Tweet

Vliegend tapijt voor de chipindustrie /reageer

Een wonder’ kopte het persbericht dat de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) vorige week deed uitgaan naar aanleiding van het succesvolle project van promovendi ir. Helm Jansen en ir. Nelis van Lierop. De twee elektrotechnici hebben een plaat gemaakt die al zwevend op een magneetveld heel nauwkeurig en snel te verplaatsen is. Dit resultaat van vier jaar keihard werken is een grote belofte voor de elektronica-industrie.

Nog niet veel mensen hebben dit mogen aanschouwen. Een flinke aluminium plaat, aan de onderzijde volledig bekleed met kleine, maar sterke magneten, die millimeters boven een veld van koperen spoelen zweeft. Het ene moment beweegt hij razendsnel van links naar rechts, dan weer draait hij heel subtiel een stukje. Maar altijd behoorlijk precies. Hangt de plaat stil, dan is de onnauwkeurigheid zo’n driehonderd nanometer. Beweegt hij zich voort op de huidige topsnelheid van 1,4 meter per seconde, is de onnauwkeurigheid nog altijd kleiner dan twintig micrometer.

Op het oog ziet het er eigenlijk helemaal niet zo spectaculair uit. Het lijkt net of de magneetplaat door een grote slede voortbewogen wordt. Deze beweegt nu nog met de magnetische plaat mee, om steeds de positie te meten. Maar ook voor de veiligheid, mocht er iets misgaan. “Je kunt het vergelijken met een kind dat leert fietsen. Dat fietsje heeft zijwieltjes, maar er is ook een vader bij die met zijn hand snel kan ingrijpen als het kind dreigt te vallen”, leggen promovendi Van Lierop (groep Control Systems) en Jansen (groep Electromechanics and Power Electronics) uit.

Vacuümomgeving

Fabrikanten van productiemachines voor chips, zoals ASML, hebben al jarenlang de wens om met behulp van magnetisme onderdelen van een machine te kunnen verplaatsen. Voor betere chips moeten de lijntjes steeds fijner worden en dichter bij elkaar komen te liggen. Daarvoor moet bij het belichten de golflengte van het licht omlaag, tot in het extreme ultraviolet. Doordat deze golflengte in lucht sterk wordt geabsorbeerd, moet je in een vacuümomgeving gaan werken. En daar kun je geen lineaire motoren met mechanische lagers gebruiken, omdat het smeermiddel daarin het vacuüm zou verstoren.

Al in 2003 opperden Philips-onderzoekers daarom het idee om een positioneringssysteem te bouwen gebaseerd op magnetische afstoting. Nadeel daarvan was echter dat de spoelen op het zwevende plateau zaten en dat er dus stroomdraden heen en weer zouden bewegen. Jansen: “Plus flinke slangen voor het water om de spoelen te koelen. Niet ideaal dus.” Vandaar dat aan de TU/e het idee rees om de zaak om te draaien. Zet de spoelen in de ‘vaste wereld’ en hang de magneten onder het plateau.

En daar begon de opdracht van de twee promovendi: laat nu eens zien dat dit principe ook echt te maken is en dat het werkt. En drie weken geleden was het ‘proof-of-principle’, het bewijs dat het echt werkt, ineens daar. Toen lukte het voor het eerst het vliegende tapijt aan het zweven te krijgen. Na een kleine vier jaar zwoegen een mooi moment voor de twee promovendi.

Geleidende draad

Het principe van de zwevende magnetische plaat is gebaseerd op de aanwezigheid van Lorentz-krachten. Dat is de kracht die elk bewegend elektrisch geladen deeltje in een magneetveld ondervindt. Een geleidende draad waar een stroom doorheen loopt, voelt die kracht dus ook. En dat is precies wat hier wordt benut. In de bodemplaat liggen in een dikke laag giethars 84 spoelen van dik koperdraad weggewerkt, waar doorheen afzonderlijk een stroom te sturen is. Komt de zwevende plaat (dertig bij dertig centimeter en zo’n acht kilogram) met zijn magneten in de buurt van zo’n spoel, dan veroorzaakt het magnetische veld van de magneten een kracht op de spoel. Maar omdat de spoel vastzit in de ‘vaste wereld’, verplaatst de reactiekracht de magneet en daarmee de zwevende plaat. Voor krachten geldt immers nog altijd: ‘actie is min reactie’.

Met deze krachten kun je het plateau alle kanten opsturen: in de twee richtingen in het vlak van de spoelen, omhoog en roteren om x-, y- of z-as. In totaal zijn er dus zes vrijheidsgraden. Maar om alle spoelen goed te kunnen aansturen, moet je continu de precieze positie van de zwevende plaat meten.

