'Zolang de sensor van silicium is, kun je hem smart maken'

1 juni 2011

Door sensoren met siliciumtechnologie te maken, kunnen ze nauw worden geïntegreerd met de intelligentie voor signaalverwerking. Onder leiding van Paddy French past het Delftse elektronische-instrumentatielab dat principe toe op onderwerpen uiteenlopend van thermometers op Pentium-processoren tot nieuwe wapens in de strijdt tegen hersenkanker.

De diverse verwijzingen naar Guinness in zijn werkkamer verraden de Ierse wortels van Paddy French, maar na ruim twintig jaar in Delft vertelt de hoogleraar zijn verhaal gewoon in het Nederlands. Als hoofd van het elektronische-instrumentatielab sleutelt hij op dertien hoog in het EWI-gebouw aan slimme sensoren. Een nogal ruim begrip, zo blijkt. ‘Als je tien mensen vraagt wat slimme sensoren zijn, krijg je tien definities’, steekt French van wal. ‘Het verschil is denk ik vooral waar je de grens legt. Is het smart als je alleen maar wat uitleeselektronica hebt, of is het smart als het wat meer denkvermogen heeft. Zoals ik het zie, komt er elektronica naast de sensor waarmee je gaat compenseren voor ongewenste effecten zoals kruisgevoeligheid, waarmee je gaat interpreteren en waarmee je gaat converteren naar een veilig formaat. Als je een heel laag analoog signaal door een lange kabel moet sturen, is wat je dan aan het eind overhoudt misschien niet eens meer te lezen. Als je de signaalverwerking bij de sensor doet – dat kan op één chip zijn of in één package – dan kun je na de compensatie en verwerking een digitaal signaal sturen. Dát is een smart sensor.’

Het idee kan ook verder worden doorgevoerd, naar zelfkalibratie of -tests. ‘Het basisidee voor zelftests kwam in de jaren tachtig of negentig, voor sensoren in airbags. Dat was een doorbraak in silicium sensoren. Voor veel toepassingen willen we eigenlijk naar autonome sensoren. Dan plaats je een sensor die zijn eigen energiebron heeft en zelf signalen gaat versturen. En hij test zichzelf. Als het niet klopt, stuurt hij ook een signaal: ‘Ik denk dat ik ziek ben.’ Dat is een stap verder met smart.’

Wat de sensor eigenlijk moet meten, maakt French niks uit, zolang hij maar van silicium is of daarmee kan samenwerken. ‘Anders kun je de sensor niet smart maken. De bodem, als je het zo mag noemen, is een silicium blok. Dan kijk je in de eerste plaats wat je in silicium zelf kunt doen. Soms moet je er iets bovenop deponeren, bijvoorbeeld een piëzo-elektrische laag - als het maar compatibel is met de plak eronder. Wij kijken naar hoe je de structuur kunt maken. Dat is niet altijd eenvoudig, want soms heb je een combinatie van structuren die elkaar in de weg zitten. Maar dan bedenken een paar mensen hier dat als je het in die en die volgorde doet, dat je dan wel uitkomt. Je kunt ook dingen boven op een IC leggen. Dan heb je wel een flinke temperatuurbeperking: je mag niet boven de vierhonderd graden gaan.’

Het resultaat is dat French zich gedurende zijn loopbaan heeft beziggehouden met een brede reeks toepassingen. Zijn groep werkte aan windsterkte, maar ook aan de impedantie van bloed in het lichaam en aan de kwaliteit van melk. ‘Dat was een idee van Gerard Meijer. Dat is een heel leuk systeem, heel simpel. Je zet twee elektrodes op een plastic melkfles of een kartonnen pak en aan de impedantie kun je zien of bacteriën al aan het groeien zijn zonder het pak te openen.’

