Mechanisch redesign voor lens focus module en design voor nieuwe actuator

Geplaatst op door Development & Engineering

Paul van den Hoogenhof (25) rondde zijn studie werktuigbouwkunde aan de TU/e medio 2018 af bij NTS. Hij had de uitdaging om een bestaande module van NTS, bedoeld voor de 3D-topologie bepaling van de oppervlaktestructuur van sillicium wafers, te optimaliseren. Zijn opdracht betrof het nauwkeuriger maken van de bestaande module. Daarbij werd hem gevraagd  te kijken of thermische actuatie meerwaarde zou hebben boven de huidige manier van werken met een piëzoelektrische actuator. Zowel zijn redesign voor de module als zijn design voor de actuator worden op dit moment doorontwikkeld door NTS. Afstuderen met impact dus.

“NTS maakt onder meer optische meetsystemen om te identificeren of wafers vervormen doordat de oppervlaktestructuur te veel afwijkt, vertelt Paul. “Dit is uitermate belangrijk voor de kwaliteit van de wafers. Minimale afwijkingen is het streven. Op het moment dat ik wilde afstuderen had mijn afstudeerprofessor een aantal opdrachten. Deze stak er bovenuit. De andere waren niet zo interessant dus de keuze was snel gemaakt.“

Ontwerp van nauwkeurigere module

“De opdracht bij NTS was vrij afgebakend, namelijk: ‘onze huidige module voor 3D topologie bepaling voor wafer oppervlaktes is onvoldoende nauwkeurig, ontwerp een verbeterde module’. Daarnaast had NTS het idee dat de piëzoelektrisch aangestuurde actuator in de module kwalitatiever kon door een thermische actuator te gebruiken. Een redelijk vastomlijnde opdracht, maar voor de nadere definitie en uitvoering had ik alle ruimte.”

Juiste balans stijfheid en bewegingsvrijheid

“Voor de 3D topologie bepaling gebruikt NTS interferometrie op basis van fase verschuiving. Die wordt verricht met een speciaal objectief dat heel nauwkeurig op en neer moet worden bewogen. Daarbij is het essentieel dat de stapsgewijze beweging van het objectief nauwkeurig en herhaalbaar gebeurt met stappen van 50- 80 nm. Dat vereist een juiste balans van stijfheid en bewegingsvrijheid.”

Goede match studie

“Voor de module heb ik een mechanisch herontwerp gemaakt. Daarbij heb ik gekeken naar de prestaties, frequentie, vrijheidsgraden en stijfheid van de module. Iets wat heel goed aansluit bij mijn studie. Ik koos voor de groep control systems en dan de subgroep constructies en mechanismen. Uiteindelijk heb ik een herontwerp opgeleverd die veel gerichter is op de specifieke toepassing van de lens focus module.”

Andere vorm van actuatie

“Daarna heb ik gekeken naar de andere vorm van actuatie. Dan heb je ook een goed beeld van hoe je de actuator gaat dimensioneren. Wat in de huidige module piëzoelektrisch geactueerd wordt, wilden ze eventueel thermisch doen. Dus op basis van uitzetting door warmte. De actuator wordt dan grof gezegd gewoon een staafje dat iets verlengt en daardoor het objectief wegduwt. Deze aanpak brengt uiteraard risico’s met zich mee, die warmte wil je niet in de rest van de module of machine hebben.”

Impact van het onderzoek

Uit Paul’s studie bleek dat de thermische actuator een veelbelovend concept is. Vandaar dat het door R&D van NTS is opgepakt en wordt doorontwikkeld  naar een actuator die zowel kan verlengen als kan verkorten. Dit wordt bereikt door gebruik te maken van het zogenaamde Peltier element, bekend uit o.a. de vakantie koelboxen voor in de auto. NTS wil haar opdrachtgevers hiermee een aandrijving kunnen bieden die voor een aantal specialistische toepassingen een duidelijke performance verbetering geeft t.o.v. de bestaande piëzo actuatoren.

Duidelijke performance winst

“Het voordeel van een thermische actuator is dat het minder ruisgevoelig kan zijn. Ik heb tal van simulaties en experimenten verricht. Daarbij hebben we de limiet van de snelheid opgezocht. Normaal is het secondewerk voordat de actuator thermisch op zijn plek is, nu hebben we 20 milliseconden behaald voor de stapgrootte die nodig is voor onze toepassing. Dat is duidelijke winst in de performance.”

Eindoplossing lijkt veelbelovend

“Uiteindelijk heb ik een voorstel gedaan waarbij je de voordelen hebt van een thermische actuator, dus grote stabiliteit, maar die ook in beide richtingen kan bewegen door middel van een actief gekoeld ontwerp. Dat lijkt voor specialistisch modules of systemen heel veelbelovend te zijn.”

Ik zie graag resultaat

“Het was een mooie, vrij multidisciplinaire opdracht. Ik houd van variatie en krijg weinig energie van super gespecialiseerd werk en vind het fijn als alles bij elkaar komt en ik resultaten zie. Het gevoel van nut, zakt anders een beetje weg. Het mooiste vind ik om vanaf 0 een probleem op je bord te krijgen en daar een oplossing voor te ontwikkelen. Bij NTS heb ik een goede voorzet gedaan voor iets wat uiteindelijk een alternatief voor bestaande technieken kan bieden.”

Wil je onze vacatures en blogs direct in je mailbox?
Laat je e-mailadres achter en blijf op de hoogte

Klik hier voor onze privacy verklaring.