‘Microsysteemtechnologie is booming business’

Microsysteemtechnologie (MST) is de afgelopen vijf jaar in een spectaculaire stroomversnelling geraakt. MST-componenten zitten in smartphones, tablets, airbags, pacemakers, labs-on-a-chip en printers. Volgens TNO‘er Jan Eite Bullema is de MST-revolutie nog maar net begonnen en staat ons nog veel meer te wachten. Dit mede door innovaties in stereolithografie en 3D-printing. De komende vijf jaar zal de markt voor MST dan ook opnieuw verveelvoudigen en aan de basis staan van spectaculair nieuwe toepassingen zoals een pacemaker ter grootte van een tic tac of een draagbare kunstnier die in een schoenendoos past.

Frank Senteur is freelance journalist.

25 juni 2013

Per persoon zijn er nu al meer dan honderd intelligente producten aanwezig, waarvan er heel veel gebaseerd zijn op microsysteemtechnologie (MST), en dat aantal stijgt snel. Zo is het aantal microprocessoren per gemiddeld huishouden de twintig inmiddels gepasseerd en bedraagt het aantal MST-componenten reeds een veelvoud daarvan. MST-systemen zijn enorm verschillend. Qua mechanische bewegingen wordt gebruikgemaakt van zeer uiteenlopende technieken; van kleine microstructuren van silicium of geleidend kunststof die vervormen door er spanning op te zetten, tot minuscule kanaaltjes waar vloeistoffen maar in één richting doorheen stromen. Piëzo-elementjes zijn geschikt als mini-actuator om bijvoorbeeld heel kleine verschuivingen van spiegeltjes of lensjes te realiseren.

Bij TNO wordt ook gewerkt aan de volgende generatie machines: de Print Valley. Deze maken gebruik van additieve technieken (3D-printing) en stellen bedrijven in staat om vrijwel elk denkbaar product uit verschillende materialen te maken op locatie. Dat kunnen elektronica- en/of MST-componenten zijn, maar bijvoorbeeld ook botprotheses uit lichaamsvriendelijk en botgroeistimulerend materiaal.

Microsysteemtechnologie is ontstaan nadat de elektronica-industrie de halfgeleidende eigenschappen van silicium ging gebruiken om diodes, transistoren en IC‘s te fabriceren. Het bleek dat silicium naast die elektrische eigenschappen ook interessante mechanische eigenschappen bezit. Het vervormt bijvoorbeeld niet onder belasting en enorm stijf is. Door kleine mechanische structuren te etsen in silicium werd het mogelijk om de miniaturisatietechnieken die voor de halfgeleiderindustrie waren ontwikkeld, te gebruiken voor de realisatie van kleine mechanische structuren.

’Het gaat heel snel met de miniaturisatie‘, zegt Jan Eite Bullema, senior scientist bij TNO. ’Dit wordt mede veroorzaakt door het feit dat je door combinaties van factoren de MST-systeempjes niet alleen steeds kleiner kunt maken, maar nu ook heel goedkoop kunt produceren. Zo zijn we in Eindhoven momenteel al op micrometerniveau aan het 3D printen met geavanceerde machines waardoor je opnieuw een sneeuwbaleffect krijgt. Vooral de automobielindustrie is een grote aanjager van MST. In high-end auto‘s zoals van BMW, Jaguar en Mercedes zitten al meer dan honderdvijftig sensoren en dit aantal stijgt nog steeds. Veel wagens zijn bijvoorbeeld al uitgerust met tien airbags en naast de bekende temperatuur-, druk- en versnellingssensoren ook voorzien van parkeer-, radar- en GPS-systemen. Een moderne auto zit bomvol sensoren en dankzij MST kan het comfort en de veiligheid daarmee drastisch worden verhoogd zonder dat de auto steeds zwaarder wordt.‘

