Precisietechnologie kan niet meer zonder luchtbehandeling

M i k r oM i k r o n i e kn i e kVA K B L A D OV E R P R E C I S I E T E C H N O L O G I E J A A R G A N G 4 3 - N U M M E R 6

Precisietechnologie kan niet meer zonder luchtbehandeling • Automatische

microassemblage van microsystemen • Het ontwerp van een

2-assige scanpiegel voor de ruimtevaart

MIKRONIEK IS HET OFFICIELE ORGAAN VAN DE NVPT

00_omslag_031379 03-12-2003 14:12 Pagina I

DrukteDrukte

DrukteDrukteDrukte

Twin Design bv

Boschweg 2

4105 DL Culemborg

tel: 0345 – 519525

fax: 0345 – 513480

[email protected]

DrukteDrukteDrukte rond drukwerk?

De zorg voor drukwerk kun je heel goed uitbesteden.

Twin Design bv is een grafisch full-service bureau en

een specialist wat betreft het maken van boeken,

tijdschriften en andere grafische uitingen.

Wij bieden volledige ondersteuning en realisatie

van uw producten, bijvoorbeeld housestyling,

jaarverslagen, proefschriften, brochures, folders,

advertenties en affiches. Ook nieuwe media, zoals

webdesign, kan Twin Design voor u verzorgen.

00_omslag_031379 03-12-2003 14:12 Pagina 6

4

5

9

10

12

13

19

26

26

18

Editorial

Precisietechnologie kan niet meer zonderluchtbehandelingIC's, CD's en DVD's met details van enkele tiende µm's.Vandaag de dag doen we alsof het fabriceren van diehigh-tech-producten de gewoonste zaak van de wereld is.

Feiten en cijfers over de precisiebeurs2003

Nieuwe verspaningsmachine DMS 35 Ultrasonic

Interface EnDat 2.2 verwacht

Automatische microassemblage van microsystemenTNO Industrie ontwikkelt een ontwerpaanpak gericht op het produ-ceerbaar kunnen herontwerpen van microsystemen.TNO Industrie ont-wikkeld een assemblageplatform. Het platform moet geschikt zijn omeen groot aantal verschillende microsystemen te kunnen ontwikkelen.

Het ontwerp van een 2-assige scanspiegel voor de ruimtevaartScanspiegels hebben een breed toepassingsgebied in zowel de lucht-en ruimtevaart als wel in toepassingen op aarde. De hier besprokenscanspiegel is als voorbeeld gekozen voor technologie-ontwikkelingbinnen TNO TPD met als toepassingsgebied de ruimtevaart.

NVPT nieuws

Persbericht

Kennis van elkanders kunnen

6 In dit nummerIn dit nummer

Rubriek

Mik

ro

nie

k

-

20

03

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 33

Vakblad voor precisietechnologie en fijnme-chanische techniek en orgaan van de NVPT.Mikroniek geeft actuele informatie over tech-nische ontwikkelingen op het gebied vanmechanica, optica en elektronica.Het blad wordt gelezen door functionarissendie verantwoordelijk zijn voor ontwikkelingen fabricage van geavanceerde fijnmechani-sche apparatuur voor professioneel gebruik,maar ook van consumentenproducten.

Uitgave:Twin Design bvPostbus 3174100 AH CulemborgTelefoon: 0345-519525Fax: 0345-513480E-mail: [email protected]

Uitgever:Andries Harshagen / Marije Roefs

Abonnementen:Twin Design bv, Culemborg

Abonnementskosten:Nederland: € 55,- per jaar ex BTWBuitenland: € 70,- per jaar ex BTW

HoofdredactieMarije RoefsE-mail: [email protected]

Redactiesecretariaat/eindredactieMikroniek/ Marije Roefs en Anne-Marie maatkampTwin Design bvE-mail: [email protected]

Advertentie-acquisitie:Waterfront mediaBarry StokTel: 078-630-5500

Secretariaat NVPTBoerhaavelaan 40Postbus 1902700 AD ZoetermeerTel: 079-35 31 151Fax: 079-35 31 365E-mail: [email protected]

Vormgeving en realisatie:Twin Design bv, Culemborg

Mikroniek verschijnt zes maal per jaar© Niets van deze uitgave mag overgenomenof vermenigvuldigd worden zonder nadruk-kelijke toestemming van de redactie.

ISSN 0026-3699

De coverfoto is beschikbaar gesteld doorPhilips ETG-CTC, Eindhoven.

03_Inhoud_031220 03-12-2003 14:13 Pagina 3

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 3 4

edit

ori

alHoe vaak kom je als techneut niet in de volgende situatie. Er wordt aan jegevraagd: ‘ Wat doe jij eigenlijk bij …?’, in mijn geval ASML. Ik probeerer in eerste instantie meestal eenvoudig af te komen met een antwoord inde trant van: ‘Wij maken machines waar ze computerchips mee maken’.Maar onvermijdelijk volgt de vraag wat je dan precies doet. Vervolgensprobeer ik in simpele termen uit te leggen hoe die machines werken enwat mijn bijdrage daaraan is. Vaak krijgt de bij aanvang geïnteresseerdeluisteraar al snel glazige ogen en voordat ik ook maar een kader hebgeschetst, haakt hij of zij af met iets in de trant van: ‘ Ja, ja, interessant’.

Het probleem is de hoge mate van specialisatie in technische beroepen.Hierdoor is het bijna onmogelijk om met andere dan je directe vakgeno-ten een inhoudelijk gesprek te voeren over je werk. Dit kan natuurlijk metcollegae maar het is ook leuk om eens andere mensen te ontmoeten waar-mee je over technische onderwerpen kan praten. Om dit te bereiken heb-ben we enige tijd geleden het Young Precision Network opgericht. Wijzijn een clubje jonge, enthousiaste, precisietechnologen dat regelmatig bijelkaar komt. Het doel is om kennis en ervaring uit te wisselen en vooralook om op een leuke manier in contact te komen met vakgenoten die bijandere bedrijven werken. Inmiddels hebben we deelnemers uit een aantalbedrijven uit de precisietechniek zoals: Philips, OCE, ASML, TNO TPD,DemCon, Nyquist en Medtronic.

Behalve het organiseren van excursies, themadagen en andere activiteitenwillen we in de toekomst een bijdrage gaan leveren aan Mikroniek. Hetkan nog even duren voor het eerste artikel verschijnt maar ik wil jullie bijdeze alvast veel leesplezier toewensen.

Joeri Lof

Het Young Precision Network

04_editorial_031379 03-12-2003 14:14 Pagina 4

D


DBU CLEANROOM TECHNIEK

• Frans Zuurveen •

DBU Cleanroom Techniek helpt

DBU Cleanroom Techniek in IJsselstein is gespecialiseerdin het ontwerpen, maken en onderhouden van ruimten waar-in de parameters temperatuur, relatieve vochtigheid en con-taminatie – zowel moleculair als met deeltjes – met uiterstenauwkeurigheid worden beheerst. De specialisten van DBUweten niet alleen alles over de technische aspecten van hetmeten en regelen van die parameters maar zijn ook in staateen groot project te beheren vanaf het eerste klantencontacttot en met de oplevering van een compleet geconditioneerdhigh-tech-gebouw.

Het werkgebied van DBU Cleanroom Techniek is heelbreed. Het strekt zich uit vanaf standaard-modules voor

Precisietechnologiekan niet meer zonderluchtbehandeling

Afbeelding 1.De fabricage vanIC’s in een door

DBU CleanroomTechniek geleverdeproductiefaciliteit.

IC’s, CD’s en DVD’s met details van enkele tiende µm’s.Vandaag de dag

doen we alsof het fabriceren van die high-tech-producten (afbeelding 1) de

gewoonste zaak van de wereld is. Maar een van de voorwaarden is dat de

productiefaciliteit aan de hoogste graden van stofvrijheid en stabiliteit van

temperatuur en vochtigheid voldoet. Daaruit volgt dat bedrijven die apparatuur leveren voor

het maken van IC’s en optische media, ook niet zonder luchtbehandeling in hun montage-

ruimten kunnen. Met nog een stap verder komen we terecht bij machine- en optiekfabrieken

die de onderdelen ervoor leveren. Omdat de klant eist dat zij hun producten schoon en stof-

vrij afleveren, ontkomt ook een toeleverancier niet aan het installeren, huren of medegebrui-

ken van stofvrije ruimten oftewel cleanrooms.

05_zuurveen_031379 03-12-2003 14:14 Pagina 5



stofarme en luchtgeconditioneerde productie, via luchtbe-handelingsapparatuur voor meetkamers tot en met installa-ties die zijn toegespitst op fundamenteel onderzoek, inclu-sief het bouwkundige gedeelte. In het volgende zullen wedaarvan twee voorbeelden wat uitgebreider behandelen: eenACC-unit (Advanced Climat Control), dat is een modulevoor het fabriceren van optische media, zie afbeelding 2, eneen project van TNO TPD voor het realiseren van eengebouw voor baanbrekend nanotechnologisch en lithogra-fisch onderzoek, zie afbeelding 3.

