Mislukking leidt tot nieuwe MEMS-techniek

Micro-elektromechanische componenten (MEMS) – miniatuurmachines met bewegende onderdelen – zijn al overal te vinden. Ze bewaken de luchtdruk in autobanden, registreren de gebaren van spelers van computerspellen en reflecteren het licht op bioscoopschermen. Maar ze worden op dezelfde manier geproduceerd als computerchips, in fabrieken die miljarden euro’s kosten. Door hun stijfheid kunnen ze moeilijk worden aangebracht op gebogen oppervlakken.

Onderzoekers bij MIT hebben een manier ontdekt om MEMS te vervaardigen door ze te stempelen op een plastic film. Dat zou leiden tot een aanzienlijke kostenverlaging maar het opent ook nieuwe mogelijkheden. Zo zouden bijvoorbeeld grote vellen sensoren de vleugels van een vliegtuig kunnen bedekken om de toestand van de vleugels permanent te bewaken. De geprinte MEMS zijn ook flexibel; er kunnen dus sensoren met onregelmatige vormen mee worden gemaakt. En omdat er bij het stempelproces geen schadelijke chemische materialen of hoge temperaturen nodig zijn, zouden MEMS kunnen worden gecombineerd met veel meer verschillende materialen.

Conventionele MEMS worden gemaakt met behulp van fotolithografie, waarbij verschillende materiaallagen chemisch worden opgebracht op een substraat. Meestal is dat een wafer van halfgeleidend materiaal. Vervolgens worden door etsen functionele patronen in die lagen aangebracht, Omdat de grootste wafers een diameter hebben van 12 inch, moeten de MEMS – als er grotere arrays nodig zijn – uit de wafer worden gesneden en op een ander oppervlak worden aangebracht.

Plastic

In plaats van een wafer gebruiken de MIT-onderzoekers een vel rubberachtig plastic met groeven, dat wordt bekleed met het elektrisch geleidende indium-tinoxide. De onderzoekers gebruiken een – wat zij noemen – ‘transfer pad’ om een dunne metaalfilm tegen het gegroefde plastic te drukken. Tussen de metaalfil en de pad bevindt zich een laag organische moleculen die zorgen dat het metaal niet aan de pad blijft kleven. Als de pad snel genoeg wordt weggetrokken blijft het metaal achter op het plastic.
"Het is ongeveer hetzelfde als plakband op een vel papier," zegt Corinne Packard, een postdoc in het MIT-onderzoekslaboratorium die het onderzoek leidde samen met de professoren Vladimir Bulović en Martin Schmidt. "Als je het plakband er langzaam afpelt, delamineer je het al snel. Maar als je het snel doet splijt je het papier."

Als het transfer pad is weggehaald overspant de metaalfilm de groeven in het plastic, als een brug over een serie ravijnen. Het aanleggen van een spanning tussen de film en de indium-tinoxidelaag kan ertoe leiden dat de film omlaag buigt, in de groeven. De film is dan een actuator, het bewegende onderdeel van het MEMS. Door het variëren van e spanning komt de film in trilling, en door het selectief buigen van verschillende delen van de film kan hij licht in verschillende richtingen reflecteren. Door sterke buiging kan ook het gladde oppervlak veranderen in een ruwe laag. En andersom: als er druk wordt aangebracht op film genereert hij een detecteerbaar elektrisch signaal. De film is zo dun dat hij de druk van geluidsgolven zou moeten registreren.

Serendipiteit

De ontdekking van deze productietechniek kwam door een gelukkig toeval. De onderzoekers probeerden eigenlijk om met printtechniek een elektrisch circuit te bouwen. Ze hadden een plastic stempel gemaakt met een bepaald patroon dat ze wilden overbrengen op een dunne zilverfilm. Ze hadden verwacht dat het plastic het zilver zou wegtrekken op de plaatsen waar het werd geraakt, en dat er een elektrode zou achterblijven waarmee een organische led moest worden aangestuurd. Maar de film trok telkens de hele film weg. "De eerste paar keer dachten we ‘pech gehad’ en volgende keer beter", zegt Bulović. "Maar toen ging ons een licht op: volgens ons hadden we het eerste geprinte MEMS ter wereld gemaakt". De stempel was bedoeld als middel om een elektronicacomponent te maken, maar werd uiteindelijk de basis voor de component zelf. De onderzoekers richtten zich vervolgens op de ideale architectuur voor de component, en op manier om de adhesie van de film op het transferpad te minimaliseren en die op het gegroefde plastic juist te maximaliseren.

Toepassingen 

Omdat de onderzoekers niet van plan waren om een MEMS te maken en omdat zij – voor zover zij weten – de eerste geprinte MEMS-componenten ter wereld hebben gemaakt, zijn ze nog om zoek naar de meest geschikte toepassing voor de technologie. Vellen sensoren voor de bewaking van vliegtuigvleugels of bruggen zijn mogelijke, maar het MEMS zou ook de textuur kunnen veranderen van het oppervlak waarop het is aangebracht en bijvoorbeeld de luchtstroom over een vleugel kunnen veranderen, of de reflecterende eigenschappen van muren of ramen kunnen modificeren.

Met een vel met duizenden microfoons zou je door tijdsverschil kunnen bepalen waar bepaalde geluiden vandaan komen. Zo’n systeem zou ongewenste geluiden in een rumoerige ruimte kunnen wegfilteren en er zou zelf echo-plaatsbepaling mogelijk zijn, op dezelfde manier als vleermuizen dat doen.  Met zo’n zelfde vel zou ook een papierdunne luidspreker kunnen worden gemaakt – de trillingen van de verschillende MEMS zouden zelfs zo kunnen worden geregeld dat ze met elkaar interfereren, waardoor het geluid op de ene plek perfect hoorbaar zou zijn, maar ergens anders niet. Een andere mogelijkheid zijn grote digitale displays, die kunnen worden opgerold als ze niet in gebruik zijn.