Microprocessors zijn eigenlijk erg lui. Ze dénken wel erg snel, maar ze doén helemaal niets. Microprocessors, en daarmee computers, verwerken informatie met snelheden – uitgedrukt in gigahertzen – waar ze het erg warm van krijgen. Maar als het aankomt op aandrijven, pompen, tillen, duwen en andere fysieke bezigheden, iets waar de mens het zweet van op het voorhoofd krijgt, geven ze niet thuis.
Gelukkig zijn er ook micro-electromechanical systems (Mems) ofwel micromachines. Wanneer een microprocessor het in silicium gestolde equivalent is van de intellectueel dan is de micromachine het geminiaturiseerde evenbeeld in silicium van de arbeider. Maar dan wel een arbeider met hersens. De technologie van de Mems combineert namelijk de kunst van het maken van minuscule elektronische circuits met die van een industriële revolutie op miniatuur schaal.
Micromachines, zijn minuscule apparaten met dimensies in micrometers (1000 micrometer = 1 millimeter). Ze zijn opgebouwd uit verscheidene lagen silicium en ze kunnen duwen, gieten, pompen, koppelen, aandrijven, filtreren, enzovoorts. De fabricage ervan is voor een groot deel afgekeken van de manier waarop chips worden gemaakt. Ook micromachines worden gemaakt in clean rooms door mensen in rare pakken met behulp van lithografische apparatuur. Het belangrijkste verschil met chips is dat micromachines naast circuits ook bewegende delen hebben waarmee ze fysieke arbeid kunnen verrichten. Ze zijn echter zo klein dat je ze alleen ziet werken onder een microscoop. Zo passen er 1,2 miljoen Mems-spiegeltjes op het oppervlak van één postzegel. Naast dat ze kunnen bewegen zijn ze ook snel. Het Amerikaanse Sandia National Laboratories heeft een micromotor gebouwd die 350.000 omwentelingen per minuut maakt. Zo’n motor kan een minuscule vloeistofpomp aandrijven.
Doorbraak
Nu bestaan micromachines al zo’n vijftien jaar. Ze zijn ook al vijftien jaar lang een favoriet onderwerp voor populairwetenschappelijke tijdschriften. Commercieel is de toepassing van micromachines echter stroef verlopen. Waarom? Mensen zijn geen kabouters en het is een heel gepriegel om voor al die minuscule vliegwieltjes, koppelingetjes en aandrijfasjes een geschikte toepassing te vinden.
Pas de laatste jaren is er sprake van een doorbraak nu Mems opduiken in airbags, joy-sticks, allerlei sensoren, digitale film projectoren, inkjet printers, bloeddrukmeters en andere apparaten. Neal Barbour, een Amerikaanse Mems-specialist zegt: " �Mems zijn bezig de oren, ogen, neuzen, monden, handen en voeten van computers te worden."
De wereldmarkt voor micromachines groeit snel. In 1999 zou er wereldwijd voor 8 miljard dollar aan micromachines zijn verkocht. De verwachting voor 2002is 20 miljard dollar.
Airbags
De commercieel meest succesvolle toepassing van micromachines zijn de airbags. Tot voor kort werd het opblazen van een airbag gecontroleerd door wel vier of vijf versnellingsmeters – met een bewegende bal in een cylinder – die per stuk 17 dollar kostten. De firma Analog Devices in Cambridge, Massachusetts maakt anno 2000 iedere maand zo’n miljoen Mems-versnellingsmeters die 3 dollar per stuk kosten. Zo’n apparaatje bestaat uit twee in elkaar grijpende gevingerde handjes van silicium waarvan de ene kan bewegen en de andere niet. De handen vormen samen een differentiaal condensator die veranderingen in de elektrische geleiding tussen de vingers registreert. Wanneer er voldoende g-krachten vrijkomen bij een botsing vindt er een verandering plaats in de geleiding tussen de vingers en dan geeft deze micromachine het commando dat de airbag opblaast.
