TU Delft en Tag Heuer bouwen frequentievermenigvuldiger uit één stuk

De niet-aflatende vraag naar kleinere technologie stelt wetenschappers en bedrijven continu voor nieuwe uitdagingen. Veelgebruikte mechanische technieken zijn vaak niet een-op-een te miniaturiseren. Samen met horlogemaker Tag Heuer ontwikkelden wetenschappers van de TU Delft een frequentievermenigvuldiger ter grootte van een 5-eurocentmunt uit één stuk silicium. Hun vinding heeft geen last van wrijving of slijtage, en kan naar hartenlust verder worden verkleind.

D.B.A. Rep is freelance tekstschrijver (dbar.nl).

18 maart

Het kunnen omzetten van bewegingen, krachten of frequenties is een essentiële functie voor mechanische systemen; om actuatoren aan elkaar te kunnen koppelen, moet de output van de ene actuator precies voldoen aan de inputvereisten van de andere. Maar hoe zien die transmissiesystemen eruit als de technologie waarvan ze deel uitmaken steeds kleiner moet worden zoals in micro-elektromechanische systemen?

Davood Farhadi Machekposhti, promovendus aan de afdeling Precision and Microsystems Engineering van de Technische Universiteit Delft, werkt aan elastische mechanismen. Dat zijn schaalbare systemen die niet uit meerdere ten opzichte van elkaar bewegende onderdelen zijn opgebouwd, maar bestaan uit een monolithisch geheel met daarin meer en minder buigzame gedeeltes. De schaalbaarheid van elastische mechanismen is vooral van belang voor de mems-industrie. Mems zijn inmiddels niet meer weg te denken uit de technologie die we elke dag gebruiken. Mems-actuatoren zijn te vinden in laptops en inkjetprinters, en zorgen onder meer voor de autofocusfunctie in camera’s. Ook worden mems-sensoren gebruikt voor het meten van bijvoorbeeld druk (autobanden, bloeddruk) en versnelling (airbags, Nintendo Wii).

Het eerste prototype is zo’n 3 cm in diameter. De smalste gedeeltes zijn 18 µm dik. Foto: Eric Fecken

Farhadi: ‘Neem de techniek die nodig is om een frequentie van een mechanische oscillatie te verdubbelen. De klassieke benadering hiervan is om een tandwielkast te gebruiken. Het is echter geen sinecure om tandwielen en kogellagers te verkleinen tot op de schaal van de duizendste millimeter. Wetenschappers zijn er wel in geslaagd om microtandwielkasten te fabriceren, maar daar kleven nadelen aan en er is bovendien geen ruimte meer voor verdere verkleining.’ Die nadelen betreffen vooral de hoge fabricagekosten, onvoldoende efficiëntie, wrijving en slijtage of zelfs uitval. Een elastisch ontwerp betekent een geheel nieuwe benadering om frequenties om te zetten zonder al die nadelen.

Van star naar flexibel

Waar traditionele mechanische systemen zijn opgebouwd uit starre onderdelen, aan elkaar gekoppeld via beweegbare verbindingen zoals scharnieren, bestaan elastische systemen uit veel minder onderdelen en kunnen ze bewegen doordat ze van buigzaam materiaal zijn gemaakt. Een eenvoudig voorbeeld van een elastisch transmissiemechanisme is de boog waarmee een pijl kan worden afgeschoten. Zowel boog als koord zijn flexibel. Door de pijl met het koord naar achteren te trekken, wordt elastische energie opgeslagen; na loslaten wordt die energie overgebracht op de pijl. En in de machinetechniek kennen we de flexibele metaalbalg die wordt gebruikt om twee roterende, maar niet uitgelijnde assen met elkaar te verbinden: ook een voorbeeld van een elastische transmissie.

Sentech Precisiebeurs

Elastische ontwerpen bestaan doorgaans uit weinig onderdelen, soms zelfs maar uit één, wat een verschil kan maken in de fabricage- en montagetijd en in de -kosten. Doordat er minder verbindingen zijn waar onderdelen ten opzichte van elkaar bewegen, is er ook minder sprake van wrijving of slijtage en minder noodzaak voor smering en onderhoud. Aangezien de verbindingen in klassieke mechanische systemen het moeilijkst te verkleinen zijn, bieden elastische mechanismen ook voordelen voor gebruik in micro-elektromechanische systemen.