’Veel MST-producten zijn inmiddels in grote aantallen goedkoop te produceren waardoor niets een verdere opmars in de weg staat‘, verwacht Bullema. ’Neem de accelerometer. Deze sensor kost inmiddels minder dan 80 cent en zit massaal in smartphones, tablets, gameconsoles en ook in laptops als valbescherming voor de harddisk. MST is daarbij leidend en grensverleggend, want straks is ook de HDD verleden tijd en zitten er nog alleen maar flashgeheugens in computers.‘

Iphone 5

’Bij de realisatie van een microsysteem moeten we eerst een geschikt materiaal ’microstructureren‘, bijvoorbeeld door een structuur te etsen in silicium of gaatjes te maken in kunststof met een laser‘, legt Bullema het ontstaan van een microsysteem uit. ’Vervolgens moeten we deze microstructuur beschermen tegen de omgeving. Een dun, fragiel membraan dat bij weinig kracht al breekt, zetten we in een huisje. Een klein spiegeltje dat kan oxideren, sluiten we af van de lucht. Daarna combineren we de functionele microstructuur met micro-elektronica die zorgt voor de besturing en de uitlezing van de microstructuur. Tot slot doen we het geheel in een mooi doosje voor de eindgebruiker. Op packaging-gebied loopt momenteel een Eniac-JU-project om te kijken of we tot een standaard voor de behuizingen van MST-componenten kunnen komen. Want als iedereen een andere behuizing ontwikkelt, dan beperk je de universele toepassing en daarmee een snelle opmars. Aan dit project doet een aantal Nederlandse bedrijven mee, zodat wij hier vanuit ons land een belangrijke sturing aan kunnen geven.‘

In high-end auto’s zoals van BMW, Jaguar en Mercedes zitten al meer dan honderdvijftig sensoren en dit aantal stijgt nog steeds.

In Europa hebben we het over microsysteemtechnologie, maar in de Verenigde Staten wordt vaak gesproken over micro-elektromechanische systemen. Is dat hetzelfde? ’Niet helemaal‘, zegt Bullema. ’Met Mems worden meestal microsystemen aangeduid waarvan het hart bestaat uit een bewegend silicium onderdeel, bijvoorbeeld een druksensor met een dun silicium membraan. In microsysteemtechnologie worden inmiddels ook andere materialen gebruikt dan silicium. Zo worden voor medische toepassingen vaak goedkopere biocompatibele kunststoffen gebruikt. De Amerikanen lossen dit op door over Biomems te spreken of over Optomems waarmee ze het toepassingsgebied aanduiden. Voor buitenstaanders kan dit tot verwarring leiden. Ik vind de Europese benaming microsysteemtechnologie dan ook eenduidiger. Dat neemt niet weg dat de Mems-markt enorm snel groeit. In een Iphone 5 zitten al elf Mems-achtige devices. Als je dan bedenkt dat de smartphonemarkt wereldwijd zo‘n anderhalf miljard stuks groot is, dat er zo‘n vijfhonderd miljoen stuks per jaar worden verkocht en Apple met z‘n Iphone daarvan ongeveer de helft voor zijn rekening neemt, wordt duidelijk wat er alleen al in deze wereld qua Mems-technologie omgaat.‘

Parkinson

Drie producten worden altijd genoemd als typische ’first MST-producten‘ en daar is de druksensor er een van. De andere twee zijn de airbagsensor (feitelijk een accelerometer) en de printkop van een inkjetprinter. Maar ook – of vooral – in de medische wereld speelt MST een steeds belangrijker rol. Zo bevat een pacemaker sensoren die hartritmestoornissen registreren. Vervolgens kunnen de actuatoren, in de vorm van elektrodes, de hartspier activeren. Het zal duidelijk zijn dat een pacemaker klein moet zijn en een laag energieverbruik moet hebben. Het apparaatje moet bij voorkeur intelligent kunnen reageren op de activiteiten van de patiënt en liefst informatie kunnen sturen naar de dokter.

In TNO’s Print Valley-machine voert een carrousel de producten in wording langs de printstations.