De onderwerpen waar de groep aan werkt, komen van verschillende kanten. ‘Soms is het gewoon een idee dat iemand heeft. Dan ga je mensen zoeken die dat ook een goed idee vinden en vervolgens stap je naar een financier. Soms is het andersom. Een van onze projecten ging om het meten van de gezondheid van darmweefsel na een operatie met behulp van licht. Daar kwam een arts van het Erasmus MC in Rotterdam naar ons toe. Die zag bepaalde complicaties en wilde beter kunnen meten en sneller kunnen zien of er een probleem was.’

Navigatiesysteem

Zijn werk is een mooie mix van fundamenteel en toegepast onderzoek, vindt French. ‘Wij zijn hier wel heel erg curiosity-driven, maar we hebben wel altijd de toepassing in ons achterhoofd. Wij hebben bijvoorbeeld ook wel onderzoek dat gaat over het verkleinen van structuren van micro- naar nanoschaal. We kwamen er bijvoorbeeld achter dat een van de materiaalparameters flink verandert als het heel klein wordt. Dat is in principe pure nieuwsgierigheid. Maar hoe devices reageren, gaat wel flink veranderen als ze klein zijn. Dat kan in sommige gevallen een nadeel zijn, maar soms kun je het juist gebruiken. Daar blijf je altijd aan denken.’

Qua ontwikkelingsgebied plaatst French het lab min of meer tussen de fysica en de elektronica. Aan de ene kant is er de fysica van de sensor. ‘Voor alle signaaldomeinen heb je wel meettechnieken, maar de combinaties maken het lastig. Je wil ineens een signaal meten bij een zeer hoge of heel lage temperatuur of in agressieve omstandigheden.’ Helemaal aan de andere kant zijn er de sensornetwerken en de pc-software die uiteindelijk informatie uit de sensordata peutert waar de eindgebruiker wat aan heeft. ‘Daarvoor werken we soms samen met Computer Engineering, want dat is niet écht ons vakgebied’, zegt French, terwijl hij naar boven wijst, waar het informaticadepartement is gevestigd.

‘Wij doen alles wat daartussenin zit, hoewel niet altijd in één project. We hebben in onze groep bijvoorbeeld een paar jaar terug aan een navigatiesysteem voor hartkatheters gewerkt. Het idee was om de dosering van röntgenstraling terug te schroeven. Eigenlijk niet zozeer voor de patiënt, maar voor de arts die de ingreep twee of drie keer per dag doet. Je hebt drie gepulste magnetische velden rond het lichaam en op de tip van de katheter magnetismesensoren in drie dimensies. Van elke puls geven de sensoren de sterkte en richting van het veld. Om dat signaal naar buiten te sturen, heb je maar drie draden, anders zou de katheter veel te duur worden. Dus je moet bij de tip behoorlijk wat doen. Buiten krijg je dan een stapel informatie over de locatie, die je met het systeem moet interpreteren.’

Hoek van Holland

De 50-jarige French gaat in de zomer steevast getooid in korte broek. Dat levert nog wel eens een gefronste wenkbrauw op, merkt hij. Maar tegenwoordig moet het kunnen, vind hij. ‘Toen ik hier net kwam, droeg mijn hoogleraar altijd een pak, maar als hij ging lunchen, trok hij zijn jasje uit. Daar werd hij op een goed moment op aangesproken door zijn baas: ‘Een hoogleraar draagt altíjd een jasje’’, diept French de anekdote op.

De hoogleraar heeft de Ierse nationaliteit, maar bracht zijn jeugd door in Engeland. Daar ging hij ook studeren: bachelor, master en promotie voltooide hij aan de universiteit van Southampton. Daarna besloot hij zijn blik te verleggen en schreef hij diverse Europese universiteiten aan. Via via kwam hij bij Delft uit. Daar wilden ze hem wel hebben, maar hij moest wel zelf voor de bekostiging zorgen. Uiteindelijk vond hij de Royal Society bereid om hem te sponsoren, en de overstap was een feit. Na anderhalf jaar ging hij rondsnuffelen in Japan, bij Nissan. Drie contractverlengingen later vond hij het daar wel weer welletjes, en hij besloot weer terug te gaan naar Europa.

