Nævn miniaturisering, og de fleste designingeniører vil sandsynligvis tænke på “elektronik”. Det er sandt, at tidligere har fremstillingsteknologier og krav drevet elektronikken mod mindre og mindre komponenter og systemer. Disse påvirkninger er nu ved at brede sig – så de er tydelige på tværs af en række mindre mekanisk baserede systemer.
Den lille størrelse er blevet fremskyndet af behov fra medicinske applikationer til bilindustrien og luft- og rumfart. Designerne er nødt til at finde på mindre systemer for at give adgang til kroppen via minimalt invasive teknikker og for at pakke flere funktioner i et givet volumen for at spare vægt, muliggøre bærbarhed og bedre udnytte dyrt udstyrs “ejendom”.”
“Det er en naturlig udvikling”, siger Tom Hicks, vicepræsident for American Laubscher ALC (Farmingdale, NY). Virksomhedens schweiziske modervirksomhed har sin oprindelse i urindustrien og har fremstillet små dele i mere end 100 år. I dag producerer American Laubscher miniature- og mikromekaniske komponenter til det, Hicks kalder “sensor- til aktuatorapplikationer”, fra siliciumskiver til mekaniske tandhjul og lejer. De anvendes i systemer, der spænder fra miniature-spektrometre og flowmålere til blodanalysatorer i picoliterstørrelse.
“I de sidste 25 år har miniaturiseringen inden for elektronik været styret af stordriftsøkonomi”, hvor der blev lagt mere ydeevne i mindre pakker til lavere omkostninger, siger Hicks. “I begyndelsen var der ikke en lignende miniaturisering på den mekaniske side – mindre og mindre elektronikpakker styrede stadig store moduler og mekaniske systemer.” Men fra midten af 80’erne, bemærker han, krævede udviklingen af minimalt invasive kirurgiske teknikker, som f.eks. veneudtagning og kateterbaserede procedurer, mindre og mindre mekanisk udstyr. Små enheder gav også lys og syn til kirurger, der arbejdede inde i kroppen. “I dag bliver denne drivkraft suppleret af informationsteknologiske krav til telekommunikations- og fiberoptiske enheder, som kræver tilslutning, fokusering og omskiftning”, alt sammen i små enheder, siger han.
Mini-motorer. Medicinske anvendelser sætter også skub i fremstillingen af rent mekaniske miniatureanordninger. Hicks nævner f.eks. en amerikansk Laubscher transesophagial sonde, der er fremstillet af ALC’s søsterselskab, Precipart, og som omfatter et 6 mm tandhjulshoved, der drives af en motor med endnu mindre diameter fra Micro Mo Electronics (Clearwater, FL). Gearhovedet bevæger en ultralydstransducer til billeddannelse inde fra spiserøret. Sådanne små motorer skal være meget effektive, da der ikke er meget strøm til rådighed til at drive dem, bemærker han.
Med hensyn til selve motorerne er drivkraften til at miniaturisere strømmen ikke kun drevet af ønsket om multifunktionelt, bærbart udstyr til medicinsk brug, test og måling, men også af luftfartsindustrien, bemærker Micro Mo Electronics’ vicepræsident for avanceret forskning og planlægning, Steve O’Neil. I luft- og rumfartøjer, siger han, “Vægt er vigtigt. Mere vægt i køretøjet, herunder komponenter som f.eks. motorer, betyder mindre nyttelast og højere opsendelsesomkostninger. Inden for medicinske anvendelser betyder billigere, bærbare systemer, f.eks. til billeddannelse, lavere omkostninger til behandling, fordi procedurerne kan udføres på et lægekontor eller et mobilt diagnosecenter. Udgifterne til udstyr spredes også ud over flere patienter.” O’Neil nævner virksomhedens motorer, drev og controllere, der anvendes i applikationer fra optisk positionering til billeddannelse og inspektion til fremstilling af siliciumskiver som f.eks. præcis skæring af skiver. Bærbare systemer kan bringe en funktion hen til det sted, hvor der er brug for den i et anlæg, i stedet for at have et mindre fleksibelt, stort fast anlægsaktiv.