Van Lierop: “Als je niet weet waar de plaat zich op enig moment bevindt, kun je hem ook niet de juiste krachten meegeven om hem ergens heen te sturen of juist op zijn plek te houden.” Op dit moment zijn het acht zeer nauwkeurige sensoren op de meebewegende slede die de positie van de zwevende plaat in alle zes de mogelijke richtingen tot op minder dan een micrometer meten. De drie sensoren op de meebewegende H-brug hebben micrometerresolutie.

Veel simulaties

Voordat er ook maar één schroefje aan de opstelling gebouwd was, hadden de twee promovendi al veel computersimulaties gedaan. Van Lierop: “We moesten weten hoeveel spoelen we nodig hadden en met welke vorm en hoe je ze precies neerlegt.” Omdat het ondoenlijk is om verschillende versies van de opstelling te bouwen, hebben ze verschillende configuraties getest in zelfgeschreven simulatiesoftware. “Er zijn wel simulatiepakketten voor het rekenen aan magnetisme, maar die zijn niet geschikt voor zulke grote aantallen spoelen en magneten”, vertelt Jansen. “Wil je bijvoorbeeld op een raster van honderd bij honderd punten de krachten en koppels uitrekenen, dan doen de bestaande pakketten daar veel te lang over. Daarom hebben we de routines zelf maar geschreven.” Voor Jansen, die mede door zijn afstuderen op dit onderwerp gespecialiseerd is in elektromechanisch ontwerpen, was het daarbij de kunst om een machine te ontwerpen op basis van sterk vereenvoudigde formules. Maar die machine moest desondanks toch nauwkeurig zijn. Daarvoor was de regeltechniek nodig: Van Lierop’s sterke punt. Toen de machine met behulp van de vele leveranciers en de GTD eenmaal gebouwd was, moesten de regelalgoritmes eerst tot uit den treure worden getest. Daarvoor gebruikten de twee promovendi een krachtmeter om alle mogelijke krachten en koppels in de verschillende richtingen op de zwevende plaat te meten en zo de aansturingssoftware wat beter af te stellen. Toen bleek dat de simulaties behoorlijk goed in de richting waren geweest.

Belangstelling bedrijven groot

Hoewel de vinding nog niet rijp is voor het bedrijfsleven, was de belangstelling van de meewerkende bedrijven groot. Dat blijkt wel uit de lezing die Van Lierop en Jansen gaven bij ASML; daar kwamen zo’n tachtig medewerkers naar luisteren. Elk half jaar lieten de aio’s via een posterpresentatie hun voortgang zien aan alle bedrijven in de begeleidingscommissie van het IOP-EMVT (Innovatiegerichte Onderzoeksprogramma’s, onderdeel Elektromagnetische Vermogenstechniek, het subsidieprogramma van SenterNovem waarbinnen de twee aio’s hun werk hebben gedaan - Red.). Jansen: “Daarop kwam dan vaak technische feedback, waar we wat aan hadden.”

Volgens Van Lierop presteert de huidige opstelling al zo goed dat de plaat nog nauwkeuriger beweegt dan de sensoren kunnen meten. “We hebben veel gevraagd van onze leveranciers. Alle magneten onder de zwevende plaat zijn bijvoorbeeld ‘custom made’. Dat we er maar een paar honderd afnamen, daar werd de Duitse leverancier niet erg vrolijk van. Eerst konden we ze ook niet krijgen, maar uiteindelijk zijn ze het als een soort prestigeproject gaan zien. Vanaf toen zijn ze erg goed gaan meedenken met het ontwerpen.”

Beide aio’s hopen tegen het einde van dit jaar te promoveren. Jansen was eerder begonnen met zijn promotie en is inmiddels bezig met het schrijven van zijn proefschrift. Van Lierop probeert de komende weken de afwijkingen die bij het zweven optreden, zoveel mogelijk te minimaliseren. Daarnaast hebben al veel bedrijven zich gemeld om naar de proefopstelling te komen kijken. Ook is al een vervolgproject gestart, waarin anderen gaan kijken hoe het zwevende platform met een draadloze techniek voorzien kan worden van energie en data.

Jansen: “Dat is de volgende stap richting toepassing. Als je dan het oppervlak met spoelen uitbreidt, kunnen twee of meer robotachtige apparaten zich zonder snoeren en dus onbeperkt om elkaar heen gaan bewegen.”.