’Om zo veel mogelijk functies op zo‘n klein oppervlak te realiseren in combinatie met een laag energieverbruik heb je microtechnologie keihard nodig‘, benadrukt Bullema. ’Inmiddels heeft Medtronic een pacemaker ontwikkeld met behulp van MST en wordt voor de productie gebruikgemaakt van machines waarop ook chips worden geproduceerd. Deze nieuwe MST-pacemaker is zo klein dat artsen hem met een katheter via een bloedvat in de hartspier kunnen aanbrengen. Dit apparaatje heeft amper de afmetingen van een tic tac.‘

Ook zijn er inmiddels – in Amerikaanse benaming – ’Cardiomems‘. Bullema: ’Dit zijn implanteerbare bloeddruksensoren die draadloos communiceren met de buitenwereld zodat de patiënt continu wordt bewaakt. Daarnaast wordt gewerkt aan implanteerbare medicatiedoseersystemen die heel kleine hoeveelheden vloeistof kunnen doseren. Hiermee kunnen bijvoorbeeld Parkinson-patiënten symptoomvrij worden gehouden of suikerpatiënten volgens het normale lichamelijke patroon insuline toegediend krijgen.‘

Drogist

’Een ander goed voorbeeld is een hoortoestel of zelfs een oorimplantaat‘, vervolgt Bullema. ’Dit zijn complete microsystemen met sensor, microfoon, actuator en luidspreker. Ook een gehoorapparaat moet klein zijn. Liefst zo klein dat het perfect in het oor past. Natuurlijk uit cosmetische overwegingen, maar ook om windruis tegen te gaan. Behalve het feit dat we delen van de MST-structuur al met nauwkeurige 3D-printingtechnieken kunnen produceren, kun je het feitelijke apparaatje inbedden in een kunststof huisje dat eveneens met 3D-printing is gemaakt en naadloos in het oor van de gebruiker past. Helemaal fraai is dat doven met cochlear implants weer kunnen horen. De implantaten vervangen buiten-, midden- en inwendig oor. Ze vertalen geluid naar elektrische pulsen die via een microgestructureerde elektrode direct de gehoorzenuw prikkelen. Wereldwijd is al bij tienduizenden mensen die functioneel doof waren zo‘n rechtstreekse aansluiting van een microsysteem op het zenuwstelsel gerealiseerd. Het is inmiddels een standaardoperatie met beperkte risico‘s.‘

Een ander spectaculair voorbeeld is de lab-on-a-chip, vervolgt Bullema enthousiast. ’Met deze chips kunnen heel snel analyses van vloeistoffen worden uitgevoerd. Omdat ze zeer kleine kanalen bevatten, is voor een analyse maar weinig vloeistof nodig en gaat het opwarmen en afkoelen snel. Qua praktische toepassing moet je denken aan bijvoorbeeld kleine apparaatjes die je bloed op wel vijftig verschillende waarden kunnen onderzoeken. Doordat je voor de productie kunt gebruikmaken van slimme kunststoftechnieken, zijn die lab-on-a-chip-apparaatjes in principe heel goedkoop te maken en zouden ze op een gegeven moment zelfs als disposable kunnen worden verkocht bij de drogist of een thuiszorgcentrum. In combinatie met een telefonisch consult of advies via internet zou je hiermee een revolutionaire ontwikkeling in de richting van zelfdiagnose op gang kunnen brengen, waarmee onze gezondheidszorg efficiënter en wellicht goedkoper zou kunnen worden. Een ander voorbeeld van een lab-on-a-chip-toepassing is een minigaschromatograaf, die dankzij MST inmiddels kleiner is dan een pakje sigaretten.‘

Gloeilamp

Een interessant project waaraan TNO nu werkt is de microkoeler. Daarbij wordt gebruikgemaakt van microfluïdica en dat biedt interessante perspectieven. ’Want als iets met lucht wordt gekoeld, praten we over slechts 100 W/m2 aan koelvermogen‘, weet Bullema. Het koelend vermogen van vloeistofkoeling, zoals dat in auto‘s gebeurt met de radiator en een koelmiddel, bedraagt echter al tienduizend W/m2. Dat is dus een factor honderd beter dan luchtkoeling. Maar wordt gebruikgemaakt van zogeheten evaporative cooling (koeling op basis van verdamping), dan schiet het effect gelijk naar een koelend vermogen van 1 MW/m2, nog eens honderd keer beter.

