Micromotortjes

De promovendus Yogesh Gianchandani van de universiteit van Michigan staat glunderend bij zijn poster. Op de plaat is te zien hoe hij twee tandwieltjes zo breed als de dikte van een mensenhaar met een stangetje heeft verbonden. Als een trotse vader staat George Hazelrigg erbij. Hij is van de National Science Foundation uit Washington die dit onderzoek financierde. Daar komt hoogleraar Christof Burckhardt van het Zwitserse Technologische Instituut aanzetten. Zijn blik is getergd. Burckhardts imposante verschijning - bijna twee meter - benadrukt dat nog eens. Hij gaat gehakt maken van de Indiër. 'Dat is niets wat je daar hebt', wijst Burckhardt, die even daarvoor Gianchandani's praatje in de zaal heeft aangehoord. 'Dat ding kan niet eens bewegen. Het is dom om een structuurtje te showen waaraan je in een oogopslag kan zien dat het niet eens kan werken. Nonsens is het. Als een van mijn studenten zoiets laat zien, zakt ie als een baksteen.'

Hazelrigg gaat in de verdediging. 'Zoiets hoeft ook niet te worden toegepast, als we maar meer te weten komen over de fundamentele vragen in de micromechanica', sust hij. Gianchandani staat er wat beteuterd bij.

Dit tafereeltje speelde zich twee jaar geleden af tijdens de workshop Micro-Electro Mechanical Systems in het Duitse Travemunde. MEMS is een jaarlijks terugkerend congres waarop onderzoekers over de hele wereld de ontwikkelingen op het gebied van micromechanica bespreken. Volgend jaar komt MEMS in Nederland.

De scène is illustratief. Micromotortjes hebben zo'n grote aantrekkingskracht op onderzoekers dat veel deze wieltjes opnieuw uitvinden.

Het eerste motortje dat in 1988 op de universiteit van Californië in Berkeley werd gemaakt, zette een ware micromotorrace in beweging. Het ronddraaiende gedeelte is een schijfje silicium met een diameter van 60 micron, 60 duizendste millimeter. Een mensenhaar is 70 tot 100 micron dik. Op het raderwiel zitten tandjes zo groot als bloedcellen.

Berkeleys micromotortje was het vehicel naar wereldwijde bekendheid, maar toepassingen voor aandrijving liggen nog steeds niet in het verschiet. Dat is ook meteen in te zien als we kijken naar de manier waarop de wieltjes bewegen. De beweging doet nog het meest denken aan een hoepel die je om je middel laat draaien. De rotor ligt losjes om een as. De polen liggen in een kring om het wieltje en trekken het ombeurten met elektrostatische krachten aan. Het schijfje schuift daarbij steeds naar een opvolgende pool waarbij de spil in het midden ervoor zorgt dat het wieltje niet helemaal naar de tegenpool wordt getrokken. Wobbelmotor noemen onderzoekers dit wiebelding, en dat geeft ook al aan dat van een mooie draaibeweging om één middelpunt geen sprake is.

Niet alleen zijn deze motorjes als krachtbron waardeloos, ze tonen ook aan dat micro-structuren zeer delicaat zijn. Een stofje tussen de tandradjes heeft het effect van een bezemsteel tussen de spaken van een fietswiel. Ulrike Wallrabe van het Kernforschungszentrum Karlsruhe maakte een potige wobbelmotor van een kwart millimeter uit nikkel en zag het onder haar ogen gebeuren. 'Onder de microscoop zag ik het hele zaakje al na enkele minuten vastlopen.'

Waarom is bewegen op micro-niveau dan zo interessant? Dat komt omdat er voordelen zitten aan micro-manipulatie. Volgens veel onderzoekers is het een realistisch streven om bestaande instrumenten te verkleinen. Het voordeel bij de verkleining is de geringere massa. Kleine onderdelen zijn sneller te bewegen. Dat is ook te zien op de video-opnames: bij een wobbelmotor die in gang wordt gezet is versnelling niet op te merken. Door de geringe massa draait het wieltje vanaf de start op volle toeren.

'Een voorwerp dat tien keer kleiner wordt, kan zijn taken tien keer sneller uitvoeren', zegt micromechanica-profeet William Trimmer, hoofdredacteur van het Journal of Microelectromechanical Systems, 'nu worden nog meters grote wafersteppers ingezet voor de behandeling van centimeters grote chips. Temperatuurverschillen van één graad veroorzaken in die wafersteppers soms een krimp van 10 micron, terwijl ze chips moeten produceren met een nauwkeurigheid van minder dan een micron.'

Instrumenten worden ook nauwkeuriger naarmate ze kleiner zijn. Trimmer: 'Veel assemblage-taken in de micro-elektronica zouden gemakkelijk op een koffieschoteltje zijn uit te voeren als er minirobots beschikbaar zouden zijn.'

De Japanners werken al serieus aan microfabriekjes. Het Japanse ministerie voor handel en industrie (MITI) besloot in 1991 enkele tientallen bedrijven met 500 miljoen gulden te steunen in een 'grootschalige inspanning voor microwerktuigtechnologie'. Er zullen geavanceerde onderhoudssystemen worden ontwikkeld voor het onderhoud van koelsystemen in krachtcentrales en een catheter met meerdere kanalen voor microchirurgie.

Een ander doel is de miniaturisatie van fabricageprocessen in cleanrooms zoals chipproduktie. 'Hoofddoel is ongetwijfeld de miljarden dollars te besparen die cleanroomfabs tegenwoordig kosten', zei Joseph Gianchino, programma-manager sensor- en actuatortechnologie bij Ford Motor, nadat hij vorig jaar met een aantal Amerikaanse micromechanica-onderzoekers terugkwam van een studiereis naar Japan.