Min of meer toevallig kwam hij bij zijn oude stek in Delft terecht op een postdocpositie. ‘Ik kwam hier aan op 4 mei 1991. Ik weet het nog goed, want ik arriveerde om vijf voor acht ’s avonds in Hoek van Holland en om acht uur stond alles stil. Dat blijft me bij.’ Na postdoc werd hij UD en in 1999 kende de universiteit hem het Antonie van Leeuwenhoek-hoogleraarschap toe, een mechanisme om veelbelovend talenten tot hoogleraar te bevorderen zonder dat ze de verantwoordelijkheid over een groep krijgen. ‘Een stoel zonder stoel’, grapt French. In 2002 werd hij het hoofd van het elektronische-instrumentatielab.

Rauw vlees

Het lab richt zich, grofweg, op vier applicatiegebieden: biomedische instrumentatie, industriële meetsystemen met hoge nauwkeurigheid, fotonische microsystemen en environmental. ‘Wij houden af en toe heisessies om te kijken wat we aan het doen zijn en waar we naartoe willen. Een groot deel van wat wij doen, valt binnen deze vier toepasingsgebieden, hoewel dat niet wil zeggen dat we iets dat daarbuiten valt niet doen als dat langskomt. Bij biomedische instrumentatie kun je ook aan chemische sensoren denken. Bij fotonische microsystemen zit je met beeldsensoren en golfgeleiders. Allemaal gebaseerd op silicium. In Eindhoven doen ze ook veel met fotonica, maar daar gebruiken ze meer III-V-materialen. Environmental is zeg maar milieu en voeding. Druk, relatieve vochtigheid, gassensoren, dat soort dingen.’

En als de toepassingen altijd in het achterhoofd rondspoken, zal het resultaat ook wel snel de weg naar de markt vinden? French weifelt even. ‘Niet allemaal direct. Veel van de ideeën zullen uiteindelijk wel naar de markt komen, en bij sommige is dat redelijk direct aan het einde van het project. Dingen op het gebied van analoog ontwerpen gaan vaak snel naar een toepassing, die kun je gewoon overplaatsen naar een bestaand fabproces. De windsensor die we hier hebben ontwikkeld, is nu een product. Ook de temperatuursensor uit ons lab werd direct ingezet als product. Nu zijn we bezig om de temperatuur op de Pentium-chips in laptops te meten. Maar veel van deze dingen blijven een tijdje liggen voordat je geld of een bedrijf hebt om er mee verder te gaan. Zoals met de katheter. Als je geld op is na vier jaar, dan ga je je bezinnen op wat de beste methode is voor een vervolg. Misschien ga je op zoek naar een andere geldbron en stap je met je idee naar Agentschap NL of direct naar een bedrijf. En soms gaan we er niet mee verder, maar kun je wat je hebt geleerd wel toepassen in een ander project.’

Het hangt natuurlijk ook wel een beetje van de toepassing af. Met name de medische hoek is erg taai om een product tot wasdom te brengen, vanwege de lange certificatietrajecten. ‘Dat is niet iets wat wij zelf doen. Dit soort projecten doen we altijd samen met een ziekenhuis en ook vaak met een bedrijf. Zij werken de toestemming verder uit, maar we moeten er wel rekening mee houden bij ons ontwerp. In de voedingsindustrie zijn ook wel veel regels voor wat je wel en niet mag doen hoor. Als je iets in rauw vlees wilt doen, wil je natuurlijk niet dat daar rare dingen gebeuren. Maar aan de andere kant, dat vlees wordt toch nog wel gekookt. Dus die regels zijn niet zo streng als bij de FDA of CE voor medische devices. Daar zijn ze heel specifiek over hoe lang een device in het lichaam gaat: minder dan een dag, minder dan dertig dagen, of langer. En vooral bij dat laatste moet je laten zien dat het nooit mis kan gaan. Bij die andere twee is het een stuk makkelijker.’

