Smart discs zorgen voor trillingsvrije machines

Vooral wafersteppers, apparaten die een groot aantal chips achter elkaar op een plak silicium zetten, kunnen veel last hebben van trillingen. Het is dus zaak de vibraties tot een minimum te beperken. In de traditionele aanpak wordt dit gedaan door een machine zo stijf mogelijk te maken, er daarbij wel op lettend, dat het gewicht binnen de perken blijft. Dit heeft al geleid tot ingenieuze ontwerpen. Promovendus Jan Holterman van de universiteit Twente zoekt het in een geheel andere richting. Hij past zogeheten ‘smart discs’ toe, een bedrieglijk eenvoudig klinkende benaming voor een ingewikkeld brokje techniek. Smart discs zijn namelijk in staat ‘terug te duwen’ wanneer ze worden blootgesteld aan trillingen. Fundamenteel Bij zijn onderzoek stuitte Holterman op een aantal fundamentele vragen, namelijk wanneer en hoe zijn discs moeten worden toegepast. Het voor het beantwoorden van die vragen benodigde onderzoek werd uitgevoerd aan het Drebbel-instituut voor Mechatronica. In een aantal proefopstellingen werd gemeten hoe constructies zich gedragen als ze een trilling van buitenaf ondergaan. De smart disc maakt het mogelijk om de trilling actief te dempen. De schijf heeft inderdaad de vorm die de naam doet vermoeden. Het binnenwerk bestaat uit een sensor en een actuator. Beide zijn gemaakt van piëzo-elektrisch materiaal. Als de sensor wordt ingedrukt, oefent de actuator een even grote tegenkracht in de andere richting uit. Op die manier kunnen trillingen worden geneutraliseerd. De constructie waarin de schijven worden gebruikt hoeft dus niet op mechanische wijze trillingsbestendig te worden gemaakt. En dat is een groot voordeel. De mechanische of passieve demping van vibraties is namelijk niet geheel geschikt voor geavanceerde elektronische apparatuur. Je kunt er wel een wasmachine mee koest houden, maar bij een waferstepper lukt het niet. Bij dat laatste apparaat kan de lens in trilling komen, ondanks de mechanische demping. Een actieve reductie van de vibraties houdt ook de lens op de goede plaats. Aanzienlijk verbeterd Door een actieve demping toe te passen, verbetert het mechanische gedrag van een machineframe aanzienlijk. Zelfs veel verder dan met passieve trillingsdemping mogelijk zou zijn. De trilling wordt eigenlijk op dezelfde plek gestopt als waar deze wordt ‘gevoeld’. De stabilisatietechniek met behulp van smart discs kan niet alleen goede diensten bewijzen bij wafersteppers, maar tevens bij geavanceerde machines zoals Scanning Tunneling Microscopes (STM). Zo’n apparaat is in staat een beeld op te nemen op molecuulschaal, door een zeer dun naaldje in een patroon over het op te nemen object te bewegen. Onderzoekers van IBM zijn de grote voorvechters van dit type microscoop, waarmee zelfs individuele atomen gemanipuleerd kunnen worden. Iedere trilling, hoe miniem ook, is bij dit type toepassing uit den boze. In de laboratoria wordt meestal een volkomen trillingsvrije ruimte gebruikt, die bestaat uit een zeer dikke betonnen vloer. Deze vloer is verankerd in de rotsbodem onder het lab. Zo’n opbouw is in een land als het onze, met een slappe ondergrond, niet te realiseren. De stabilisatiemethode van Holterman biedt dan soelaas. Wel waarschuwt Holterman dat het gebruik van de smart discs goed begeleid dient te gebeuren. Je kunt niet zomaar wat schijfjes in een apparaat monteren en denken dat de trillingen buiten de deur blijven. De plaats waar de schijfjes komen te zitten wordt bepaald door het trillingsgedrag van het apparaat in kwestie en de vibraties waaraan het wordt onderworpen. Een analyse van de mechanische aspecten van het systeem verschaft wat dat betreft het nodige inzicht.