Davood Farhadi: ‘De schaalbaarheid van elastische mechanismen zorgt ervoor dat praktische toepassingen in de mems-hoek er al snel kunnen zijn.’

Bijkomend voordeel is dat elastische micro-mechanismen kunnen worden vervaardigd met behulp van bestaande technologie en materialen die al intensief worden gebruikt bij de fabricage van computerchips. Belangrijk nadeel van de elastische benadering is dat het doorrekenen en modelleren van de ontwerpen een stuk moeilijker is. Wiskundig gezien zorgt de flexibiliteit van de onderdelen ervoor dat er niet-lineaire vergelijkingen in het spel komen, met alle complicaties van dien.

Farhadi ziet een grote toekomst voor dit type transmissiesystemen. Hij en zijn collega’s bij de TU Delft hebben inmiddels patent aangevraagd op hun vinding, en bereiden publicaties en vervolgprojecten voor. Hun ontwerp is gebaseerd op een verbazingwekkend simpel principe waarmee de frequentie van een oscillerende beweging kan worden verdubbeld. ‘Stel je voor dat een onderdeel een horizontale heen-en-weerbeweging maakt met een bepaalde frequentie. Dat is de inputoscillatie. Door een verbinding te maken tussen dit onderdeel en een bovengelegen tweede onderdeel dat een op-en-neerbeweging maakt, de outputoscillatie, verdubbel je de frequentie.’

Prototype

De Delftse onderzoekers verfijnden dit ontwerp om ervoor te zorgen dat de outputbeweging niet al te klein uitpakt en koppelden twee van dergelijke systemen aan elkaar om frequenties te kunnen verviervoudigen. In een publicatie in het IEEE-tijdschrift Journal of Micromechanical Systems beschrijven de onderzoekers hoe een prototype van hun mechanische oscillator de verviervoudiging succesvol uitvoert. Dit prototype is zo’n 3 cm in diameter en werd geëtst uit een stuk silicium van een halve millimeter dik. De smalste gedeeltes zijn maar 18 µm dik. ‘We hebben inmiddels ook al een kleinere versie gemaakt van slechts 2 bij 2 mm, amper nog met het blote oog te inspecteren’, aldus Farhadi.

Dit nieuwe ontwerp om de frequentie te vermenigvuldigen maakt gebruik van de natuurlijke elasticiteit van het silicium om beweging en kracht over te zetten. Er komen geen rigide onderdelen aan te pas die ten opzichte van elkaar bewegen, met alle wrijving en slijtage van dien. Farhadi: ‘Onze monolithische microtransmissie kent geen roterende onderdelen. Er zijn dus geen lagers nodig. Ook is er geen energieverlies door wrijving en is er geen assemblage vooraf of onderhoud achteraf nodig. Het is bovenal ook zeer goed schaalbaar.’

Maar wat kunnen we ermee? ‘Er zijn veel actuatoren die prima functioneren, maar dan wel alleen bij lage frequenties’, legt Farhadi uit. ‘Denk aan thermische actuatoren die worden gebruikt in mems. Hierin worden elektrische signalen via warmteproductie en thermische expansie van structurele onderdelen omgezet in een verplaatsing. Deze omzetting is echter een trage, en kan alleen cyclische bewegingen genereren met een lage frequentie. Onze frequentievermenigvuldiger maakt het mogelijk om thermische actuatoren te gebruiken in combinatie met veel meer actuatiesystemen dan nu mogelijk is. Ook kan hij sensoren gevoeliger maken voor trage signalen. De schaalbaarheid van elastische mechanismen zorgt ervoor dat praktische toepassingen in de mems-hoek er al snel kunnen zijn.’ Farhadi zelf gaat zich de komende jaren vooral op toepassingen richten die wat meer tijd nodig hebben.