Zmíníte-li miniaturizaci, většinu konstruktérů pravděpodobně napadne „elektronika“. Je pravda, že v minulosti výrobní technologie a požadavky vedly elektroniku ke stále menším a menším součástkám a systémům. Tyto vlivy se nyní šíří – tak, že jsou patrné v celé řadě zmenšených systémů na mechanické bázi.
Snaha o zmenšování byla podnícena potřebami od lékařských aplikací až po automobilový a letecký průmysl. Konstruktéři musí přicházet s menšími systémy, aby umožnili přístup k tělu pomocí minimálně invazivních technik a aby do daného objemu vměstnali více funkcí, čímž by ušetřili hmotnost, umožnili přenosnost a lépe využili drahé „nemovitosti“ zařízení.
„Je to přirozený vývoj,“ říká Tom Hicks, viceprezident společnosti American Laubscher ALC (Farmingdale, NY). Dědictví švýcarské mateřské společnosti pochází z hodinářského průmyslu, kde se již více než 100 let vyrábějí drobné součástky. Dnes American Laubscher vyrábí miniaturní a mikromechanické součástky pro aplikace, které Hicks nazývá „od senzorů po aktuátory“, od křemíkových destiček po mechanická ozubená kola a ložiska. Ty se používají v systémech od miniaturních spektrometrů a průtokoměrů až po analyzátory krve o velikosti pikolitrů.
„Posledních 25 let se miniaturizace v elektronice řídila ekonomikou rozsahu,“ kdy se do menších balení vkládal větší výkon při nižších nákladech, říká Hicks. „Na počátku nebyla podobná miniaturizace na straně mechaniky – stále menší a menší balíčky elektroniky ovládaly velké moduly a mechanické systémy.“ Poznamenává však, že od poloviny 80. let si vývoj minimálně invazivních chirurgických technik, jako je odběr žil a katetrizační zákroky, vyžádal stále menší a menší mechanická zařízení. Malá zařízení také poskytovala světlo a vidění chirurgům pracujícím uvnitř těla. „Dnes se k této snaze přidávají požadavky informačních technologií na telekomunikační a optická zařízení, která potřebují propojování, zaostřování a přepínání,“ a to vše v rámci malých zařízení, říká.
Mini motory. Zdravotnické aplikace rovněž stimulují výrobu čistě mechanických miniaturních zařízení. Hicks například uvádí americkou transezofageální sondu Laubscher, vyrobenou sesterskou společností ALC, Precipart, která zahrnuje 6mm převodovou hlavu poháněnou motorem o ještě menším průměru od společnosti Micro Mo Electronics (Clearwater, FL). Hlavice převodovky pohybuje ultrazvukovým snímačem pro zobrazování z jícnu. Takto malé motory musí být velmi účinné, protože k jejich pohonu není k dispozici mnoho energie, poznamenává.
Co se týče samotných motorů, snaha o miniaturizaci napájení byla podpořena nejen touhou po multifunkčních přenosných zařízeních pro lékařské, testovací a měřicí účely, ale i leteckým průmyslem, poznamenává viceprezident společnosti Micro Mo Electronics pro pokročilý výzkum a plánování Steve O’Neil. V letectví a kosmonautice je podle něj „důležitá hmotnost. Větší hmotnost vozidla, včetně součástí, jako jsou motory, znamená menší užitečné zatížení a vyšší náklady na start. V lékařských aplikacích znamenají levnější přenosné systémy, například pro zobrazování, nižší náklady na péči, protože zákroky lze provádět v ordinaci lékaře nebo v mobilním diagnostickém centru. Náklady na vybavení se také rozloží na více pacientů.“ O’Neil uvádí motory, pohony a řídicí jednotky společnosti, které se používají v aplikacích od polohování optiky pro zobrazování a kontrolu až po operace výroby křemíkových destiček, jako je přesné dicing. Přenosné systémy mohou přenést funkci tam, kde je v závodě potřeba, namísto méně flexibilních a velkých fixních prostředků.