Goedkoop
De overgang van de versnellingsmeter met de bal en de cilinder naar het apparaat met de siliciumvingers maakt een aantal voordelen duidelijk, Micromachines zijn goedkoop, nauwkeurig, snel, betrouwbaar en kunnen in gigantische hoeveelheden worden geproduceerd.
Zeer veelbelovende toepassingen zijn er voor micromachines die zijn bedekt met bewegende miniatuur spiegeltjes van silicium. In november 1999 onthulde Lucent Technologies de Lambda Router. Het gaat hier om de eerste volledig optische router waarvan de kern bestaat uit een groep van 256 micromechanische spiegeltjes. Ieder spiegeltje is zo groot als een speldenkop en kan kantelen, waardoor licht uit één (input)glasvezel doorgestuurd kan worden naar een andere. De vertaalslag optisch-elektronisch-optisch is met deze router afgeschaft. Die is daardoor veel sneller en veel zuiniger dan zijn elektronische broertjes. "Het gebruik van Mems in glasvezelswitches zal de eerste toepassing zijn van Mems in de telecomindustrie die in de miljarden dollars gaat lopen," zegt David Bishop, hoofd micromechanics research van Lucents Bell Labs.
DLP’s
Ook Texas Instruments is een koploper waar het gaat om micromachines. Het bedrijf uit Dallas heeft een lab dat zich helemaal toelegt op het ontwikkelen van digitale light processors (DLP’s), micromachines die afgeladen vol zitten met miniatuurspiegeltjes van silicium. Deze DLP’s, uitgerust met 0,5, 0,75 of 1,2 miljoen spiegeltjes, worden gebruikt in digitale projectiesystemen. De spiegeltjes spelen daarbij een rol die vergelijkbaar is met die van toeschouwers in een stadion wanneer zij gekleurde borden omhoog houden die samen een afbeelding te vormen. Op het commando van elektronische signalen van een CD-rom, een videoband of een andere beelddrager nemen de spiegeltjes tot 10.000 keer per seconde wisselende posities in waarbij ze verschillende kleuren licht doorlaten of tegenhouden. Het resultaat is een helderheid, een scherpte en een kleurweergave die met conventionele projectie niet mogelijk is.
Slot
Het meest geavanceerde werk op het gebied van Mems wordt gedaan in New Mexico in het Sandia National Laboratories, een lab van het Amerikaanse ministerie van energie. Hier maakt men micromachines die zijn opgebouwd uit vijf lagen silicium bovenop elkaar. Paul McWhorter, de onderdirecteur van Sandia’s microsystemen, zegt: "We staan hier op de drempel van de tweede silicium revolutie. In de eerste zijn transistors dertig jaar lang kleiner en kleiner geworden. In de tweede wordt een geheel nieuwe generatie van geïntegreerde circuits ontwikkeld die niet allen kunnen denken, maar ook kunnen waarnemen en handelen."
Bij Sandia heeft men onder een miniatuur ‘stronglink’ ontworpen, een gecodeerd slot dat moet voorkomen dat een nucleaire explosie zich voordoet wanneer een vliegtuig met een atoombom neerstort. Dit ‘slot’ bestaat uit een labyrint van minuscule tandraderen, versnellingen, koppelingen, spiegeltjes, aandrijfassen en motoren. Het geheel werkt alleen naar behoren – en zet dan een nucleaire bom op scherp – wanneer 24 nummers in de correcte volgorde worden ingevoerd.
Is deze tweede siliciumrevolutie de finale stap in het proces van miniaturisering? Nee, niet echt. In verschillende labs wordt al gewerkt aan apparaten die niet groter zijn dan en paar moleculen of atomen. Maar deze nanorevolutie – waarin afmetingen niet worden gemeten in micrometers maar in nanometers – ligt nog een kwart eeuw verder in de toekomst.
