Grenzen verleggen op de nanometer: Saxion-onderzoek naar een schonere productie van MEMS

Hij noemt het ‘cooler’ dan alleen wetenschappelijk bezig zijn: associate-lector Aleksandar Andreski slaat liever de brug tussen de wetenschap en het bedrijfsleven. “Het gaat me niet alleen om wat er theoretisch allemaal mogelijk is, maar juist om wat we met die kennis kunnen maken,” vertelt hij in een gesprek over het Waste in MEMS-onderzoeksproject dat Saxion met partners vanuit de L.INT-regeling van SIA uitvoert.

Infuuspompen en brouwerijen

Daarbij draait alles om zaken die we met het blote oog nauwelijks kunnen zien: de betrouwbaarheid van de productie van micro- en nano-componenten, die in allerlei vormen en samenstellingen gebruikt worden. Bijvoorbeeld in medische infuuspompen, maar ook in brouwerijen of waterzuiveringsinstallaties. Kleine stukjes technologie die in de vorm van chips ingebouwd worden in grotere onderdelen, zoals sensoren.

Productie van MEMS kwalitatief opschalen

Saxion werkt hierin, zoals de L.INT-regeling is bedoeld, samen met een wetenschappelijk instituut en het bedrijfsleven, om met toegepast onderzoek een brug te slaan tussen partners. In dit geval met de Nederlandse ruimtevaartorganisatie SRON en regionale bedrijven. Met Bronkhorst High-Tech en Salland Engineering onderzoekt Saxion de mogelijkheden om de productie van MEMS kwalitatief op te schalen. “Onze regio is sterk in micro-nano producerende bedrijven. Het bedrijfsleven kijkt dan ook breed en met belangstelling mee naar de resultaten van ons onderzoek,” vertelt Andreski. De samenwerking, die tevens ondersteund werd door Tech For Future (TFF) ging in april 2019 van start.

Een biosensor die een bloedsample meet op de aanwezigheid van antilichamen

Bij de productie van deze MEMS-chips spelen de nodige betrouwbaarheidsvraagstukken een rol, legt de associate-lector uit. De chips bestaan uit verschillende componenten, die in opeenvolgende fasen van het productieproces worden toegevoegd. Zo kunnen ze, naast een elektrisch veld (de “E” van MEMS), beschikken over bewegende mechanische onderdelen (de “M” van MEMS). Net als over fluïdica, wanneer er vloeistoffen door de chip moeten vloeien. Ook fotonica, bij het gebruik van licht, kunnen een onderdeel zijn. Een complex voorbeeld waar alle benoemde componenten samen komen, is een zogenaamde opto-fluïdische biochip. Deze chip dient meestal als een biosensor, die in staat is een bloedsample te meten op de aanwezigheid van antilichamen in het geval van ziekte. Daarvoor moeten alle benoemde domeinen echter op een robuuste, veilige en onvervuilende manier geproduceerd en geïntegreerd worden. Een enorme uitdaging!

Sinds corona steeds meer vraag naar flow-meters

Het onderzoek dat Saxion met SRON en de participerende bedrijven doet, richt zich op het kwalitatief opschalen van de productie van chips voor flow-meters. Deze meters, met de omvang van een frisdrankblikje, meten de hoeveelheid en de stabiliteit van vloeistoffen die rondgepompt worden in brouwerijen, waterzuiveringsinstallaties en (in toenemende mate) infuuspompen. “Sinds de coronacrisis is er wereldwijd ook steeds meer vraag naar flowmeters voor medische analyse-apparatuur die ingezet wordt bij de behandeling van Covid-patiënten,” zegt Andreski.

Productieproces in alle stadia monitoren

Het maken van dergelijke flowmeters, waar de MEMS een onderdeel van zijn, is een proces waarbij veel kwalitatief hoogwaardig handwerk van specialisten komt kijken, legt de associate-lector uit. Het assembleren en controleren van de onderdelen is arbeidsintensief. Niet altijd is het daarbij mogelijk om in elke fase inzichtelijk te krijgen of de verschillende componenten van de chip goed functioneren. “Wanneer je aan het eind van het proces ziet dat bijvoorbeeld de fluïdische component niet aan de kwaliteitseisen voldoet, dan ben je tijd en materiaal verloren. We zoeken dus naar een efficiëntere meetmethode waarmee we het productieproces in alle stadia kunnen monitoren en verbeteren: in minder tijd, met minder afval, maar met meer kwaliteit.” Door de toenemende vraag naar flow-meters kunnen bedrijven als Bronkhorst High-Tech op veel grotere schaal, zonder kwaliteitsverlies gaan produceren.

De juiste chips in de juiste apparatuur

Het detecteren van fouten in chips kan daarnaast op bredere schaal grote productievoordelen opleveren, vertelt Andreski: “Bij de productie van zo’n chip, kunnen er op allerlei onderdelen kleine oneffenheden in ontstaan. Met slimme optische instrumenten meten we steeds nauwkeuriger hoe de kwaliteit van de chip is. Dat stelt de industrie in staat om de juiste chips in de juiste apparatuur te plaatsen.” Een kwalitatief perfecte chip wordt daarmee geplaatst in apparatuur waar hij zijn volledige potentieel kan benutten. Chips met foutjes voldoen echter nog prima in instrumenten of apparaten die op een lager niveau hoeven te presteren. Een eenvoudige laptop is iets anders dan een hoogwaardige medische sensor. De juiste chips in de juiste apparatuur: ook daarmee wordt door onderzoek de afvalberg en het verspillen van grondstoffen tegengegaan. 

Het Waste in MEMS-onderzoek is onderdeel van het grotere EFRO Meteoriet-project, besluit Andreski. Dat draait nog anderhalf jaar. “Als dat is afgerond, gaan we onze bevindingen breder toepassen. Bij bedrijven die vergelijkbaar zijn met Bronkhorst High-Tech. Daarvoor zijn volop mogelijkheden in de regio.”