Hlavním faktorem umožňujícím použití mikromotorů je pokrok v materiálech, říká O’Neil – od drátů a magnetů až po pouzdra. „Základní technologie motorů se nezměnila,“ poznamenává. „Co se změnilo, jsou materiály:
U drátů vyšší účinnost izolace a konstrukční změny zahrnující odvod tepla umožňují menší balení.
U magnetů pokrok za posledních zhruba deset let od keramiky k samarium-kobaltu a nyní k neodymu-železo-boru skokově zvýšil hustotu magnetického toku.
V pouzdrech nahradily nerezové oceli vstřikované plasty.“
Výsledkem jsou výkonnější motory v menších baleních.
Technologické prostředky. Klíčem k miniaturizaci jsou ve skutečnosti materiály a výrobní postupy. Například americká firma Laubscher upravila fotolitografii používanou k výrobě mikroobvodů za účelem výroby mikroforem pro různé mikroelektromechanické systémy (MEMS). Předtím se takové díly vyráběly z kovů, což znamenalo nižší výrobní rychlost a vyšší výrobní a materiálové náklady. Proces nazvaný LIGA (zkratka z německého názvu pro litografické galvanické ruční zpracování) umožňuje vyrábět mikroformy, které umožňují vstřikování materiálů, jako jsou polymery s tekutými krystaly (LCP), s tolerancí několika mikronů (viz postranní panel). Jako příklad uvádí Tom Hicks feruli (konektor) pro optická vlákna, která byla dříve přesně mikroobráběna z kovu. Dnes je tento díl vyroben technologií LIGA z LCP s celkovou kompozitní chybou 6 mikronů – což zahrnuje nárůst tolerance clony, vnějšího průměru a vstupního otvoru (umístění a průměr). Formy LIGA lze vyrobit dostatečně přesně, aby umožnily tolerance povrchové úpravy dílu v angströmech, říká Hicks.
Poznamenává, že předchozí výrobní metody jsou „subtraktivní“, což zahrnuje odebírání materiálu pro vytvoření hotového dílu. Galvanicky tvářené matrice jsou, jak říká Hicks, „schopny obejít glass’floor – spodní hranici velikosti a tolerancí, pod kterou by subtraktivní metody nemohly jít, protože mechanické vlastnosti zpracovávaných materiálů by neunesly síly použité k odstranění materiálu. Jinými slovy, díly by se místo řezání střihaly nebo třískaly.“
Dalšími výrobky vyrobenými pomocí LIGA jsou propichovaná šroubení pro přesné vstřikovače paliva a inkoustové tiskárny. Materiály používané v těchto porézních aplikacích často nelze prorazit mikrovrtáky nebo lasery, aniž by došlo k praskání nebo jiným nežádoucím účinkům.
Hicks dodává, že „nejde jen o materiály nebo proces, ale o to, jak se obojí spojí. Potřebujete vyhovující materiály a techniky mikrotvarování, například schopnost vstřikovat malý výstřik plastu.“ Dobrým příkladem spojení materiálů a přesnosti jsou lékařské aplikace LIGA, včetně farmakologického testování nebo diagnostických testů. Ty potřebují mít hladké kanálky a přesně vylisované kapsy pro maximální pohyb tekutin, aby bylo možné rychle oddělit například kapku plné krve na přesné množství pro mikroanalýzu. Díky správnému materiálu (pro krevní afinitu), který je přesně vytvarován, se při průtoku kapky krve do testu oddělí hemoglobin (červené krvinky) od plazmy a k analýze proteče přesné množství v řádu desítek pikolitrů bez přítomnosti kyslíku, který by mohl zkreslit výsledky testu. Díky lisování jsou taková zařízení dostatečně levná na to, aby mohla být jednorázová, čímž se předejde obavám z kontaminace při opětovném použití.
Díky cenově výhodným a přesným součástkám závisí ruční diagnostika a in- strumenty na spojení elektroniky, senzorů a nízkoenergetických zdrojů a motorů přímo v konečném výrobku. Podle Hickse je tak vyvíjen tlak na konstruktéry mechanických součástek, aby i jejich část zařízení byla ještě menší.