DBU en DalkiaDe letters DBU staan voor De Bruijn Uniteam, de naam vaneen elektrotechnisch installatiebedrijf dat zijn oorsprong inBrabant heeft. Dat groeide onder leiding van Teun de Bruijnuit tot de DBU Groep. Binnen het onderdeel Industrietechniekontstond in 1993 de werkmaatschappij DBU CleanroomTechniek in IJsselstein. Die richt zich uitsluitend op luchtbe-handeling: het beheersen van de parameters stof- en kiemvrij-heid, temperatuur en vochtigheid. Dit jaar verkocht Teun deBruijn zijn hele bedrijf aan het Franse Dalkia International,een concern met 40 000 werknemers en een wereldwijdeomzet van meer dan 5 miljard euro. De twee aandeelhoudersvan het moederbedrijf Dalkia zijn het Franse staatsbedrijfEDF (Electricité de France) en Veolia Environnement.

Dalkia legt zich in de ruimste zin des woords toe opgebouwbeheer. Dat wil zeggen dat het zich naast het bewa-ken van de bouwkundige aspecten ook richt op de techni-sche installatie en energievoorziening. Dalkia kan eenbedrijf niet alleen ontlasten van de zorg voor de infrastruc-tuur maar dat ook van dienst zijn door zgn. outsourcing. Datwil in gewoon Nederlands zeggen dat Dalkia de technischediensten overneemt en het gebouw in perfecte conditiehoudt. In dat beeld past natuurlijk ook de installatie en hetbeheer van stofarme en geklimatiseerde ruimten. De over-name is dus een voorbeeld van een win-win-situatie, om nogmaar wat jargon te gebruiken, want Dalkia verruimt zijn

aanbiedingspakket en DBU krijgt ruimere investeringsmo-gelijkheden.

Organisatorisch is DBU Cleanroom Techniek in IJsselsteinnu een onderdeel van DBU Industrietechniek bv, dat ookonderdelen omvat die zich richten op industriële automati-sering, koudetechniek en industriële dienstverlening.Behalve over kantoor- en ontwerpruimte beschikt DalkiaDBU in IJsselstein over een montagehal en klimaatkamersmet testfaciliteit, waarin de omstandigheden bij een klantkunnen worden gesimuleerd en modules onder praktijkom-standigheden getest.

Na de eerste gesprekken met een klant voeren - afhankelijkvan de complexiteit van een project - de ontwerpers van DBUCleanroom Techniek eerst een haalbaarheidsstudie uit of erstart direct een conceptfase met een beperkt budget.Vervolgens komt er een meer gedetailleerde uitwerking vanhet project, inclusief technische berekeningen en voorcalcula-tie. De opdracht - met een afgesproken prijs of tegen nacalcu-latie - houdt in dat DBU zorgt voor het inkopen van onderde-len, de montage, afregeling en installatie en voor de nazorg.De laatste bestaat uit de benodigde opleiding van personeel enhet onderhouden van de installaties, althans als de klantbesluit een contract voor beheer en onderhoud af te sluiten.

Afbeelding 2. Een ACC-unit van Dalkia DBUvoor de productie vanoptische media.

Afbeelding 3.Artist’s impression van het nieuwe gebouw voor nanotechnologie van TNO TPD in Delft.

Afbeelding 4. Het vacuümrecipiënt en de koelunits voor de radio-metrische kalibratie van satellietinstrumenten.

05_zuurveen_031379 03-12-2003 14:14 Pagina 6

Een voorbeeld van zo’n turnkey-project is een facilitairgebouw voor de radiometrische kalibratie van instrumentenin aardobservatiesatellieten. DBU heeft het complete pro-ject uitgevoerd inclusief de levering van de apparatuur voorhet beheersen van het klimaat in een vacuümrecipiënt, zieafbeelding 4. De temperatuurmarge voor de werkomgevingervan bedraagt –50 tot +50 °C met een nauwkeurigheid van± 0,1 °C.

Het beschreven turnkey-project staat aan de ene kant van hetleverprogramma van Dalkia DBU, met aan de andere kantdus min of meer gestandaardiseerde modules voor het rege-len van de al genoemde luchtparameters. Zulke luchtcondi-tioneringsmachines worden niet op voorraad gehouden,aangezien ze volgens klantenspecificatie worden gemaakten daarom in detail bijna altijd verschillen van hun voor-gangers.

Optische mediaEmilio de Vet is sales- en marketingmanager van DBUCleanroom Techniek. Als we bij een module in de testruim-te staan, zie afbeelding 5, zegt hij: “CDR-productiemachi-nes leveren in continubedrijf ruim twintigduizend CDR’sper etmaal af, dus dan kun je zelf wel uitrekenen hoeveel dater per minuut zijn. Een ACC-unit zorgt voor stofarme luchtmet een nauwkeurig gestabiliseerde temperatuur en voch-tigheid. Dit soort machines wordt steeds belangrijker omdatde markt vraagt om een steeds betere beheersing van pro-ductieprocessen. Door de miniaturisering van productenworden processen steeds gevoeliger voor omgevingsinvloe-den, niet alleen wat betreft contaminatie door vaste delenmaar ook voor moleculaire vervuiling. Omdat de menseigenlijk de grootste vervuilingsbron is, moeten processensteeds meer worden geautomatiseerd en geïsoleerd.Belangrijke aspecten van die trend zijn het reduceren vankosten, het beheersen van kwaliteit en het minimaliserenvan defecten.”

De ACC-unit transporteert zijn schone lucht naar de ruimtewaarin de CD’s of DVD’s worden gecoat. Dat is de tweedestap in het fabricageproces van persen in een spuitgietma-chine, bedekken met een laklaag door middel van spin-coaten en ten slotte metalliseren in vacuüm door middel vansputteren. Bij spincoaten wordt er vloeibare lak gedoseerd,die zich door de draaiing van het schijfje gelijkmatig ver-spreidt. Daarbij zijn temperatuur en vochtigheid bepalendvoor de dikte van de laklaag en de gelijkmatigheid ervan.Vandaar de hoge eisen aan temperatuur en vochtgehalte.Maar deeltjes in en op de lak mogen het latere lezen van dedigitale informatie niet verstoren. Vandaar dat de luchtuiterst schoon moet zijn.

Even een uitstapje naar de normen voor stofvrijheid. Nogniet zo lang geleden gold daarvoor de Amerikaanse FederalStandard 209B, die aangeeft hoeveel stofdeeltjes er van eenbepaalde afmeting in een kubieke Engelse voet aanwezigmogen zijn. Die norm is inmiddels vervangen door stan-daard ISO/FDIS 14644-1, zie afbeelding 6, die bij voor-beeld zegt dat bij de zwaarste klasse 1 er niet meer dan 10deeltjes gelijk aan of groter dan 0,1 µm in de lucht mogenzitten. De eis die doorgaans wordt gesteld aan de ACC-unitsis stofvrijheidsklasse 3.

Product manager Peter Roodenburg geeft verdere toelich-ting bij een ACC-unit die in de montageruimte in opbouwis, zie afbeelding 7. “Deze modules leveren we over de helewereld, met name vooral in Azië. Bij een luchtverplaatsingvan 2800 m3/h bedraagt de nauwkeurigheid van de tempe-ratuurregeling ± 0,1 °C en die van de relatieve vochtigheid± 2 %. Het is een echte “plug-and-play-unit” want het opeen hoge betrouwbaarheid ontworpen, compleet afgeregel-de en geteste apparaat is voorzien van alle bedrading en lei-dingwerk, inclusief koelmiddel en olie. Alles wat de klant


Afbeelding 5. Sales- en marketingmanager Emilio de Vet bij eenDBU-module in de testruimte.

05_zuurveen_031379 03-12-2003 14:14 Pagina 7

dan nog heeft te doen, is aansluiten op zijn luchtcirculatie-systeem en verbinden met het elektrisch net. Dan beschikthij dus over hoogwaardig geconditioneerde en uiterst stofar-me lucht. Met de juiste filters kan een ACC-unit zelfs luchtvan de strengste ISO-klasse 1 afleveren.”

Nanotechnologie bij TNO TPDDBU Cleanroom Techniek gaat in opdracht van TNO TPDeen gebouw voor nanotechnologisch en lithografisch onder-zoek leveren (afb. 3). Die zgn. Nanofaciliteit biedt ultra-schone ruimte met een oppervlak van 700 m2. De opdracht

omvat de totale realisatie van de ruwbouw inclusief het ont-werpen en leveren van alle installaties en bouwkundige sys-temen voor de stofarme werkruimten en laboratoria.

Omdat nanotechnologie allerlei perspectieven biedt voor tech-nologische toepassingen, is TNO TPD intensief betrokken bijenkele grote initiatieven in Nederland op dat veelbelovendevakgebied. Dat zijn bijvoorbeeld NanoImpuls en NanoNed. Inhet kader van het programma NanoImpuls subsidieert hetMinisterie van Economische Zaken met 23 miljoen euronanotechnologisch onderzoek in Groningen (BioMADE),Twente (MESA+) en Delft (TU Delft en TNO TPD). Het pro-ject NanoNed ter waarde van ongeveer 230 miljoen eurocoördineert het werk aan acht universiteiten en dat van TNOTPD.