De belangrijkste beperking bij medische technologie wordt opgelegd door de materiaalkeuze. ‘Hét biocompatibele materiaal bestaat niet. Het hangt er geheel vanaf waar het moet komen. Je hebt dingen die wel in je bloedvaten mogen, maar vervolgens niet in je mond. Het zou dan kunnen - tot nog toe is het niet gebeurd, maar het zou kunnen - dat je echt een bepaald materiaal nodig hebt voor je toepassing, terwijl dat nog niet is goedgekeurd. Het kan dat de FDA dat alsnog doet, maar dat is wel een groot risico, want het zou ook kunnen dat je een heel mooi device hebt ontwikkeld dat uiteindelijk niet door de keuring komt.’

Maar andere overweging spelen ook mee. ‘Je moet bijvoorbeeld ook rekening houden met hoe het device wordt gesteriliseerd. Als je rare hoeken en dergelijke hebt, dan kunnen daar dingen achterblijven. Dus je moet ook opletten hoe het oppervlak eruitziet.’

Een voorbeeld van zo’n ontwikkeling is een implanteerbaar device voor photodynamic therapy (PDT), samen met het Erasmus MC, dat wordt ingezet tegen hersenkanker. Bij die behandeling wordt een medicijn ingespoten dat wordt geactiveerd door licht. Nadat de tumor tijdens een operatie is weggehaald, wordt het gebied beschenen om daar de achtergebleven kankercellen te doden. Het medicijn doet daardoor zeer lokaal zijn werk, zodat er minder bijwerkingen zijn en de dosis omhoog kan. Maar hersentumoren blijven moeilijk te bestrijden. ‘De overlevingskans na een jaar blijft heel laag. Toen ontstond in samenwerking met het Erasmus het idee om een device te implanteren en daarmee de maanden - of jaren, dat weten we nog niet - erna te belichten. Als er kankercellen komen, kun je die gelijk doden. Dat kun je meten, want je krijgt licht terug als je een reactie krijgt in een kankercel na belichting.’

‘Het project bevindt zich echt in de eerste fase. We hebben nu een device dat doet wat het moet doen, maar we hebben nog geen tests op levend weefsel uitgevoerd. Je kunt het met elektromagnetisme van energie voorzien. Als lichtbronnen gebruiken we leds. Die zijn maar tweehonderd bij tweehonderd micron, maar we hebben hier bij Dimes een technicus die dat gewoon met de hand erin kan lijmen. Ik weet echt niet hoe hij dat doet’, zegt French met verwondering in zijn stem.

Blokkeren

De mengelmoes aan fundamenteel en toegepast betekent ook dat de financiering uit verschillende hoeken komt: van Fom, STW en Agentschap NL tot industriële partners en de EU. ‘We hebben een heel breed spectrum waar we geld vandaan halen.’ Niet een van French’ favoriete bezigheden trouwens, want het bedelen om geld kost veel tijd en rompslomp. Er is een lichtpunt: STW. ‘Daar doen we relatief veel mee, en ik blijf het zeggen: dat is een uitstekende organisatie. Ik heb op heel de wereld geen beter systeem gevonden dan STW. De oprichter, Kees le Pair, vond dat onderzoekers onderzoek horen te doen en geen bureaucratie. Dus STW probeert het administratieve aspect minimaal te houden.’

‘Het schrijven van een aanvraag kost weliswaar veel tijd, maar het proces erna is heel overzichtelijk. Als je geld krijgt, wordt er een program officer aangewezen, en die is er niet om je te blokkeren maar juist om je te helpen. Als je met een probleem belt, denken ze met je mee. En ze zeggen heus wel eens dat iets niet kan, maar dan kun jij zeggen: ‘Misschien kan dit wel.’ Vanuit de overheid is er wel druk om het bureaucratischer te maken, maar van STW moeten ze echt afblijven!’

Pieter Edelman

Terug naar overzicht