweg 2 2628 CD Delft Tel. (015) 278 6515 E-mail [email protected]

Prof.dr. E.K.A. Gill

1C Spacecraft architecture Ir. A.R. Bonnema Innovative Solutions in Space (ISIS) Rotterdamseweg 380 2629 HG Delft Tel. (015) 256 9018 E-mail [email protected] 1D Formation flying systems Prof.dr.ir. J.M.A. Scherpen Rijksuniversiteit Groningen Fac. Wiskunde en Natuurwetenschappen Instituut Technologie en Management Nijenborgh 4 9747 AG Groningen Tel. (050) 363 8791 E-mail [email protected]

Prof. dr. C.J.M. van Rijn

2C Sensing & Diagnostics on a chip Dr.ir. M.A. Jongsma Wageningen Universiteit Plant Research International Postbus 16 6700 AA Wageningen Tel. (0317) 480 932 E-mail [email protected] 2D Dynamic micro-fractionation Prof.dr. P.M. Sarro Technische Universiteit Delft Fac. EWI / ECTM Postbus 5053 2600 GB Delft Tel. (015) 278 7708 e-mail [email protected]

Dr.ir. H.H. Langen

Prof.dr. D.J. Rixen

3D Non-lithographic micro patterning tools Dr. E.S. Kooij Universiteit Twente Fac. TNW / MESA+ Postbus 217 7500 AE Enschede Tel. (053) 489 3146 E-mail [email protected]

2E Micro coriolis flow controller Ir. R. Zwikker Demcon BV Zutphenstraat 25 7575 EJ Oldenzaal Tel. (0541) 570 720 e-mail [email protected] 2F Fluorescence on a chip Prof.dr.ir. J. Westerweel Technische Universiteit Delft Fac. 3ME / Vloeistofmechanica Mekelweg 2 2628 CD Delft Tel. (015) 278 6887 e-mail [email protected] 2G Smart micro reactors Prof.dr.ir. J.C. Schouten Technische Universiteit Eindhoven Fac. Chemische Technologie / Chemische reactortechnologie Postbus 513 5600 MB Eindhoven Tel. (040) 247 3088 e-mail [email protected] 2H Emulsification Prof.dr.ir. R.M. Boom Wageningen Universiteit Agrotechnologie en Voedingswetenschappen / Sectie Proceskunde Postbus 8129 6700 EV Wageningen Tel. (0317) 482 230 E-mail [email protected]

40

Micro

Megazine

MicroNed Bureau: Communicatie & PR Communicatie-ondersteuning Financiën Programma management Programmabegeleiding Secretariaat Voortgangscontrole Website & data Bezoek- en postadres: Mekelweg 2 2628 CD Delft Tel. (015) 278 4357 www.microned.nl

Philip Broos ([email protected]) Lucienne Dado ([email protected]) Jan van der Lek ([email protected]) Richard van der Linde ([email protected]) Henne van Heeren ([email protected]) Marianne Stolker ([email protected]) Olga van Paassen-van Halderen ([email protected]) Tjeerd Rijpma ([email protected]) Satish Rangoe ([email protected])