Zowel in NanoImpuls als in NanoNed is TNO TPD betrok-ken bij de deelgebieden NanoInstrumentatie en NanoLab.Het onderzoek binnen NanoInstrumentatie richt zich op hetontwikkelen van instrumenten die structuren op nanometer-schaal kunnen maken, inspecteren en zelfs individueeladresseren. Dat onderzoek sluit nauw aan bij de research ophet gebied van EUV-lithografie (Extended UV), die TNOTPD in Delft al enkele jaren uitvoert in nauwe samenwer-king met ASML en Carl Zeiss. De verwachting is dat om-streeks 2009 EUV-lithografie het mogelijk maakt structurenmet details van 32 nm op een siliciumplak te schrijven.

Bovengenoemde activiteiten in het kader van Nano-Instrumentatie (en andere, zoals het schrijven van structurenmet details kleiner dan 20 nm met behulp van elektronens-traaldepositie) zullen plaatsvinden in het nieuwe gebouw vanTNO TPD. Verder is het de bedoeling dat de genoemde pro-gramma’s zullen leiden tot een zgn. NanoLab, dat is één vir-tueel laboratorium waarin de investeringen in Groningen,Twente en Delft als het ware worden verenigd. DeNanofaciliteit van TNO TPD gaat al plaats bieden aan de eer-ste aanzet in Delft van dit NanoLab. Daarbij valt in de eersteinstantie te denken aan gevoelige apparatuur voor opper-vlakte-analyse, aan elektronenmicroscopie en aan apparatuurwaarmee structuren met kleinere details dan 100 nm kunnenworden geschreven met behulp van elektronenbundels.

InformatieEmilio de Vet, sales- en marketing manager DBU Cleanroom Techniek Postbus 156, 3400 AD IJsselstein Tel./fax 030-6885575/6883087

Foto’s: DBU Cleanroom Techniek en Frans Zuurveen (5 en 7).



Afbeelding 6. Definitie van stofvrijheid volgens ISO/FDIS 14644-1.

Afbeelding 7.Een ACC-unit inopbouw in demontageruimte vanDBU.

05_zuurveen_031379 03-12-2003 14:14 Pagina 8

E


ENQÛETE PRECISIEBEURS

Exposanten90 exposanten70% van de exposanten geeft aan deelte willen nemen aan de volgendePrecisiebeurs

Bezoekers1680 bezoekersaanmeldingen

Beoordeling aangeboden technologieën/producten/diensten66% goed30% voldoende

Leverancierspresentaties78% van de bezoekers heeft gemid-deld 3 leverancierspresentatiesbezocht 48% hiervan beoordeelt deze als goeden 45% beoordeelt deze als voldoende

Voldeed de beurs aan uw (bezoekers)verwachtingen?63% goed33% voldoende

Belangrijkste functies van de bezoekerDirectie 16%Engineering/Constructeurs 25%R&D/Productontwerpers 16%Projectleiders 5%Inkoop 2%Marketing/Sales medewerkers 10%

Belangrijkste branches bezoekersMachinebouw 16%Apparatenbouw 14%Metaalindustrie 17%Electro(nica) 13%Consultancy 6%

Interessegebieden bezoekersFijnmechanica 60%Meettechniek 42%Productontwikkeling 47%Precisiemachines 46%Lasertoepassing 26%Optica 25%Oppervlaktebehandeling 33%Materialen 37%Motion control 32%Micro-assemblage 30%

Meer informatie: www.mikrocen-trum.nl of www.precisiebeurs.nl

Feiten en cijfers over

de precisiebeurs 2003Dit jaar heeft voor de derde keer op rij de Precisiebeurs plaatsgevonden.Woensdag 8 en don-

derdag 9 oktober werden de deuren voor iedere geïnteresseerde in preciesietechnologie geo-

pend. Hieronder treft u een kort overzicht van de uitkomst van de enqûete aan die de beurs-

bezoeker naar aanleiding van de beurs heeft ingevuld.

09_beurs_031379 03-12-2003 14:13 Pagina 9


Afbeelding 1. De vakman bij de machine

DMS 35ultrasonic

Nieuwe verspaningsmachine

DMS 35ultrasonic

10_Philips_031379 03-12-2003 14:14 Pagina 10

S


Steeds meer producten worden gemaakt van kwarts, alumi-niumoxide en siliciumcarbide vanwege hun karakteristiekemateriaaleigenschappen (licht, stijf, chemisch resistent,temperatuurstabiel en slijtvast). Met de DMS 35 Ultrasonickunnen snel complexe vormen in harde en brosse materia-len worden gemaakt. Een belangrijke bijdrage aan dezemanier van bewerken wordt geleverd door de ultrasoonspin-del in deze machine.

WerkingDe machine bevat een ultrasoongenerator die een hoogfre-quent elektrisch signaal levert. In de spindel wordt dit sig-naal omgezet in een mechanische beweging. Hierdoor pul-seert de spindel 21.000 keer per seconde met een amplitudevan een aantal micrometers. Door deze trilling van de spin-del en zijn diamanten slijpgereedschap op het te verspanenmateriaaloppervlak wordt het materiaal als het ware gebro-ken in zeer kleine deeltjes. De gelijktijdige rotatie van despindel garandeert dat de deeltjes uit het werkgebied wor-den weggehaald. De krachten bij dit ultrasone proces zijngering doordat er van een dynamische en akoestische terug-koppeling wordt gebruikgemaakt. Materiaalbeschadiging ishierdoor minimaal. De machine is gespecificeerd voor hethalen van ruwheden kleiner dan 0,2 µm en plaatsnauwkeu-righeden kleiner dan 6 µm. Daarbij worden drie vrijheids-graden (x,y,z) numeriek bestuurd, waardoor de machinecomplexe vormen in producten kan maken.

GebruikDoor de aanschaf van de DMS 35 Ultrasonic, de enige inNederland, kan het CTC voorzien in de groeiende behoefteaan producten die gemaakt zijn van harde en brosse mate-rialen. Voorbeelden van producten waarvoor de nieuwemachine zijn diensten kan bewijzen zijn LCD-glasplaten,zerodur-spiegels voor interferometrie, röntgendeflectiekris-tallen voor analyseapparatuur en sensoren voor lithografi-sche systemen. Het CTC verwacht dat haar klanten veelgemak zullen hebben van deze nieuwe machine. De drienumeriekbestuurde assen geven ontwerpvrijheden in hardeen brosse materialen die voorheen niet mogelijk waren.Hierdoor kunnen nieuwe wegen worden bewandeld op hetgebied van harde en brosse materialen.

Afbeelding 2. Een driedimensionaalproductvoorbeeld, gemaakt van aluminiumoxide

Het Campus Technology Centre (CTC) heeft onlangs de nieuwe verspanings-

machine DMS 35 Ultrasonic in gebruik genomen. De machine is gespeciali-

seerd in het bewerken van geavanceerde materialen.

OrganisatieHet CTC is een onderdeel van Philips Enabling TechnologiesGroup en is wereldwijd actief in onder andere de semicon-ductor industrie. De organisatie bevindt zich op de HighTech Campus van Philips en ontwikkelt een grote diversiteitaan mechanische/fysische processen: van het draaien vanlenzen in het nanometergebied tot het uitzoeken van de opti-male bewerkingstechnologie voor geavanceerde materialen.

Voor meer informatie:Martin BrinkhuisPhilips ETG-CTCTel.: 040 – 274 24 42

10_Philips_031379 03-12-2003 14:14 Pagina 11

blok wordt afgesloten met een eigen CRC.De data tussen meetsysteem en volgelektronica wordt bidi-rectioneel verstuurd volgensRS-422 synchroon met een ‘klok’. De klok wordt door devolgelektronica geleverd.

Meer informatie: www.heidenhain.nl


ENDAT 2.2

VVanwege de seriële dataoverdracht zijn bij de EnDat slechtsvier signaallijnen nodig. Data wordt, synchroon met hetkloksignaal, overgedragen en aan de volgelektronica aange-boden. De EnDat 2.2 is qua communicatie, instructiecom-mando en timing compatible met versie 2.1, maar biedtmeer voordelen. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk naast depositie-informatie additionele informatie mee te zenden,zonder daar eerst een extra commando voor te geven.

Heidenhain heeft het protocol uitgebreid en de timing geop-timaliseerd. De klokfrequentie is 4MHz (8MHz in de test-fase). De rekentijd is korter (positie binnen 5µs) en de‘dead-time’ is minimaal (ca. 3µs).

Heidenhain verwacht medio 2004 meetsystemen met de EnDat 2.2 te kunnen presenteren.

De EnDat 2.2 is een digitale, bidirectionele interface voor positiemeetsystemen die in staat is

voor zowel absolute als incrementele meetsystemen positie-informatie en andere relevante

informatie te verzenden en te ontvangen.

Interface EnDat 2.2

verwacht

Naast de positie-informatie kunnen er een of twee data-blokken met additionele informatie worden meegestuurd(status, temperatuur, snelheid, parameters). Elk informatie-

12_Heidenhain_031379 03-12-2003 14:13 Pagina 12

P


MICRO-ASSEMBLAGE

Producten gebaseerd op Micro Systeem Technologie(MST) zijn sterk in opkomst. Een typisch MST-productheeft een typisch volume van hooguit enkele kubieke centi-meters. De volgende definitie wordt door Tummala in het boekFundamentals of Micro System Packaging gebruikt: [cur-sief]‘Microsystems are micro miniaturised and integratedsystems based on micro electronics, photonics, RF andmicro electro mechanical systems [MEMS] and packagingtechnology’ [1].

