Electronica krijgt handen en voeten

Herbert Blankesteijn

Het mooie van veel electronica is, dat er weinig of geen bewegende onderdelen inzitten. Denk aan de tegenwoordige geheugenstekkers voor de usb-poort van de computer. De hoeveelheid geheugen van een harde schijf van tien jaar geleden, maar zonder opstarttijd, zonder slijtage en zonder kans op plotseling falen. De laatste jaren worden dergelijke geïntegreerde electronische producten juist weer wel van bewegende onderdelen voorzien. Dat is het geval in een heel scala van artikelen, van de 'ontsteking' van airbags via microscopische onderzoekslaboratoria tot bouwstenen van printers. Het nieuwste is een manier om papier door een printer te blazen.

Zulke bewegende onderdelen zijn, net als de electronische elementen van een chip, uiterst klein, gemaakt van hetzelfde soort materialen, en kunnen worden aangebracht met processen die in de chiptechnologie gebruikelijk zijn. Gevolg is dat op een goedkope manier de werking van electronica wordt uitgebreid: dankzij de bewegende onderdelen kunnen ze nu bijvoorbeeld objecten verplaatsen en stoffen vervoeren. De naam voor dergelijke systemen is MEMS: Micro Electro Mechanical Systems. Electronica en micromechanica worden vervlochten tot systemen uit één stuk, met een duurzaamheid die te vergelijken is met die van chips. Beet had het zich totnogtoe niet gerealiseerd maar we zitten al tot onze nek in MEMS.

In de auto bijvoorbeeld. De airbag wordt bij een botsing in werking gesteld door een accelerometer, een apparaatje dat een plotselinge verandering van snelheid waarneemt. Voorheen bevatte dit een bal die uit een houder kon schieten en zo een electrisch circuit kon openen of sluiten. Moderne accelerometers op basis van MEMS hebben een minuscuul gewichtje dat door verplaatsing de capaciteit van een condensator verandert. Nu dit in de electronica is geïntegreerd zijn de kosten van de accelerometer gedaald van 50 naar 10 euro. Geen wonder dat MEMS-accelerometers de markt hebben veroverd.

Andere toepassingen zijn het opwekken van ultrageluid door snelle trillingen en het verpompen van microscopische hoeveelheden gas of vloeistof. Het laatste wordt gebruikt in apparatuur die automatisch een groot aantal chemisch analyses tegelijkertijd uitvoert. Maar ook in een zeer gangbaar apparaat: de inkjetprinter. Dat is het populairste type printer van het moment. Bijna alle kleurenprinters bij consumenten zijn inkjetprinters.

De inkjetprinter spuit minuscule straaltjes inkt op papier. Een manier om die straaltjes op te wekken (gepatenteerd door Epson) maakt gebruik van een piëzoelectrisch kristal. Zo'n kristal vervormt bij een electrische spanning, en de mate van vervorming valt heel precies te controleren. Door de vervorming perst het kristal exact de juiste hoeveelheid inkt op het papier.

Een splinternieuwe toepassing van MEMS in printers is het door de printer blazen van het papier. In de meeste printers wordt het papier door rubberen rollen van A naar B getrokken. Dat is een manier die, zoals iedereen wel eens heeft ondervonden, niet honderd procent betrouwbaar is. Tijd voor een leuke innovatie.

Onderzoekers bij Xerox hebben platen vervaardigd die honderden minuscule ventieltjes bevatten, geïntegreerd met de sturende electronica. Per plaat zijn er 500 ventielen, en deze platen kunnen worden samengevoegd. Een ventiel is simpelweg een klepje, van een kwart mm dat door een electrische spanning geopend of gesloten wordt. Alleen bij microscopische onderdelen is de electrische aantrekking daar sterk genoeg voor.

In het mechanisme van Xerox blazen verschillende ventielen in verschillende richtingen; zo kan het papier alle kanten opgestuurd worden. Omdat centrale besturing van dergelijke aantallen ventielen te ingewikkeld is, heeft Xerox een extra nieuwtje: elk ventiel is geprogrammeerd volgens eenvoudige regels, die ook de samenwerking met de buurventielen regelen. Daarmee ontstaat vanzelf een collectief gedrag, te vergelijken met dat van mieren in een mierenhoop. Zo leiden onzichtbare microscopische bewegingen van de MEMS-ventielen tot het macroscopisch voortdwarrelen van het papier. Wanneer op de markt? Dat weten ze bij Xerox nog niet.