Nakonec Hicks upozorňuje na zajímavý vývoj MEMS, který je třeba sledovat, s názvem Digital AngelTM (Digital Angel, Hauppauge, NY). Zde je cílem konstruktérů implantovat pod kůži nebo do osobních věcí či uměleckých děl flexibilní obvod MEMS, který umožní sledování předmětu nebo osoby pomocí satelitu GPS (viz schéma). Lidské aplikace mohou zahrnovat lékařské monitorování a sledování pacientů, dětí nebo vojenského personálu.
Šéf vědeckého týmu Peter Zhou říká, že klíčové technologie jsou malé implantovatelné čipy pro radiofrekvenční identifikaci (RFID), dobíjecí baterie, senzory a mikrovlnná anténa o délce menší než jeden palec. Zařízení by mohl aktivovat uživatel, naprogramované alarmy nebo vzdálené zařízení. V případě každodenních aplikací by se lékařské údaje mohly stahovat na centrální místo prostřednictvím mobilního telefonu nebo modemového spojení s počítačem.
Taková souhra mezi elektronikou a mechanickým vývojem bude zřejmě pokračovat a synergických výsledků bude ještě více.
7 tipů pro miniaturizační konstrukci
Viceprezident americké společnosti Laubscher Tom Hicks nabízí několik bodů, které je třeba zvážit při navrhování miniaturizovaných výrobků:
1 Příručkové hodnoty mechanických materiálových charakteristik nejsou téměř nikdy přesné. K tomu, abyste měli pevnost, nepotřebujete „nadměrnou“ hmotnost. Nosná napětí vztažená k hmotnosti, jakmile překročí určité prahové hodnoty, vyvolávají podobné účinky jako velká pevnost k hmotnosti mravence. Můžete použít tenčí průřezy.
2 Metody měření kvality a kontroly se stávají specializovanějšími. Mnohem více používáte optickou kontrolu, protože mechanické sondy nemůžete dostat tam, kam chcete.
3 Čím menší jsou mechanické sondy, tím více manipulujete se součástmi a zařízeními jako s elektronikou. Jsou příliš malé na to, abyste se jich mohli přímo dotýkat, a měli byste součásti sestavovat rychle, například přímo ve vstřikovací formě, abyste se vyhnuli možné kontaminaci. Stejně jako u elektroniky lze pro usnadnění balení a manipulace použít montáž výrobní pásky.
4 Povrchové napětí kapalin se velmi liší od makrosvěta. Poměr dostupného povrchu k hmotnosti kapaliny je vychýlen velmi vysoko. Smáčecí vlastnosti mikropovrchu jsou rozhodující.
5 Čistota se považuje za samozřejmost. Prach vypadá velký ve srovnání s tím, co vytváříte. Je zapotřebí čistý prostor minimálně na úrovni třídy 10, ale přesná úroveň závisí na tom, kam bude zařízení směřovat – minimální úroveň je zapotřebí pro ozubená kola (pokud nejsou určena pro lékařské použití v lidském těle), zatímco prach v optických výrobcích může výrazně ovlivnit výkon.
6 Koncepty makrodesignu lze poměrně často převést do mikrodesignu s použitím několika dostupných technologií. Konstruktér může využít odborných znalostí těch, kteří se v této oblasti pohybují. Metody zahrnují nejen metody založené na litografii pro vstřikování plastů nebo kovů, ale i obrábění elektrickým výbojem (EDM) pro odstranění materiálu pro vytvoření formy, laserovou ablaci a iontovou nebo galvanickou depozici.