De assemblage van micro-onderdelen tot een werkend pro-duct kan alleen als productontwerp, onderdelenfabricage enbeschikbare assemblagemiddelen op elkaar zijn afgestemd.

De huidige stand van de techniek is dat deze afstemmingnog maar voor een beperkte categorie producten is gelukt.

MST-producten in opkomstVoorbeelden van veel toegepaste MST-producten zijn inkt-jetkoppen, airbagsensoren, druksensoren en optische scha-kelaars. In de meeste van deze producten vormt een fijnzin-nig bewerkt stukje silicium het functionele onderdeel [2].In de afgelopen twintig jaar is er veel technologie ontwik-keld die de toepassing van MST minder risicovol maakt. Zoworden accelerometers die de kern vormen van airbagsen-soren toegepast in ‘slimme’ pacemakers, die de hartslag vande gebruiker regelen op grond van zijn activiteitenniveau.

Automatischemicro-assemblagevan microsystemen

TNO Industrie ontwikkelt een ontwerpaanpak gericht op het produceerbaar

kunnen herontwerpen van microsystemen. En samen met de firma MA3

Solutions BV ontwikkelt TNO Industrie een assemblageplatform. Het plat-

form moet door eenvoudige herconfiguratie geschikt zijn om een groot aan-

tal verschillende microsystemen te kunnen ontwikkelen.

• Jan Eite Bullema,TNO Industrie •

13_TNO_031379 03-12-2003 14:14 Pagina 13


MICRO-ASSEMBLAGE

Dezelfde accelerometers worden toegepast in sommigespelcomputers of als productbeveiliging.

MarktenVolgens een in september 2003 door het Ministerie vanEconomische Zaken gepubliceerde nota [3] zijn er tweemarkten te onderscheiden. De markt van MST-componentenen de markt van MST-systemen. De markt van MST-com-ponenten heeft in de periode 1996-2002 jaarlijks een groeilaten zien van 25 procent (van 3 miljard euro in 1996 naar11 miljard in 2002). De markt van MST-systemen is in deperiode 1996-2002 jaarlijks met 18 procent gegroeid (van14 miljard euro in 1996 naar 38 miljard in 2002).Sommigen noemen de toepassingen van MST een alterna-tief voor de Semiconductor bussines.

Microassemblage van microsystemenBij de microassemblage van microsystemen komt men inhet algemeen de volgende problemen tegen:- kleine, fragiele onderdelen moeten schadevrij worden

verwerkt;- hoge assemblagenauwkeurigheden zijn noodzakelijk;- kleine onderdelen moeten worden verbonden;- de onderdelen moeten na assemblage vaak in contact

staan met de omgeving;- de onderdelen mogen niet in contact staan met de bui-

tenwereld.

Kleine fragiele onderdelenIn microsystemen is er vaak sprake van kleine, fragiele, bewe-gende onderdelen. Bijvoorbeeld in het Digital Mirror Device(DMD) van Texas Instruments wordt een array van ongeveereen miljoen spiegeltjes gebruikt waarbij elk spiegeltje eengrootte heeft van 15 bij 15 micron. In de meeste airbagsen-soren wordt een accelerometer gebruikt waarbij de testmassa

slechts een gewicht heeft van 0,3 microgram. Dit soort kleinestructuren kunnen nauwelijks mechanisch worden belast. Detestmassa van de acclerometer kan gaan ‘verkleven’ als er eenklein stoot tegen wordt gegeven. Dit fenomeen wordt stictiongenoemd en wordt veroorzaakt door schaaleffecten. Om dittegen te gaan worden speciale coatings op de membramenvan de accelerometer aangebracht.

AssemblagenauwkeurigheidDe uitlijning van een MST-onderdeel vraagt een hoge nauw-keurigheid. In een accelerometer is het bijvoorbeeld onge-wenst dat de accelerometer scheef staat. Overdreven gezegdzou de gevoeligheid in de x-richting met 50 procent afne-men bij een scheefstand van 45 graden. Vanwege dezelfdereden moet de accelerometer in het vlak staan.

Onderdelen verbindenHet verbinden van micro-onderdelen kan leiden tot proble-men omdat de verbindingen relatief grof zijn ten opzichtevan de onderdelen. Een tweede aspect is problematiek diewordt veroorzaakt door verschil in thermisch uitzettings-coëfficiënten waardoor spanningen ontstaan of de levens-duur van een product wordt beperkt. Een derde probleem ishet behoud van kwaliteit van elektrische signalen. Men kandan onder andere denken aan overgangsweerstanden, capa-citieve- en inductieve verliezen die kunnen optreden.De soldeerdikte van een accelerometer kan de gevoeligheiddoen afnemen omdat een deel van de versnelling in de ver-

Afbeelding 1. Voorbeeld van een spiegel in een Digital Micro Mirror Device van Texas Instruments

Afbeelding 2. FEM Model van spanningen die tijdens uithardenvan een lijm opgebouwd worden (model berekeningen van dr.ir. M. Meuwissen)

13_TNO_031379 03-12-2003 14:14 Pagina 14

binding wordt opgenomen. Bij veel microsystemen is deoverdracht van spanning uit een -gelijmde- verbinding op depackage een bekend probleem, waar de meeste bedrijvenhun oplossingen uit commerciële overwegingen niet delenmet anderen.

Contact met de buitenwereld Voor een categorie MST-producten is het gewenst dat onder-delen met de buitenwereld in contact staan. Bijvoorbeeldvoor chemische sensoren en druksensoren. Dit maakt ‘pack-aging’, het beschermen van het systeem, tot een uitdagingomdat er beperkt gebruik kan worden gemaakt van debestaande kennis en ervaring op het gebied van elektronica-packaging. Bij elektronicapackaging zijn onderdelen vaakvolledig ingegoten in compound.Oplossingen worden gezocht in de vorm van pre-mouldedpackages waar plastic bakjes en dekseltjes worden ingezet.In druksensoren worden vaak metalen diafragma’s gebruiktdie druk doorgeven aan een olie, die in contact staat met hetsiliciummembraam van het microsysteemonderdeel.

Niet in contact met de buitenwereldVoor een andere categorie microsystemen is het gewenst dater geen of weinig contact is met de buitenwereld. Dit speeltmet name bij optische schakelaars. Vocht en oxidatie vor-men een belangrijke bedreiging voor de levensduur engoede werking van een dergelijk product. Het is dangewenst een hermetische package te realiseren. Het is nogsteeds een groot probleem betrouwbare hermetische packa-ges tegen relatief lage kosten te realiseren.

Automatische assemblage van microsystemenTNO Industrie werkt samen met de Technische UniversiteitEindhoven aan een onderzoeksproject in het kader van hetproject IOP-Precisietechnologie. In dit onderzoeksproject

wordt gekeken naar de mogelijkheid een zeer fijnzinnigeassemblagestap schadevrij in een assemblagerobot uit tevoeren. Daarvoor wordt er gekeken naar de mogelijkhedenonderdelen, fabricage, productontwerp en assemblagemo-gelijkheden op elkaar af te stemmen.De demonstrator in het IOP-project is een meettaster metnanometerprecisie. Deze meettaster is door de sectiePrecision Engineering onder leiding van professorSchellekens ontwikkeld.

ProductontwerpEr zijn internationaal verschillende initiatieven om tot ont-werpaanpakken te komen voor maakbare microsystemen. InDuitsland hebben de Fraunhofer Gesellschafte het zoge-naamde Match-X-platform ontwikkeld voor een bepaaldecategorie microsystemen. Dit zijn gestapelde MicroElektronica Devices. TNO Industrie heeft op basis van ditplatform een aantal prototypen Micro System Devices gere-aliseerd. Op Europees niveau wordt in het kader van MEM-STAND gezocht naar de mogelijkheid tot standaardisatiebinnen de ontwikkeling van microsystemen te komen [5].

TNO Industrie ontwikkelt een ontwerpaanpak gericht op hetproduceerbaar kunnen herontwerpen van microsystemen.Deze Design for Micro Assembly-aanpak [6] bestaat uit ont-werpregels die ertoe moeten leiden dat een microsysteem-product ook daadwerkelijk kan worden gemaakt. De ont-werpregels staan in rechtstreeks verband met een productie-platform voor microsystemen dat door TNO Industrie isontwikkeld, zodat een herontworpen microsysteem ookindustrieel kan worden geïmplementeerd.

Voorbeelden van Design for Micro Assembly ontwerpregelszijn: • Micro-onderdelen met een 3D structuur zijn bij voor-

keur opgebouwd uit componenten die maximaal 2,5 Dzijn in verband met de produceerbaarheid;


Afbeelding 3b.Detail van de basisvan de taster metpiëzoweerstanden

Afbeelding 3a. Demeettaster metnanometer nauw-keurigheid

13_TNO_031379 03-12-2003 14:14 Pagina 15

• Als er gelijmd wordt, moet de lijm bij voorkeur van bovenop het substraat aangebracht worden, behalve als er doorde viscositeit van de lijm versmering kan optreden;

• Micronauwkeurigheid moet zo laat mogelijk in het pro-ces worden aangebracht. Micronauwkeurigheid vancomponenten daarentegen zo vroeg mogelijk;

• Bewerkingen met een hoge energie-inhoud of bij eenhoge temperatuur worden zo weinig mogelijk toegepastin een geassembleerd product of geassembleerd stel. Erkan een uitzondering gemaakt worden als het product demogelijkheid heeft de energie goed af te voeren of te dis-siperen;

• Het aantal bewerkingsprocessen en opspanningen moetzo beperkt mogelijk zijn om een hoge reproduceerbaar-heid te garanderen;

• Bij het ontwerpen moet er rekening worden gehoudenmet afwijkingen tussen maten op tekening en de gereali-seerde chip vanwege de lage relatieve nauwkeurighedenbij micro-onderdelen;

• Registratie en uitrichting moet bij voorkeur op dezelfdeonderdeellokkatie plaatsvinden;

• Bij microassemblage is in verband met trillingen de mon-tageplaats losgekoppeld van transportsystemen of andereparalleldraaiende, bewegende machineonderdelen;

• Onderdelen/verbindingen/producten moeten niet kleinerworden gemaakt dan noodzakelijk;

• Oppervlaktebewerkingen van micro-onderdelen tijdensassemblageprocessen worden zoveel mogelijk vermedendoor juiste materiaalkeuzes en schone fabricagemetho-den.

