Universiteit Twente

Nanopositionering wordt mogelijk dankzij nieuwe 'schuifmaat'

Positie bepalen met nanometerprecisie, en dan het liefst ook nog met een groot bereik: de nieuwe sensor die promovendus Toon Kuijpers heeft ontwikkeld aan het instituut MESA^+ van de Universiteit Twente moet aan hoge eisen voldoen om echte `nanopositionering' mogelijk te maken. In combinatie met een motor/actuator ontstaat een systeem om een naaldje of lens heel precies te plaatsen, voor het uitlezen of schrijven van nieuwe typen geheugens of het instellen van een laser of microscoop. De constructie van actuator en sensor is daarvoor eenvoudig in één fabricageslag te maken. Kuijpers promoveert op 8 december aan de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica. Op een vierkante kilometer een dobbelsteen plaatsen met centimeterprecisie: dat is ongeveer de uitdaging waarvoor Kuijpers zich gesteld zag. Maar dan wel in het nanometerbereik, wat het nog een stuk complexer maakt. Positoneren met nanometer precisie kan al wel, maar dan doorgaans met een zeer beperkt bereik of alleen dankzij opstellingen die veel ruimte vergen. De toepassingen die Kuijpers voor ogen heeft, vereisen een groter bereik. Zijn streven is nanometerprecisie over een bereik van 100 micrometer (is 100.000 nanometer) met behulp van een geïntegreerde sensor. Dit is bijvoorbeeld nodig voor het scannen, schrijven en lezen van nieuwe typen geheugens. Met alleen een actuator ben je er dan niet: er is ook een vorm van terugkoppeling nodig om de beweging bij te kunnen sturen en betere prestaties te halen.
Kammen
Kuijpers koppelt de positiesensor aan een `combdrive' motor, die eerder is toegepast door onderzoekers van MESA^+. Die bestaat uit twee kam-structuren die in elkaar passen, waarbij een van de kammen vastzit en de ander beweegt maar wel altijd op kleine afstand langs de ander glijdend. De afstand waarover de kammen in elkaar schuiven is te variëren met de elektrische lading. Zo ontstaat geen roterende beweging maar een beweging `in lijn'.Er zijn andere typen motoren, maar de combdrive is eenvoudig te fabriceren en er is al veel ervaring mee opgebouwd.
Incrementeel meten
Aan één van de kammen koppelt Kuijpers een schuif, slider, die aan weerszijden langs een kamstructuur glijdt. "Je zou kunnen overwegen om de afstand simpel te meten met een bewegende plaat: rechtstreeks meten via een capaciteitswaarde die verandert. Maar dan haal je niet het gewenste bereik en nauwkeurigheid."
Op de slider heeft hij daarom aan beide zijden een sinusvormig patroon aangebracht dat langs de tanden van de kammen scheert. Zo verandert bij verplaatsing periodiek de capaciteit tussen kam en slider. Het aantal perioden en de capaciteitsverandering geven samen de maat voor de positie. Omdat deze `incrementele' meetmethode de relatieve verandering meet, is de sensor minder gevoelig voor ruis; het is ook de manier om het bereik te vergroten.

De positiesensor; de slider loopt in het beeld van linksonder naar rechtsboven. Te zien is het sinusvormige patroon en de kammen aan weerszijden. In deze variant wordt de capaciteit op een gunstige constante waarde gehouden. De energie die het kost om dit te doen is vervolgens een maat voor de capaciteitsverandering die anders zou optreden - en daarmee voor de verplaatsing.
Met de nieuwe sensor haalt Kuijpers al een nauwkeurigheid die binnen 10 nanometer valt, over een bereik van 32 micrometer. Het doel komt in zicht: "Met nieuwe etstechnieken, die het mogelijk maken dunne sleuven dieper te etsen, kunnen we dit nog verbeteren. Ook zijn de huidige metingen gedaan onder omstandigheden die verre van ideaal zijn. Dit biedt zeker perspectief." De combinatie van motor en sensor is in één fabricagestap te maken.
Noot voor de pers
Toon Kuijpers (Zwolle, 1970) studeerde Elektrotechniek aan de Universiteit Twente. Zijn promotie-onderzoek heeft hij gedaan bij de vakgroep Transducers Science and Technology. Bij zijn promotie op 8 december is prof. Miko Elwenspoek promotor en dr.ir. Gijs Krijnen assistent-promotor
Het proefschrift `Micromachined capacitive long-range displacement sensor for nano-positioning of microactuator systems' is op aanvraag verkrijgbaar.
Contactpersoon voor de pers: ir. Wiebe van der Veen, tel (053) 489 4244, email w.r.vanderveen@utwente.nl

Laatst gewijzigd op 08-12-2004 © Universiteit Twente Printversie (opent in een nieuw venster)