Koeling op basis van verdamping is zeer effectief. Het probleem is alleen dat systemen met microkanalen snel verstopt raken door luchtbellen in de kanaaltjes. TNO heeft hiervoor een oplossing waarvoor het een EU-project heeft gedefinieerd om het te standaardiseren.

’Het probleem bij evaporative cooling met systemen die zijn voorzien van microkanalen is dat je vrij snel te maken krijgt met het blokkeren van kanaaltjes door luchtbellen‘, zegt Bullema erover. ’Daar hebben we echter een oplossing voor gevonden. De gepatenteerde koelkanaaltjes in ons microkoelsysteem zijn slechts 1 mm in doorsnee en raken niet door luchtbellen verstopt. We zijn momenteel aan het zoeken naar partijen waarmee we dit principe verder kunnen ontwikkelen tot een betrouwbare technologie. Hiervoor is een nieuw EU-project gedefinieerd dat is gericht op standaardisatie van microfluïdicasystemen.‘

’Met deze microkoelsystemen kun je hoogvermogensystemen bouwen die toch zeer kleine afmetingen hebben‘, meldt Bullema. ’Er zijn momenteel bijvoorbeeld al leds op een plaatje van ongeveer 10 bij 10 bij 3 mm die een lichtopbrengst hebben van 800 lumen. Dat is het equivalent van een 60 watt gloeilamp. Uiteraard genereert dit de nodige warmte, maar als je die met een compact systeem kunt afvoeren, kun je hiermee zeer kleine, zuinige verlichtingssystemen bouwen. Ook de afmetingen van systemen met vermogenselektronica kun je met microkoeling aanzienlijk verkleinen.‘

Genoom

Indrukwekkend zijn ook de plannen van Hewlett Packard voor een mondiaal ’neuraal netwerk‘ Cense (Central Nervous System for the Earth). Hierbij wil HP een triljoen uiterst gevoelige sensoren op basis van MST als punaises op strategische plekken op de aardbol plaatsen om daarmee cruciale zaken in de gaten te kunnen houden. In totaal wordt gesproken over 1012 sensoren. Die gaan onder meer druk, temperatuur, versnelling, vochtigheid, licht, geluid en rotatie meten. Dit zelfs redundant en met behulp van verschillende meetprincipes. Vorig jaar is ook Shell bij dit project aangehaakt en het is de bedoeling dat dit Cense-systeem in 2020 klaar zal zijn. Daarmee zou het dan mogelijk moeten zijn om aardbevingen, cyclonen en tsunami‘s tijdig te zien aankomen. Maar ook om het weer beter te kunnen voorspellen over langere periodes en bijvoorbeeld om nauwkeurige realtime gegevens te verzamelen voor milieuonderzoek.‘

Tot slot meldt Bullema nog een ander nieuw project, namelijk de ontwikkeling van een uiterst compacte portable kunstnier. ’Dit plan hebben we in samenwerking met de Nierstichting ontwikkeld‘, zegt Bullema. ’Nierdialyse is vervelend, maar als je daarvoor met behulp van MST een compacte kunstnier kunt maken die de patiënt overal makkelijk zelf kan bedienen, dan zou dat zijn leven een heel stuk aangenamer maken. Medische toepassingen vormen een dankbaar aandachtsgebied voor MST. Zo zijn er inmiddels op basis van MST ook al nieuwe systemen ontwikkeld waarmee het genoom van een mens kan worden bepaald tegen aanzienlijk lagere kosten en met een veel hogere snelheid dan gebruikelijk. Nu kan dat binnen een dag. Labs-on-a-chip-technieken en dus MST spelen daarbij een hoofdrol.‘