Meettaster met nanometerprecisieDe meettaster met nanometerprecisie is een MST-systeemmet de functie van het opnemen van kleine verplaatsingenin een coördinatenmeetmachine. De werking van de taster isgebaseerd op het aantasten van een oppervlak met een sty-lus. Bij oneffenheden op het oppervlak worden er krachtenop de stylus uitgeoefend die zich vertalen in mechanischespanningen in de basis van de stylus. De basis van de stylusbestaat uit een dun silicium membraam dat uit drie benenbestaat. Door piëzo-elementen in de benen van de styluskunnen de mechanische spanningen, die een maat zijn voorde verplaatsing van de stylus, als elektrische weerstandenworden gemeten.Om de meettaster te realiseren is het nodig een stylus nauw-keurig haaks op het silicium membraam te plaatsen. Erspeelt een aantal problemen als men de assemblage van dehuidige meettaster automatisch wil laten plaatsvinden. - De dikte van het silicium is slechts 20 micrometer, waar-

door er al schade aan het membraam optreedt bij het uit-oefenen van krachten in de orde van enkele tientallenmicronewtons. Dit komt overeen met het landen van eenvlieg op de taster;

- De stylus moet met een nauwkeurigheid van beter dan 1micrometer geplaatst worden om de meettaster met degewenste nauwkeurigheid te laten functioneren.

In een eerste herontwerp van de taster door Edwin Bos,promovendus op de TU/e, is het gelukt de hoge meetnauw-keurigheid te behouden met minder strenge eisen voor deassemblagenauwkeurigheid, ver boven 1 micron assembla-genauwkeurigheid. Daarnaast is het aantal onderdelen vande taster verminderd door integratie van functies op silici-um [8].


MICRO-ASSEMBLAGE

Afbeelding 4. Fijnmanipulatormodule voor het microassemblageplatform

13_TNO_031379 03-12-2003 14:14 Pagina 16

AssemblageplatformTNO Industrie ontwikkelt een assemblageplatform insamenwerking met de firma MA3 Solutions BV dat dooreenvoudige herconfiguratie geschikt moet zijn een grootaantal verschillende microsystemen te kunnen ontwikke-len. Daarnaast wordt het assemblageplatform ingezet omtechnologieontwikkeling te kunnen uitvoeren. Momenteelwerkt TNO Industrie aan de ontwikkeling van een laser-lasmodule, een flipchipmodule voor het assemblageplat-form.

FijnmanipulatorEen van de modules in het assemblageplatform is een zoge-naamde fijnmanipulator. In het kader van het beschrevenonderzoek is de nauwkeurigheid van de fijnmanipulatoronderzocht en verbeterd. De modules worden ontwikkeld opzogenaamde testbenches die zodanig geconfigureerd zijndat ze naadloos in het assemblageplatform kunnen wordeningepast.

Er zijn in dit onderzoek door Gerben van Eijk, afstudeerdervan de TU/e, compensatiemodellen ontwikkeld en demanier van signaalverwerking en terugkoppeling is verbe-terd waardoor de fijnmanipulator in staat is binnen 1 micro-meter nauwkeurigheid een onderdeel te positioneren.

SamenvattingHet IOP PT-onderzoek van dit project is een jaar onderwegen er zijn inmiddels goede vorderingen gemaakt. Maar erliggen nog grote uitdagingen op het gebied van de wijzewaarop verbindingen kunnen worden gerealiseerd en opwelke manier de gevonden oplossingen kunnen wordendoorvertaald naar andere gelijksoortige microsystemen.

Literatuur[1] Rao Tummala, Fundamentals of Micro System Packaging,2001, ISBN 0-07-137169-9 [2] Nadim Maluf, Introduction to Micro ElectromechanicalSystems, 2000, ISBN 0-89006-581-0[3] Rapportage kansrijke marktsector combinaties EAConsulaat Generaal Munchen, september 2003[4] Ken Gilleo, MEMS Packaging Issues and Materials, posi-tion paper[5] Laurence Singleton, MEMSTAND Survey Analysis, IST-2001-37682[6] Jan Eite Bullema, Design for Micro Assembly, EUSPEN2003[7] Wouter Pril, PhD thesis, Development of High PrecisionMechanical Probes for Coordinate Measuring Machines, 2002 [8] E.J.C. Bos , P.H.J. Schellekens, H. Haitjema, A calibra-tion setup for a new type of nano probe., in Micro SystemsTechnologies 2003; Munchen, Germany, 8, (2003)


Afbeelding 5. Stabilitieitsmetingen aan de fijnmanipulator

13_TNO_031379 03-12-2003 14:14 Pagina 17


De precisieproducten van het nieuwe lid worden geprodu-ceerd door middel van foto- of elektrochemische etstechnie-ken en elektroformeertechnieken in een materiaaldikte van 5micron-1,5 millimeter. Voordelen van deze precisietechniekenzijn dat er sprake is van een hoge precisie en een braamvrijproduct zonder inwendige materiaalspanningen of vervor-ming. De gereedschapskosten zijn laag, de materiaalkeuze isuitgebreid en ze zijn geschikt voor proef- en serieproductie.

SpecialiteitEtchform werkt niet alleen met gangbare materialen zoalsRVS en Cu-legeringen. Haar specialiteit is het precisie-etsen van titaan, goud, zilver, molybdeen, tantalium, hafni-um en andere ‘exotische’ metalen. Het bedrijf maakt con-tactveren, doseerringen, leadframes & connectoren, codeer-schijven, flexibele fijne-lijn prints, contactstrips, heatsinks,zonnecelverbinders, spacers, positioneerringen, rosetten,filters & zeven, elektrodegrids, opdamp- en positioneer-maskers voor de micro-elektronica, lucht- en ruimtevaart,instrumentatie, medische technologie, sensoren techniek enandere technologische toepassingen.De onderneming is een gekwalificeerde leverancier voorESA en NASA projecten.

ProductieNa tekeningvrijgave worden filmplots vervaardigd met eenplotresolutie van 16.000 of 32.000 dpi. De proef- en seriepro-ductie vanaf 1-50.000 stuks per batch vindt plaats in stofarmeruimtes. In eigen beheer worden gewenste oppervlaktebehan-

delingen uitgevoerd zoals vernikkelen, verkoperen, vertinnen,verzilveren en vergulden. Het bedrijfslaboratorium heeft debeschikking over o.a. UV-VIS spectrometrie, autolab, x-rayröntgen fluorescentie, gefocusseerde belichtingsunit, spin/dipen rollencoating en een cleanroom (klasse 10.000). De TQM-filosofie maakt deel uit van het klantgericht produceren.

Technische ontwikkelingenEtchform beschikt over een eigen R&D-groep voor pro-ductspecifieke ontwikkelingen en heeft in de afgelopenjaren enkele onderscheidingen ontvangen:- precisie-etsen van zonnecelverbinders uit goudfolie uit-

gereikt door het Innovatiecentrum Midden Nederland;- onderzoek naar precisie-etstechnieken voor flow-sen-

soren, BTS voorbeeldproject van Senter;- winnaar ‘beste ondernemingsvisie’ trofee het Gooi.- deelnemer aan het Europese CRAFT ontwikkelingspro-

ject G6ST-CT-2002-50321 SYSCOP.

Bedrijfsfilosofie‘Precies in prestatie’ is de bedrijfsfilosofie van Etchform.Een team van deskundige medewerkers is voortdurendbezig met het vinden van oplossingen. Zoals de juiste mate-riaalkeuze, de haalbare producttoleranties, de gewensteoppervlaktebehandelingen, productaanlevering voor auto-matische bewerking en andere kostprijsgunstige mogelijk-heden. Etchform: “Voor de productie van zowel proefleve-ringen als seriematige opdrachten geldt: Just in time andzero defects.”

LidmaatschapDe onderneming vindt het lidmaatschap van de NVPT in deeerste plaats nuttig voor het bijhouden en uitwisselen vantechnische ontwikkelingen op het vakgebied. Zelf denkt hetbedrijf bij te kunnen dragen aan het bevorderen van de inte-gratie van de (elektro-)chemische technologie binnen ver-schillende technische vakdisciplines van de precisietechno-logie.