7 Cena bývá nakonec vyšší. Může si váš výrobek dovolit stát například 1,5 centu oproti 0,1 centu za makrodíl?
Výroba vstřikovacích forem pro mikrosoučástky
Výsledkem galvanicky tvarovaných forem LIGA jsou plastové díly s tolerancemi až 60,0001 palce (2 mikrony). Název pochází z německého výrazu pro litografickou galvanickou (pokovovací) výrobu. Na rozdíl od podobné výroby polovodičových mikročipů se vstřikovací formy LIGA pro plastové díly nejprve vyloží silnější fotorezistovou maskou. Kratší vlnové délky, až rentgenové paprsky, které jsou více kolimované, bombardují odmaskovaný, podkladový rezist, kterým může být křemík nebo plast. Odhalená struktura je poté „vyvolána“ (redukována) rozpouštědlem nebo iontovým leptáním, aby se tento nežádoucí materiál odstranil. Poté se na zbývající rezistový materiál nanese nikl nebo niklkobalt, který se následně odstraní dalším rozpouštědlem nebo dokonce fyzikálním praskáním, čímž vznikne konečný nástroj pro vstřikování. Tento nástroj se používá k výrobě výrobních dílů. Pro výrobu prototypů (levá strana výkresu) může výsledný kov fungovat jako součást.
Potřeba stínění
S přibližováním elektronických součástek v miniaturizovaných aplikacích roste potřeba čelit elektromagnetickému rušení (EMI). Proto může být zapotřebí dodatečné stínění, říká Jack Black, obchodní ředitel společnosti Boldt Metronics International (Palatine, IL), dodavatele kovových elektronických součástek včetně stínění. A dodává, že s menším pouzdrem se také zvyšuje potřeba odvádět teplo ze zařízení, k čemuž lze použít tepelně vodivé stínění proti EMI, více ventilátorů a účinnější chladiče.
Black poznamenává, že s menším množstvím volného prostoru na deskách plošných spojů může být obtížnější použít těsnění pro stínění EMI, která podle něj potřebují k efektivnímu fungování velkou plochu. Proto může být zapotřebí použít kovová EMI stínění pro povrchovou montáž, zejména pokud se používají oboustranné desky.
Zdůrazňuje také zvýšenou potřebu prototypování součástek při miniaturizaci. „Možnosti redesignu jsou kvůli menším rozměrům omezené,“ upozorňuje Black. „Mnohdy je uspořádání desky velmi komplikované, s více vrstvami než dříve. Takže jednoduché’opravy ve fázi vývoje už nejsou jednoduché. Navrhování potenciálních problémů ve fázi prototypu umožňuje rychlejší vstup na trh.“
Nakonec Black poznamenává, že rychlejší součástky kvůli svým vyšším frekvencím zvyšují potřebu stínění, ať už v menších součástkách, nebo ne. Čím menší je tedy zařízení, tím větší je potřeba stínění, aby se snížil zvýšený potenciál křížových hovorů, protože na menší plochu lze umístit více vysokorychlostních součástek.
5 úvah pro miniaturní systémy a motory
Při stanovování požadavků na systémy, které mohou těžit z miniaturizace obecně a mikromotorů zvláště, nabízí Steve O’Neil, viceprezident společnosti Micro Mo Electronics pro pokročilý výzkum a plánování, pět faktorů, které je třeba vzít v úvahu:
1 Náklady: Mnoho lidí si myslí, že když je něco menší, mělo by to být levnější. K výrobě miniaturizovaných součástí výrobků mohou být zapotřebí drahé technologie.
2 Fyzika: V malých rozměrech narazíte na jiné jevy – ne na zrcadlové obrazy makrosvěta. Věci jako způsob, jakým se materiály k sobě lepí (lepivost, kterou je třeba překonat), a chování maziv. V makrosvětě se maziva a přebytek energie považují za samozřejmost. V mikrosvětě může mazivo působit jako lepidlo a velikost částic může způsobovat problémy.
3 Neefektivita:
4 Odborné znalosti: Je třeba dobře ovládat účinnost součástí, protože malá zařízení nemají velké výkonové rezervy, se kterými by si mohla hrát.
4 Odborné znalosti: Obraťte se na kompetentního dodavatele. Pro praktickou kritiku využijte odborné znalosti konstrukce ve společnostech, které se specializují na miniaturizovaná zařízení.
5 Odůvodnění: V případě, že se jedná o miniaturizované zařízení, je třeba se obrátit na společnost, která se specializuje na miniaturní zařízení: Proč miniaturizovat, když k tomu není obchodní důvod? Získejte podněty z trhu pro jasný cíl.