Den vigtigste faktor, der har gjort det muligt for mikromotorer, har været fremskridt inden for materialer, siger O’Neil- fra tråd og magneter til kabinetter. “Den centrale motorteknologi har ikke ændret sig,” bemærker han. “Det, der har ændret sig, er materialerne:
I tråd er højere effektivitet i isolering og designændringer med henblik på at inkorporere varmeafledning muliggør mindre pakker.
I magneter har udviklingen i løbet af de sidste ti år eller deromkring fra keramik til samariumkobolt og nu til neodym-jern-bor gjort, at den magnetiske fluxtæthed er steget kraftigt.
Indkapslinger har sprøjtestøbt plast erstattet rustfrit stål.”
Resultatet er mere effektive motorer i mindre pakker.
Teknologi, der gør det muligt. Faktisk er materialer og fremstillingsprocesser nøglen til miniaturisering. F.eks. ændrede amerikanske Laubscher fotolitografi, der bruges til at fremstille mikrokredsløb, til at fremstille mikroforme til en række mikroelektromekaniske systemer (MEMS). Før dette ville sådanne dele være blevet fremstillet af metaller, hvilket betød lavere produktionshastigheder og højere produktions- og materialeomkostninger. Processen, der kaldes LIGA (et akronym fra tysk for lithografisk galvanisk fabrikation), producerer mikroforme, der gør det muligt at sprøjtestøbe materialer som f.eks. flydende krystalpolymerer (LCP’er) med tolerancer på flere mikrometer (se sidebar). Som et eksempel nævner Tom Hicks en ferrule (stik) til optiske fibre, som tidligere blev præcisionsmikrobearbejdet af metal. I dag er delen LIGA-fremstillet af LCP med en samlet sammensat fejl på 6 mikrometer – hvilket omfatter toleranceopbygning for åbning, udvendig diameter og indgangsport (placering og diameter). LIGA-formene kan laves så præcise, at delens overfladefinish-tolerancer kan være på angstrom, siger Hicks.
Han bemærker, at tidligere fremstillingsmetoder er “subtraktive”, hvilket indebærer fjernelse af materiale for at danne en færdig del. Galvanisk formede matricer er, som Hicks udtrykker det, “i stand til at omgå glasgulvet – den nedre grænse for størrelse og tolerancer, som subtraktive metoder ikke kan gå under, fordi de mekaniske egenskaber ved de behandlede materialer ikke ville kunne bære de kræfter, der bruges til at fjerne materialet. Med andre ord ville delene skære eller flække i stedet for at skære.”
Andre produkter fremstillet med LIGA omfatter gennemborede fittings til præcisionsbrændstofinjektorer og blækstråleprintere. Ofte kan de materialer, der anvendes i disse portede applikationer, ikke gennembores af mikroboremaskiner eller lasere uden revner eller andre uønskede virkninger.
Hicks tilføjer, at “Det er ikke kun materialer eller processer, men hvordan begge dele kommer sammen. Du har brug for eftergivelige materialer og mikroformningsteknikker som f.eks. at kunne sprøjtestøbe et lille stykke plastik.” Gode eksempler på, at materialer og præcision kan kombineres, er i medicinske LIGA-applikationer, herunder farmakologiske test eller diagnostiske assays. Sidstnævnte skal have glatte kanaler og præcisionsstøbte lommer med henblik på maksimal væskebevægelse for hurtigt at kunne adskille f.eks. en dråbe fuldblod til en præcis mængde til mikroanalyse. Med det rette materiale (til blodaffinitet) præcist formet, når en bloddråbe strømmer ind i analysen, adskilles hæmoglobin (røde blodlegemer) fra plasmaet, og en præcis mængde, i titusindvis af picoliter, strømmer til analyse uden tilstedeværelse af ilt, der kan forvrænge testresultaterne. Ved at støbe sådanne enheder er de billige nok til at være til engangsbrug, så man undgår bekymringer om forurening ved genbrug.