Meer informatie: www.etchform.com

Precies in prestatie

De NVPT heeft er een nieuw lid bij:

Etchform BV uit Hilversum. Het bedrijf

is co-maker in de proef- en seriepro-

ductie van dunne, metalen precisiepro-

ducten op tekeningspecificatie voor de

Europese high-techindustrie. Etchform

streeft naar een Europese toppositie op

het vakgebied.

k e n n i s v a n ELKANDERS KUNNEN

18_Etchform_031379 03-12-2003 14:14 Pagina 18

I


2-ASSIGE SCANSPIEGEL

InleidingGezien het belang en de complexiteit van de regeltechni-sche- en dynamische aspecten van de scanspiegel is ditonderwerp gekozen voor de genoemde technologieontwik-keling. De ontwerplus die hierbij gehanteerd is, is schema-tisch weergegeven in afbeelding 1.

De beoogde ruimte-telescoop waarvoor de scanspiegel kandienen, zal aan boord van een satelliet onderzoek doen naarde samenstelling van de atmosfeer. De werking van dit ins-trument is gebaseerd op de spectrale verandering van ster-licht wanneer dit door de atmosfeer schijnt. De bewegingvan de satelliet rond de aarde en het pad van het sterlicht

Het ontwerp van een

2-assige scanspiegelvoor de ruimtevaart

Scanspiegels hebben een breed toepassingsgebied in zowel de lucht- en ruimtevaart als

wel in toepassingen op aarde, van laserbewerkingsmachines tot telescopen. De hier

besproken scanspiegel is als voorbeeld gekozen voor technologieontwikkeling binnen TNO

TPD met als toepassingsgebied de ruimtevaart. In het ontwerpproces is een ontwerpfiloso-

fie gehanteerd waarbij nauw wordt samengewerkt tussen de gebieden: fijnmechanisch ont-

werpen, dynamica en regeltechniek. Het doel van deze korte ontwerplus is het vroegtijdig

optimaliseren van het ontwerpproces van complexe fijnmechanische systemen waarin

dynamica en regeltechniek een belangrijke rol spelen. De ontworpen scanspiegel heeft een

spiegel van 77 mm x 109 mm en een hoekbereik van ±7,5° x ±1,0°. De scanspiegel moet

kleine hoekverstoringen tot 200 µrad met een frequentie van 100 Hz corrigeren.

• Jeroen Heijmans(1), Joep Pijnenburg(2),Arthur Berkhoff(2) en Martijn Termeer(2)* •

*1 Technische Universiteit Eindhoven, faculteit Werktuigbouwkunde 2 TNO TPD Delft, Postbus 155, 2600 AD Delft

19_TNO TPD_031379 03-12-2003 14:13 Pagina 19



door de atmosfeer zijn schematisch weergegeven in afbeel-ding 1.

Om de verschillende geschikte sterren in beeld te krijgen ente volgen met een maximaal toelaatbare onnauwkeurigheidvan 30 µrad is een scanspiegel nodig. De scanspiegel moetdaarbij ook hoekverstoringen tot 200 µrad corrigeren dieoptreden als gevolg van samenstelling- en toestandvariatiesin de atmosfeer.In een samenwerkingsverband van TNO TPD met deTechnische Universiteit van Eindhoven is hiervoor een ont-werp gemaakt.

De belangrijkste eisen waaraan de scanspiegel dient te vol-doen staan opgesomd in tabel 1.

Opbouw:De scanspiegel moet met relatief hoge frequenties scannenwaardoor de dynamische eigenschappen van de scanspiegeleen belangrijke rol spelen. De spiegelmassa en het traagheids-moment dienen om deze reden laag te blijven. Door de (virtu-ele)rotatiepool samen te laten vallen met het massamiddelpuntblijft het het traagheidsmoment minimaal. Daarnaast is het vanbelang dat de rotatiegeleiding het traagheidsmoment zo minmogelijk verhoogt. Er zijn hierbij twee configuraties mogelijk:De seriële uitvoering, waarbij de rotatie-assen zijn gesta-peld, en de parallelle uitvoering. Beiden zijn weergegeven inafbeelding 1 met daarbij een uitvoeringsvoorbeeld. De meest voorkomende configuratie voor het uitvoeren vangrote hoekverdraaiingen is de seriële uitvoering met gela-gerde assen. In dit geval draagt de rotatie-as welke staatafgesteund op de vaste wereld zowel de spiegel als de twee-de rotatie-as. Het hiermee betrokken traagheidsmoment isgroter dan wanneer de rotatiegeleiding parallel wordt uitge-voerd. Daardoor heeft de laatste de voorkeur.

Een andere afweging met betrekking tot de rotatiegeleidingis het toepassen van lagers of elastische elementen. Voor hetuitvoeren van de vereiste rotaties van ±7,5° x ±1,0° behoort

een elastische rotatiegeleiding nog totde mogelijkheden. Voordelen van deelastische geleiding is dat er geen hys-tereses optreedt welke de minimalehoekonnauwkeurigheid limiteert, ergeen smering hoeft te worden toege-past en de geleiding, mits goed uitge-voerd, een oneindige levensduur heeft. De elastische rotatiegeleiding dienthierbij de twee scanrotaties met eenzo’n laag mogelijke rotatiestijfheidvast te leggen om het actuatiekoppelklein te houden. De overige vrijheids-graden dienen met hoge stijfheid teworden vastgelegd.

Afbeelding 1. Schematische weergave van samenwerking in het ontwerpproces

regelprestaties

ontwerp

analyseAnalyse Dynamische

Mechanisch

Afbeelding 2. Schematische weergave van het werkingsprincipe

Uitvoeringseisen:(Elliptische) spiegelafmeting: 109mm x 77mmGezichtsveld ±7,5° (azimut) x ±1,0° (elevatie)Max. hoekonnauwkeurigheid 30 µradAanstuurfrequentie: >100 Hz

Ruimtevaarteisen:Temperatuursbereik -40°C tot 60°CVacuüm 1·10-3 PaLevensduur > 5 jaarVersnellingen gedurende de lancering 45 gAlg. eigenschappen: Lage massa, volume en vermogen

Tabel 1. Eisen aan de scanspiegel

Afbeelding 3. Schematische weergave met uitvoering van: a.Seriële versus b. Parallelle configuratie

19_TNO TPD_031379 03-12-2003 14:13 Pagina 20

Concepten:Hiervoor zijn twee concepten bedacht waarin het eerste con-cept voor de rotatiegeleiding bestaat uit drie radieel geplaats-te, gevouwen bladveren. Dat is te zien in afbeelding 4.

De bladveren zijn vervolgens middels een ‘spiegel-kracht-frame’ verbonden aan de spiegel om deze spanningsloos opte hangen. De spiegel kan hierdoor dun worden uitgevoerdwaardoor de spiegelmassa laag blijft.De (z)-hoogte van de spiegel is door de bladveren nog nietvastgelegd en dit zou kunnen gebeuren door een spriet teplaatsen onder het midden van de spiegel. Omdat de belas-ting van de spriet echter ongunstig is bij de grote rotatiesrond het massamiddelpunt in de spiegel, en een directebevestiging met (en belasting van) de spiegel moet wordenvermeden is er een ander oplossing bedacht. Er worden drieactuatoren toegepast welke zowel de twee scanrotaties als de(z)-hoogte bepalen. De actuatoren worden aan de stijvehoekpunten van het spiegel-krachtframe bevestigd. Op dezemanier is er een symmetrisch ontwerp gecreëerd met eenthermisch centrum in het midden van de spiegel.

De gevouwen bladveren leggen ieder één vrijheidsgraadvast waarmee de translaties x, y en de rotatie � van de spie-gel vastliggen, zie afbeelding 4a. De bladveren lopen naarbuiten smal toe wat de hoogkante-buigstijfheid benadert.Dit wordt beschreven met:

(1)

Waarin:‘t’ staat voor de dikte; ‘b’ voor de breedte ‘E’ voor de E-modules en ‘L’ voor de lengte van de bladveer. Dit is aange-geven in afbeelding 4b.

Het materiaal in het midden van de bladveer is verwijderdwaardoor een V-vorm ontstaat. Hierdoor is de buig- en tor-siestijfheid verlaagd en stijgt de eigenfrequentie van debladveer.Het is van belang om de dikte ‘t’ te minimaliseren voor eenzo laag mogelijke buig- en torsiestijfheid van de bladveer,


Afbeelding 5a. Rotatiegeleiding met tangentiële sprieten Afbeelding 5b. De sprietuitvoering met elastische elementen

Afbeelding 4a.Rotatiegeleiding met driegevouwen bladveren, bBladv. dimensies

19_TNO TPD_031379 03-12-2003 14:13 Pagina 21

(Kbuiging,� ; Ktorsie ,� (t3, E-1) en om de optredende spanninglaag te houden(�buig, � torsie (t-2). Door staal te gebruikenmet een hoge E-modulus en vloeispanning kan een blad-veerdikte van 0,15 mm worden gebruikt en toch worden vol-daan aan de vereiste hoogkante-buigstijfheid. Dit komt ech-ter niet ten goede aan de knikkracht. De knikkracht wordtbeschreven volgens vergelijking (2):

(2)

De geoptimaliseerde stalen bladveren waarvan de randenzijn omgezet blijken dan ook kritisch te zijn voor de gestel-de lanceerbelasting van 45 ‘g’.

