MICROTRILLINGEN DOOR ACTIEVE DEMPERS ONDER CONTROLE

Met het kleiner worden van de details op computerchips vormen trillingen een steeds groter probleem bij de productie ervan. De Twentse promovendus dr.ir. Jan Holterman bedacht een methode om de kleinste trillingen met elektronische dempers actief tegen te gaan.

Het `bakken' van computerchips is een zeer nauwkeurig werkje, waarvoor peperdure lithografische machines bestaan: wafersteppers. Via een lens branden deze wafersteppers uiterst fijne patroontjes op fotogevoelige siliciumplaatjes. Trillingen in de lens zijn daarbij uit den boze; net als bij een bewogen fototoestel zouden daardoor de fijnste details in het lijnenpatroon wegvallen, en is de chip onbruikbaar.

De huidige generatie wafersteppers heeft van trillingen nog weinig last. De apparaten staan op drie geavanceerde luchtkussens die alle trillingen uit de grond tegenhouden. Maar wafersteppers worden steeds nauwkeuriger en bij nog verdere schaalverkleining gaan akoestische trillingen (praten, niezen, luchtkoeling) de chipproductie parten spelen: de lens gaat te veel trillen. Om dat te voorkomen heeft de Twentse promovendus dr.ir. Jan Holterman een manier bedacht om de lens met hulp van regeltechniek en sturende software actief te dempen.

De één meter hoge, cilindrische lens van een waferstepper wordt op zijn plaats gehouden door een flens, een smalle ring aan de onderzijde. Deze rust weer op drie `pootjes', de lenssupports. Holterman kerfde in iedere lenspoot een opening waarin hij tweemaal een kleine sensor en daarbovenop een 1,5 millimeter hoge actuator aanbracht. Beide zijn gemaakt van piëzo-elektrisch materiaal: ze kunnen mechanische druk omzetten in een stroompje en andersom. Wordt de sensor een klein beetje ingedrukt (door trilling), dan geeft hij dat onmiddellijk door aan de computer, die op zijn beurt aan de actuator `beveelt' hoeveel hij terug moet duwen. Zo wordt iedere trilling direct gecorrigeerd.

De sensoren en actuatoren in Holtermans experiment konden zowel verticale als tangentiële (rotatie van de lens) correcties toepassen. Hierdoor konden alle optredende trillingen worden gedempt. Het ging Holterman voornamelijk om de vervelendste: de zogeheten joysticktrillingen van ruim 100 Hertz. De lens maakt hierbij dezelfde bewegingen als een joystickpook.

De resultaten van het experiment waren opmerkelijk: de demping van trillingen was ongeveer honderd keer sterker dan normaal. Maar dat wil zeker niet zeggen dat de nauwkeurigheid van een waferstepper honderd keer hoger wordt, waarschuwt Holterman onmiddellijk. Hij denkt eerder aan een factor drie of vier.

Helemaal nieuw is het actief dempen van trillingen niet: in de ruimtevaart wordt ermee geëxperimenteerd en Brusselse wetenschappers doen onderzoek naar actieve demping van bruggen en wegen. Naast wafersteppers denkt Holterman dat actieve demping ook in uiterst nauwkeurige microscopen kan worden toegepast. Voor iedere toepassing moeten sensor-actuatorsystemen echter op maat bedacht en gemaakt worden. Het idee van mechatronica-pioniers tien jaar geleden om via massaproductie goedkope trillingsdempende schijfjes te maken die je in ieder apparaat zou kunnen aanbrengen, is volgens Holterman onhaalbaar.