Med omkostningseffektive, præcisionskomponenter hænger håndholdte diagnoser og in- strumenter på ægteskab af elektronik, sensorer og lav-effektkilder og motorer direkte i slutproduktet. Dermed lægges der pres på designere af mekaniske komponenter for at gøre deres del af en enhed endnu mindre, siger Hicks.
Finalt bemærker Hicks en interessant MEMS-udvikling, der hedder Digital AngelTM (Digital Angel, Hauppauge, NY), som man skal holde øje med. Her sigter designerne mod at implantere et fleksibelt MEMS-kredsløb under huden eller i personlige ejendele eller kunstværker, som gør det muligt at overvåge og spore genstanden eller personen via GPS-satellit (se diagrammet). Menneskelige anvendelser kan omfatte medicinsk overvågning og sporing af patienter, børn eller militærpersonale.
Chefforsker Peter Zhou siger, at de vigtigste teknologier er små, implantable radiofrekvensidentifikationschips (RFID), genopladelige batterier, sensorer og en mikrobølgeantenne, der er mindre end en tomme lang. Bæreren, programmerede alarmer eller et fjerntliggende anlæg kan aktivere enheden. Til dagligdags anvendelser kunne medicinske data downloades til et centralt sted via en mobiltelefon eller en PC-modemforbindelse.
Dette samspil mellem elektronik og mekanisk udvikling ser ud til at fortsætte, og der er endnu flere synergistiske resultater på vej.
7 tips til miniaturiseringsdesign
American Laubscher VP Tom Hicks giver nogle punkter at overveje ved design af miniaturiserede produkter:
1 Håndbogsværdier for mekaniske materialeegenskaber er næsten aldrig nøjagtige. Man har ikke brug for “overdreven” masse for at have styrke. Lejespændinger i forhold til massen giver, når de overskrider visse tærskelværdier, effekter, der ligner den store styrke i forhold til vægten hos en myre. Man kan bruge tyndere sektioner.
2 Kvalitets- og inspektionsmålemetoder bliver mere specialiserede. Man bruger meget mere optisk inspektion, fordi man ikke kan få mekaniske sonder hen, hvor man vil hen.
3 Jo mindre man går mekanisk, jo mere håndterer man komponenter og enheder, som man ville håndtere elektronik. De er for små til at røre direkte ved dem, og du skal samle komponenterne hurtigt, f.eks. direkte i sprøjtestøbeformen, for at undgå potentiel forurening. Ligesom i elektronik kan man anvende produktionsbåndssamling til at lette emballering og håndtering.
4 Overfladespændingen i væsker er meget forskellig fra makroverdenen. Forholdet mellem den tilgængelige overflade og væskens masse er skævt fordelt meget højt. Mikrooverfladens befugtningsegenskaber er kritiske.
5 Renlighed tages for givet. Støv ser stort ud i forhold til det, man laver. Der er mindst brug for et renrum på klasse 10-niveau, men det nøjagtige niveau afhænger af, hvor en enhed skal bruges – der er behov for minimale niveauer for gear (medmindre det er til medicinsk brug i menneskekroppen), mens støv i optiske produkter i høj grad kan påvirke ydeevnen.
6 Makrodesignkoncepter kan ret ofte omsættes til mikrodesigns med anvendelse af flere tilgængelige teknologier. En designer kan drage fordel af ekspertisen hos dem, der arbejder på området. Metoderne omfatter ikke kun litografibaserede metoder til sprøjtestøbning af plast eller metaller, men også elektrisk udladningsbearbejdning af tråd (EDM) til at fjerne materiale for at danne en form, laserablation og ion- eller galvanisk aflejring.
