Microtechniek: de kunst van het piepklein maken
Stel je een tandwieltje voor dat kleiner is dan de punt van een naaldenpen, met tandjes zo fijn dat je ze alleen onder een microscoop kunt zien draaien. Toch doet dat wieltje precies wat een gewoon tandwiel doet: kracht overbrengen, beweging sturen, een mechanisme laten tikken. Dat is in de kern waar microtechniek over gaat: het ontwerpen en maken van mechanische, elektronische en optische onderdelen op de schaal van micrometers, oftewel duizendsten van een millimeter.
De term duikt vaak op in artikelen over piepkleine sensoren in je telefoon, chips die bloed analyseren met een druppel vloeistof, of geavanceerde machines die de allerkleinste onderdelen van moderne elektronica maken. Microtechniek is niet één technologie, maar een verzamelnaam voor een familie van technieken die allemaal hetzelfde probleem oplossen: hoe bouw je iets bruikbaars als de onderdelen kleiner zijn dan een mensenhaar dik is?
Wat is het precies?
Microtechniek combineert kennis uit de werktuigbouwkunde, elektrotechniek, natuurkunde en materiaalkunde om apparaten te maken met afmetingen tussen ongeveer één en duizend micrometer (een micrometer is een miljoenste meter). Ter vergelijking: een mensenhaar is grofweg 70 micrometer dik. Microtechniek zit dus qua schaal tussen gewone werktuigbouwkunde en nanotechnologie in, waarbij nanotechnologie zich richt op nog kleinere structuren, op het niveau van moleculen en atomen.
Een belangrijk onderdeel van microtechniek is wat ingenieurs MEMS noemen: micro-elektromechanische systemen. Dat zijn chips waarop niet alleen elektronische schakelingen zitten, maar ook piepkleine bewegende onderdelen zoals membraantjes, balkjes of kamertjes. Ze worden gemaakt met technieken die sterk lijken op het maken van computerchips: je legt laagjes materiaal (silicium, metaal, kunststof) op elkaar, en met licht en chemicaliën etsen fabrikanten daar precieze patronen in weg. Zo ontstaat bijvoorbeeld een minuscuul veertje dat buigt als het apparaat versnelt, wat de basis is van een bewegingssensor.
Naast MEMS bestaat microtechniek ook uit micro-optica (piepkleine lenzen en lichtgeleiders), micro-fluïdica (kanaaltjes dunner dan een haar waar vloeistoffen doorheen stromen voor chemische of medische analyses) en klassieke precisiemechanica, zoals de tandwieltjes en veertjes in mechanische horloges. Die laatste tak heeft een lange geschiedenis: Zwitserse horlogemakers verfijnden al eeuwen geleden technieken om metalen onderdelen op tiende millimeter nauwkeurig te bewerken, en die kennis vormt mede de basis van de moderne microtechniek.
Wat wil men ermee bereiken?
Het overkoepelende doel is miniaturisering: dingen kleiner, lichter en energiezuiniger maken zonder in te leveren op functionaliteit. Kleinere onderdelen betekenen vaak ook lagere materiaalkosten, minder energieverbruik en de mogelijkheid om apparaten te bouwen die simpelweg niet passen als je ze op normale schaal zou maken, zoals een sensor die in een injectienaald past.
Een tweede drijfveer is het combineren van functies op één klein oppervlak. Door mechanische, elektronische en soms optische onderdelen op één chip te integreren, ontstaan systemen die goedkoop in massa te produceren zijn, net zoals gewone computerchips. Dat maakt geavanceerde sensoren en actuatoren betaalbaar genoeg om in alledaagse consumentenproducten te stoppen, van smartphones tot auto-airbags.
Tot slot speelt microtechniek een sleutelrol in de gezondheidszorg en analytische chemie. Piepkleine kanaaltjes en sensoren maken het mogelijk om met minieme hoeveelheden bloed, speeksel of andere stoffen snel diagnoses te stellen, vaak buiten het ziekenhuis om. Dat scheelt tijd, kosten en soms ongemak voor de patiënt.