Het tweede concept voor de rotatiegeleiding bestaat uit drietangentieel geplaatste sprieten, afbeelding 5a. De stijfheidvan de gevouwen bladveer in zijn vouwlijn is nu vervangendoor de hoge axiale stijfheid van de spriet. Het spiegelframezorgt er voor dat er een grote sprietlengte ontstaat waardoorhet mogelijk wordt om de grote rotatie van ±7,5° elastischuit te voeren. Omdat een dunne spriet echter niet zal vol-doen aan de gewenste hoge knikkracht en eigenfrequentie,moet het middendeel verstijfd worden. Een andere moge-lijkheid is om de sprieten voor te spannen door een koppelaan te brengen rond de hartlijn van de spiegel. Een andereen de meest gunstige sprietuitvoering is weergegeven inafbeelding 5b. In deze uitvoering wordt voldaan aan eenhoge knikkracht, eigenfrequentie en axiale stijfheid en zijnde stijfheden in de overige richtingen het laagst.

De vijf vrijheidsgraden van de spriet zijn hierin opgesplitstover vijf elastische elementen. Het kruisvormige profiel inhet midden zorgt voor een lage torsiestijfheid en een hogebuigstijfheid. De vier overige elastische scharnieren latenieder elk één rotatie vrij. Op deze manier krijgt de spriet eenzeer lage stijfheid in de vijf richtingen waarin dit is gewensten toch een hoge axiale stijfheid, knikkracht en eigenfre-quentie. De sprieten zijn uitgevoerd in een titanium-alumi-nium legering met een hoge vloeispanning van 1200 MPa eneen E-modulus van 115 GPa. Dit maakt het mogelijk om deelastische scharnieren op de sprietuiteinde de grote hoek-

verdraaiing te laten uitvoeren.Wanneer nu de eigenschappen van beiden concepten naastelkaar worden gelegd, tabel 2, dan geeft de zojuist bespro-ken sprietuitvoering de laagst mogelijke (scan)rotatiestijf-heid. Daarbij wordt tevens aan alle overige eisen voldaan.

De spiegelDe spiegel die de grootste massa en traagheidsmoment bezitis uitgevoerd in silicium carbide en elliptisch van vorm.Silicium carbide heeft een zeer hoge specifieke stijfheid engunstige thermische eigenschappen. Wanneer de buigstijf-heid wordt vergeleken met die van een opgelegde alumini-um spiegel dan kan de silicium carbide spiegel bijna tweemaal zo dun en 45 % lichter worden uitgevoerd. Met een traagheidsmoment van de SiC-spiegel van 2,4 ·10-4

kgm2 en een massa van 0,32 kg kunnen samen met de stijf-heden uit tabel 2 de volgende eigenfrequenties worden voor-speld:In de richting waarbij de eigenmode overeenkomt met descanrotatie:



Bladveren Sprieten uit elastische elementen

Stijfheid: Kscanrot, Nm/rad 0,9 0,3Stijfheid: Cinvlak, N/m 4 ·106 3 ·106

Knik: Fp, N 200 450

Tabel 2. Eigenschappen van de rotatiegeleiding uit bladveren en sprieten

Afbeelding 6a. Samenstelling spiegel, frame, spoelen en sprieten

Afbeelding 6b. z-sensor onder spiegelframe

spoel

spiegelframe

spiegel

spriet

spiegelframe

z-meetsysteem

19_TNO TPD_031379 03-12-2003 14:14 Pagina 22

(3)

De door de geleiding vastgelegde translaties in het vlak vande spiegel:

(4)

De eigenfrequentie van 5 Hz ligt onder de te verwachtenlaagste stoorfrequentie van 10 Hz . De eigenmode bij eenfrequentie van 480 Hz waarbij de spiegel in zijn spiegelvlakbeweegt, ligt bijna een factor vijf hoger dan de aanstuurfre-quentie van 100 Hz. Deze waarden tonen de goede eigen-schappen van de ontworpen rotatiegeleiding.Het spiegelframe waar de spiegel aan is bevestigd is eenpiramidevormige aluminium frame waarvan de bovenzijdeopen is. Zie afbeelding 6. Hierdoor ontstaat een zeer lichten stijf geheel in de richting waarin dit is gewenst en is hetframe slap daar waar de spiegel aanligt. Door de spiegel opdeze drie plaatsen in twee vrijheidsgraden te bevestigen ligtde spiegel statisch bepaald in het frame. De thermische uit-zettingsverschillen worden op deze wijze opgevangen metminimale introductie van spanningen in de spiegel.

De actuatorenAan de stijve hoekpunten van het spiegelframe zijn de actu-atoren bevestigd. Er is gekozen voor electro-magnetischeactuatoren omdat deze een contactloze beweging kunnen uit-voeren met een groot bereik en een lage onnauwkeurigheid.Door de spoelen te plaatsen in de hoekpunten van het spie-gelframe wordt een grote armlengte gecreëerd. Dit zorgt vooreen lage actuatiekracht en een hoge (scan)rotatiestijfheid.

De spoelen zijn het lichtste onderdeel van de actuatoren enzijn aan het frame gemonteerd. Het magneetcircuit staatafgesteund op de vaste basis.

De sensorenVoor het meten van de scanspiegelposities moet in de scan-spiegel een sensor worden opgenomen die de z-hoogtemeet. De twee rotaties worden gemeten in de telescoop aande hand van de uitgaande lichtbundel op een PSD-sensor.De z-hoogte van de spiegel wordt gemeten door aan deonderzijde van het spiegelframe in de hartlijn van de spie-gel, een capacitieve sensor te plaatsten, zie afbeelding 6b.

De sensor meet contactloos de hoogte van een dubbelge-kromd oppervlak die is bevestigd aan de piramidepunt. Opdeze manier kan de hoogte onafhankelijk van de scanrota-ties worden bepaald en is één sensor afdoende.

De lanceerbeveiligingVoordat de satelliet in zijn baan is gebracht en de scanspie-gel operationeel wordt, moet de spiegel vast worden gezet.De ontworpen sprietgeleiding heeft een hoge stijfheid indrie vrijheidsgraden en een voldoende hoge knikkracht eneigenfrequentie om te kunnen worden gebruikt gedurendede lancering. De lanceerbeveiliging moet de overige vrij-heidsgraden vast zetten: de scanrotaties en de hoogte vanspiegel. Deze worden vastgezet door de drie stijve hoek-punten van het spiegelframe geometrisch vast te zetten in dez-hoogte. Het vrijgeven van het spiegelframe gebeurd doormiddel van een elastisch geleide beweging die wordt uitge-voerd door middel van electro-magnetische actuatoren.


Afbeelding 7. Samenstelling en schematische weergave van de scanspiegel

19_TNO TPD_031379 03-12-2003 14:14 Pagina 23



Afbeelding 8. Absolute waardevan overdrachten van drie actu-atorkrachten naar x en y ver-plaatsingen op de PSD.

Afbeelding 9. Absolute waarde vanoverdrachten van drie actuator-krachten naar x en y verplaatsin-gen op de PSD voor de ‘vollediggekoppelde’ situatie.

De geassembleerde scanspiegel in een aluminium behuizingkomt er als volgt uit te zien, zie afbeelding 7.

Dynamica analysesDe scanspiegel maakt grote rotaties voor het zoeken en vol-gen van sterren. Tijdens het volgen van een ster maakt descanspiegel kleine rotaties voor het corrigeren van kleinehoekverstoringen. De grote rotatie van 7,5 graden rond deazimut-rotatieas veroorzaakt in meer of mindere mate geo-metrisch niet-lineair gedrag. Om te kijken of de dynamischeeigenschappen gevoelig zijn voor deze schuinstand zijn demodes en overdrachten bepaald in de nominale 0 en 7,5 gra-den gekantelde stand. In een modale superpositie wordenoverdrachten bepaald, met behulp van de modes en eigen-frequenties, van drie actuator posities naar vier translatiesop de spiegel. De translaties worden middels de afstandentot de rotatiepool omgerekend naar twee hoekverdraaiingenvan de spiegel. De hoeken worden vervolgens weer omge-rekend naar x en y verplaatsingen op de lichtgevoelige PSD-sensor met een weglengte van µm. De standveranderingen

blijken van kleine invloed te zijn voor de dynamica. De ver-wachting is dat de adaptieve regelaar die het mechanismemoet aansturen van deze veranderingen in de overdrachtengeen last heeft.

De uiteindelijke set overdrachten die gebruikt wordt om deregelprestaties te bepalen is dus een matrix van 3 bij 3: vandrie krachten naar de z-verplaatsing ten opzichte van hetspiegelcentrum en de x- en y-verplaatsing op de PSD-sen-sor. De overdrachten worden bepaald van 0 tot 800 Hz met15 modes en een dempingsverliesfactor van �=0.01. Wanneer de PSD-sensor zo is opgesteld dat een rotatie omde elevatie-as leidt tot zuiver x verplaatsing op de PSD-sen-sor, worden de volgende overdrachten gevonden, zie afbeel-ding 8. Hierbij is F1 de kracht van de actuator die op de azi-mut-rotatieas van de spiegel ligt.Voor een hoek van 45 graden tussen de elevatie-as en de x-as van de PSD-sensor, worden andere overdrachten gevon-den, waarbij de kracht van actuator 1 bijdraagt (‘vollediggekoppelde’) aan beide verplaatsingen op de PSD-sensorzoals in afbeelding 9 te zien is.