7 Prisen ender normalt højere. Har dit produkt råd til at koste f.eks. 1,5 cent i forhold til 0,1 cent for en makrodel?
Mikro sprøjtestøbeformsfremstilling
Galvanisk formede LIGA-forme resulterer i plastdele med tolerancer ned til 60,0001 tommer (2 mikron). Navnet kommer fra det tyske for litografisk galvanisk (plating) fremstilling. I modsætning til lignende fremstilling af mikrochips til halvledere, bliver LIGA-formede sprøjtestøbeforme til plastdele først lagt ud med en tykkere fotoresistmaske. Kortere bølgelængder, ned til røntgenstråler, som er mere kraftigt kollimeret, bombarderer den underliggende resist, som kan være silicium eller plast, og som ikke er maskeret. Den eksponerede struktur “udvikles” (reduceres) derefter ved hjælp af et opløsningsmiddel eller ionætsning for at fjerne dette uønskede materiale. Derefter pletteres nikkel eller nikkelkobolt på det resterende resistmateriale, som derefter fjernes ved hjælp af et andet opløsningsmiddel eller endog fysisk krakning, så det endelige sprøjtestøbeværktøj bliver tilbage. Dette værktøj bruges til at fremstille produktionsdele. Til prototypefremstilling (venstre side af tegningen) kan det resulterende metal fungere som del.
Behovet for afskærmning
Da elektroniske komponenter kommer tættere på hinanden i miniaturiserede applikationer, stiger behovet for at modvirke elektromagnetisk interferens (EMI). Derfor kan der være behov for yderligere afskærmning, siger Jack Black, salgsdirektør for Boldt Metronics International (Palatine, IL), en leverandør af elektroniske metalkomponenter, herunder afskærmninger. Og han tilføjer, at en mindre pakke også har et øget behov for at fjerne varmen fra enheden, hvilket kan ske ved hjælp af termisk ledende EMI-afskærmninger, flere ventilatorer og mere effektive køleplader.
Black bemærker, at med mindre åben ejendom på printpladerne kan det være vanskeligere at bruge EMI-afskærmende pakninger, som, siger han, har brug for store fodaftryk for at fungere effektivt. Derfor kan det blive nødvendigt med overflademonterede EMI-afskærmninger af metal, især hvis der anvendes dobbeltsidede printplader.
Han understreger også det øgede behov for at lave prototyper af dele, når der miniaturiseres. “Redesignmulighederne er begrænsede på grund af den mindre størrelse”, påpeger Black. “Mange gange er printkortlayoutet meget kompliceret med flere lag end tidligere. Så simple’rettelser i udviklingsfasen er ikke længere simple. Design af potentielle problemer i prototypefasen giver mulighed for hurtigere at komme ind på markedet.”
Sluttelig bemærker Black, at hurtigere komponenter på grund af deres højere frekvenser øger behovet for afskærmning, uanset om det er i mindre komponenter eller ej. Jo mindre en enhed er, desto større bliver behovet for afskærmning for at reducere det øgede potentiale for krydssnak, da flere højhastighedskomponenter kan placeres på et mindre område.”
5 overvejelser om miniaturesystemer og motorer
Når man opstiller krav til systemer, der kan drage fordel af miniaturisering i almindelighed og mikromotorer i særdeleshed, tilbyder Steve O’Neil, Micro Mo Electronics vicepræsident for avanceret forskning og planlægning, fem faktorer, der skal tages i betragtning:
1 Omkostninger: Mange mennesker tror, at hvis noget er mindre, skal det være billigere, hvis det er mindre. Der kan være behov for dyre teknologier for at fremstille miniaturiserede produktkomponenter.
2 Fysik: Man støder på forskellige fænomener i små størrelser – ikke spejlbilleder af makroverdenen. Ting som f.eks. hvordan materialer klæber til hinanden (sticktion, der skal overvindes) og smøremiddeladfærd. I makroverdenen tages smøremidler og overskudskraft for givet. I mikroverdenen kan smøremiddel virke som et klæbemiddel, og partiklernes størrelse kan skabe problemer.
3 Ineffektivitet: Der er behov for et godt greb om komponenternes virkningsgrader, fordi små enheder ikke har store effektmargener at spille med.
4 Ekspertise: Tal med en kompetent leverandør. Gør brug af designekspertise i virksomheder, der har specialiseret sig i miniaturiseret udstyr, for at få en praktisk kritik.
5 Begrundelse: Hvorfor miniaturisere, hvis der ikke er nogen forretningsmæssig grund til at gøre det? Få input fra markedet for at få et klart mål.