Voorbeelden uit de praktijk
Bewegingssensoren in telefoons. Vrijwel elke smartphone bevat MEMS-versnellingsmeters en gyroscopen, onder meer geleverd door bedrijven als Bosch Sensortec en STMicroelectronics. Deze chips, kleiner dan een rijstkorrel, meten hoe het toestel kantelt of versnelt en zorgen ervoor dat het beeld meedraait of dat een stappenteller werkt.
Micro-insulinepompen. Het Zwitserse bedrijf Debiotech ontwikkelde met de JewelPump-technologie een micropomp die met microscopisch kleine klepjes en kanaaltjes zeer nauwkeurige, kleine hoeveelheden insuline kan doseren voor diabetespatiënten.
Sneltestchips tijdens de coronapandemie. Tijdens de covid-19-pandemie (2020-2021) werden microfluïdische lab-on-a-chip-testjes ontwikkeld en opgeschaald, waarbij een druppel speeksel of neusslijm via microkanaaltjes langs reagentia stroomt om binnen enkele minuten een testresultaat te geven.
Cochleaire implantaten. Bij dove of zeer slechthorende mensen worden bundels micro-elektroden, dunner dan een haar, operatief in het slakkenhuis van het oor geplaatst. Deze elektroden, geproduceerd met microtechnische precisie, sturen elektrische signalen rechtstreeks naar de gehoorzenuw.
Precisiemechanica in horloges. Het Zwitserse onderzoeksinstituut CSEM (Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique), opgericht in 1984 in Neuchâtel, ontwikkelt sinds jaren nieuwe typen mechanische ontsnappingen (het hart van een mechanisch uurwerk) die met microtechnische fabricagetechnieken worden gemaakt, als alternatief voor de eeuwenoude ankergang.
Hoe ver is de techniek?
Voor MEMS-sensoren is de techniek volwassen: er worden wereldwijd jaarlijks miljarden stuks van geproduceerd, en de kosten per chip zijn laag genoeg om ze in wegwerpelektronica te verwerken. Fabricageprocessen zijn goed gestandaardiseerd en de betrouwbaarheid is hoog, mede dankzij decennia aan ervaring uit de halfgeleiderindustrie waar deze technieken op voortbouwen.
Micro-fluïdica en lab-on-a-chip-toepassingen zijn minder ver ontwikkeld qua massaproductie. Het maken van kanaaltjes is technisch goed onder de knie, maar het betrouwbaar en goedkoop integreren van complete chemische analyses op één chipje blijft lastig, vooral als het gaat om opslag van reagentia en het voorkomen van verstoppingen op microschaal.
Een fundamentele uitdaging bij alle microtechniek is dat natuurkundige effecten zich anders gedragen op kleine schaal. Wrijving en oppervlaktespanning worden relatief belangrijker naarmate onderdelen kleiner worden, terwijl zwaartekracht juist minder invloed heeft. Dat betekent dat ontwerpen die op normale schaal goed werken, op microschaal soms compleet anders moeten worden aangepakt. Ook het monteren van piepkleine onderdelen ten opzichte van elkaar, met tolerantie van slechts enkele micrometers, blijft arbeidsintensief en duur, ondanks decennia aan automatisering.
Wie werken eraan?
Zwitserland heeft van oudsher een sterke positie dankzij de horloge-industrie en instituten als CSEM en de EPFL (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne), die een aparte faculteit microtechniek heeft. In Nederland doet het MESA+ Institute van de Universiteit Twente onderzoek naar micro- en nanotechnologie, met toepassingen van sensoren tot medische chips. In België is IMEC in Leuven een belangrijk onderzoekscentrum voor micro- en nano-elektronica, met nauwe banden met de halfgeleiderindustrie.
Op het gebied van commerciële MEMS-chips zijn Bosch Sensortec en Infineon (Duitsland) en STMicroelectronics (Zwitserland/Frankrijk/Italië) wereldwijd toonaangevende producenten. In Duitsland doen daarnaast diverse Fraunhofer-instituten, zoals Fraunhofer ISIT en Fraunhofer IPMS, toegepast onderzoek naar nieuwe microtechnische fabricageprocessen. In de Verenigde Staten speelt onder meer Sandia National Laboratories een rol in fundamenteel MEMS-onderzoek, vaak met militaire en ruimtevaarttoepassingen.