19_TNO TPD_031379 03-12-2003 14:14 Pagina 24

Regeltechnische analyseDe voorspelling van de prestatie van het systeem is geba-seerd op een kwadratische criteriumfunctie, met als gemini-maliseerde sensorsignalen de x- en y-signalen van de PSD-sensor en de verplaatsing van de spiegel in de (z-)hoogte. Eris geen onafhankelijk referentiesignaal beschikbaar dus hetsysteem moet worden beschouwd als een teruggekoppeldsysteem. De bandbreedte zoals bepaald uit het vermogens-spectrum van de PSD signalen is 150 Hz. Voor de analysevan het systeem wordt het 'Internal Model Control' principeverondersteld. De bemonsteringsfrequentie van het regel-systeem is 2 kHz. De prestaties zijn bepaald voor de tweeoriëntaties van de PSD-sensor (zie hierboven). Voor beidesituaties wordt een reductie van ongeveer 12 dB bereikt.

BesluitHet ontwerpproces van de scanspiegel is uitgevoerd met eenontwerpfilosofie waarbij kennis van het fijnmechanischontwerpen gecombineerd is met de kennis van dynamica enregeltechniek. Hierdoor was het mogelijk om in een vroegstadium het ontwerp te optimaliseren en een regelstrategiete ontwikkelen. Dit heeft het ontwerptraject versneld engeleid tot een veelbelovend scanspiegelontwerp.

Voor het mechanische ontwerp van de scanspiegel isgewerkt volgens de ontwerpmethodiek van de groepConstructies & Mechanismen onder leiding van dr.ir.P.C.J.N. Rosielle van de Technische Universiteit Eindhoven.

Hierin staan de ontwerpaspecten als het statisch bepaald,licht en stijf construeren, centraal. De ontworpen elastische,parallel uitgevoerde rotatiegeleiding met een groot gezichts-veld en de spanningsloos opgehangen spiegel geeft een ver-nieuwend scanspiegelontwerp.

Eind 2003 zal er bij TNO TPD een prototype van dit ont-werp gerealiseerd zijn. Het verloop van de verdere ontwik-kelingen en de behaalde resultaten zullen in de nabije toe-komst worden gepubliceerd.

Voor meer informatie kunt u contact opnemen met JoepPijnenburg: [email protected]

Literatuur:J.A.C. Heijmans , Het ontwerp van een 2-assige scanspiegelmet een elastische rotatiegeleiding, TNO rapport DOI-RAP-030017, ‘03P.C.J.N. Rosielle, Constructieprincipes 1, dictaat 4007,Technische Universiteit Eindhoven, FaculteitWerktuigbouwkunde, ‘98M.P. Koster, Constructieprincipes, Twente University press,ISBN: 9036514568, ‘00M.K. Termeer, ‘Modelling of dynamic behaviour and defor-mations in high precision instruments’, proceedings of the 3rd International Conference of EUS-PEN 2002, Vol. 1, 21-24.


100

101

102

103

30

20

10

0

10

20

30

40

frequency [Hz]

12 dB

100

101

102

103

30

20

10

0

10

20

30

40

frequency [Hz]

(2)

[dB

]12 dB

100

101

102

103

30

20

10

0

10

20

30

40

frequency [Hz]

(1)

[dB

]

11 dB

100

101

102

103

30

20

10

0

10

20

30

40

frequency [Hz]

(2)

[dB

]

13 dB

Afbeelding 10. Regelprestaties van de spiegel (Doorgetrokken lijnen zonder regelaar, gestippeld met regelaar).Voor de 0˚ situatie (10a) wordt 11 en 13 dB reductie gehaald in respectievelijk de x en y verplaatsing; voor de 45˚ situatie (10b) voorbeide verplaatsingen 12 dB.

19_TNO TPD_031379 03-12-2003 14:14 Pagina 25


NVPT NIEUWS

VInformatie precisietechnologieRegelmatig ontvangen wij informatie via hetSensorplatform, Ministerie van Economische Zaken, etc.over:- symposia- subsidies- scholing en opleidingen

Al deze informatie heeft sec te maken met precisietechno-logie. De NVPT houdt u hierover graag op de hoogte maarzal dit alleen via de e-mail doen. Als uw e-mail adres nogniet bekend is bij het secretariaat, e-mail uw gegevens [email protected] zodat we interessante informatie door kun-nen geven.

Contributieregeling 2004Tijdens de ledenvergadering 2003 is de contributiewijzigingvoor 2004 goedgekeurd. Als u het aantal medewerkers vanuw bedrijf nog niet heeft doorgegeven aan het secretariaat,e-mail dit s.v.p. per omgaande naar [email protected] januari worden de contributienota’s voor 2004 verzondenen het bespaart u en het secretariaat veel werk als u de juis-te nota ontvangt. Volledigheidshalve hieronder de contribu-tieregeling 2004 voor bedrijven.

De contributie voor bedrijven / instellingen bedraagt:Categorie A (O) €400,00

Bedrijven en instituten tot 25 medewerkers (1 contactper-soon)

Categorie B (O) €800,00Bedrijven en instituten tot 250 medewerkers (3 contactper-sonen)

Categorie C (O) €1.300,00Bedrijven en instituten met meer dan 250 medewerkers (5contactpersonen)

Categorie OInstellingen van MBO/HBO/WO krijgen 50% korting op decontributie voor de categorieën A t/m C

De bedragen zijn exclusief BTW.

Nieuwe rubriek ‘Kennis van elkanders kunnen’In deze uitgave vindt u de nieuwe rubriek ‘Kennis vanelkanders kunnen’. Via deze rubriek kunnen bedrijfsledenzich bij elkaar (her)introduceren. Uitgangspunt is dat hetartikel mogelijk interessante informatie bevat voor de lezersvan Mikroniek. Daarnaast ontvangen wij graag relevanteinformatie over beurzen, noviteiten, etc. zodat u via ons ver-enigingsblad nog beter geïnformeerd raakt. De uiteindelijkebeslissing kopij wel / niet te plaatsen, ligt bij de redactie-raad.

nieuws

Nederland is weer een nieuw concept rij-ker: namelijk een veiling van gebruiktemachines, ingebracht door meerderebedrijven, die door elke geïnteresseerdegratis te bezoeken is. Deze unieke veilingwordt op 25 maart tijdens de GebruikteMachine Vakbeurs georganiseerd in het

Autotron in Rosmalen. De GebruikteMachine Vakbeurs vindt plaats op 23, 24en 25 maart in Rosmalen. Op de beurs-vloer kunnen de exposanten hun gebruiktemachines tonen, zodat de bezoekers ophun gemak de machines kunnen bekijken.Ook kunnen zij dan met hun vragen over

de machines terecht bij de verkopende par-tij, voorafgaand aan de veiling.

Een bijkomend voordeel voor de bezoe-kers is ook dat er verschillende bedrijvenop de beursvloer staan die gespecialiseerdzijn in onderhoud en opleiding. Zo kunnen

Gebruikte machine veiling in Rosmalen

PERSBERICHT

26_NVPT_031379 03-12-2003 14:14 Pagina 26

zij direct bij hun aankoop de expertise opde vakbeurs vinden voor de begeleidingvan het personeel of de afstelling van demachine. Eventueel kan men ook direct hetvervoer van de aangekochte machine naarhet eigen bedrijf regelen. Omdat de Ge-bruikte Machine Vakbeurs volgens de all-in service georganiseerd wordt en een hap-je en een drankje gratis geserveerd wordenop de beursvloer voor de bezoeker, kan ditalles in een gemoedelijke sfeer plaatsvin-den.

VeilingvoorwaardenOp deze unieke veiling heeft iedere expo-sant de mogelijkheid om machines in tebrengen om te laten veilen, omdat de orga-

nisatie zeer gunstige veilingvoorwaardenhanteert. Ook bedrijven die niet gespeciali-seerd zijn in de machinehandel, maar welhun gebruikte machines willen verkopen,hebben dus de mogelijkheid om dit tijdensde Gebruikte Machine Veiling te doen.Ook hoeven geïnteresseerde bezoekersgeen inschrijfgeld voor deze veiling te be-talen, dus meebieden kan altijd. Zodoendewordt het voor de bezoekers ook zeer inte-ressant om de veiling te bezoeken, omdatmen daar net tegen die gebruikte machineaan kan lopen die men zoekt. Ook in deveilingzaal is de all-in service van toepas-sing en dat wil dus zeggen dat men ook indeze zaal tijdens de veiling onbeperkt ge-bruik kan maken van het grote assortiment

hapjes en drankjes. Deze gang van zakenzal dan ook zeker een grote bijdrage leve-ren aan een verkoopbevorderende sfeer inde veilingzaal.

Iedereen kan zich gratis aanmelden als be-zoeker van de Gebruikte Machine Veilingen Gebruikte Machine Vakbeurs op dewebsitewww.gebruiktemachinevakbeurs.nl. Ookbedrijven die een gebruikte machine willenverkopen en professionele handelaren dieinteresse hebben als exposant kunnen zichvia deze website aanmelden of contact op-nemen met Michan Katerbarg, via tele-foonnummer: 06-51 96 31 93.

advertentie

00_omslag_031379 03-12-2003 14:12 Pagina 7

00_omslag_031379 03-12-2003 14:11 Pagina IV

Documents

Precisietechnologie kan niet meer zonder luchtbehandeling