Bei der Erwähnung von Miniaturisierung denken die meisten Konstrukteure wahrscheinlich an „Elektronik“. Es stimmt, dass in der Vergangenheit Fertigungstechnologien und -anforderungen die Elektronik zu immer kleineren Komponenten und Systemen getrieben haben. Diese Einflüsse breiten sich nun aus, so dass sie in einer Vielzahl kleiner mechanischer Systeme zu beobachten sind.
Der Drang zur Verkleinerung wurde durch Anforderungen aus der Medizintechnik, der Automobilindustrie und der Luft- und Raumfahrt vorangetrieben. Die Konstrukteure müssen kleinere Systeme entwickeln, um den Zugang zum Körper durch minimalinvasive Techniken zu ermöglichen und mehr Funktionen in ein gegebenes Volumen zu packen, um Gewicht zu sparen, Tragbarkeit zu ermöglichen und teure Geräte-„Immobilien“ besser zu nutzen.
„Das ist eine natürliche Entwicklung“, sagt Tom Hicks, Vizepräsident von American Laubscher ALC (Farmingdale, NY). Die Schweizer Muttergesellschaft des Unternehmens stammt aus der Uhrenindustrie und stellt seit mehr als 100 Jahren Kleinteile her. Heute produziert American Laubscher Miniatur- und mikromechanische Komponenten für das, was Hicks als „Sensor- bis Aktuatoranwendungen“ bezeichnet, von Siliziumwafern bis hin zu mechanischen Getrieben und Lagern. Diese kommen in Systemen zum Einsatz, die von Miniaturspektrometern und Durchflussmessern bis hin zu Blutanalysegeräten in Pikolitergröße reichen.
„In den letzten 25 Jahren wurde die Miniaturisierung in der Elektronik durch die Wirtschaftlichkeit der Skalierung vorangetrieben“, d. h. mehr Leistung in kleineren Gehäusen zu geringeren Kosten, sagt Hicks. „Anfangs gab es keine ähnliche Miniaturisierung auf der mechanischen Seite – kleinere und kleinere Elektronikgehäuse steuerten immer noch große Module und mechanische Systeme.“ Doch ab Mitte der 80er Jahre, so Hicks, verlangte die Entwicklung minimalinvasiver chirurgischer Techniken wie Venenentnahme und kathetergestützte Verfahren immer kleinere mechanische Geräte. Kleine Geräte boten Chirurgen, die im Inneren des Körpers arbeiten, auch Licht und Sicht. „Heute wird dieser Antrieb durch die Nachfrage der Informationstechnologie nach Telekommunikations- und Glasfasergeräten ergänzt, die verbunden, fokussiert und umgeschaltet werden müssen“, sagt er.
Minimotoren. Auch medizinische Anwendungen treiben die Herstellung von rein mechanischen Miniaturgeräten voran. Als Beispiel nennt Hicks eine transösophageale Sonde von American Laubscher, die von der ALC-Schwesterfirma Precipart hergestellt wird und einen 6-mm-Getriebekopf umfasst, der von einem Motor mit noch kleinerem Durchmesser von Micro Mo Electronics (Clearwater, FL) angetrieben wird. Der Getriebekopf bewegt einen Ultraschallwandler zur Bildgebung in der Speiseröhre. Solch kleine Motoren müssen sehr effizient sein, da für ihren Betrieb nicht viel Energie zur Verfügung steht, merkt er an.
Was die Motoren selbst betrifft, so wurde das Streben nach Miniaturisierung der Leistung nicht nur durch den Wunsch nach multifunktionalen, tragbaren Geräten für medizinische, Test- und Messzwecke angetrieben, sondern auch durch die Luft- und Raumfahrtindustrie, bemerkt Steve O’Neil, Vice President of Advanced Research and Planning bei Micro Mo Electronics. In der Luft- und Raumfahrt, sagt er, „ist Gewicht wichtig. Ein höheres Fahrzeuggewicht, einschließlich der Komponenten wie Motoren, bedeutet weniger Nutzlast und höhere Startkosten. Bei medizinischen Anwendungen bedeuten kostengünstige, tragbare Systeme, z. B. für die Bildgebung, niedrigere Behandlungskosten, da die Verfahren in einer Arztpraxis oder einem mobilen Diagnosezentrum durchgeführt werden können. Außerdem verteilen sich die Kosten für die Ausrüstung auf mehr Patienten. O’Neil verweist auf die Motoren, Antriebe und Steuerungen des Unternehmens, die in Anwendungen von der Positionierung von Optiken für die Bildgebung und Inspektion bis hin zu Silizium-Wafer-Fertigungsverfahren wie dem präzisen Dicing eingesetzt werden. Tragbare Systeme können eine Funktion dorthin bringen, wo sie in einer Anlage benötigt wird, anstatt eine weniger flexible, große feste Anlage zu haben.
Der wichtigste Faktor für die Entwicklung von Mikromotoren sind laut O’Neil die Fortschritte bei den Materialien – von Drähten und Magneten bis hin zu Gehäusen. „Die Kerntechnologie des Motors hat sich nicht verändert“, stellt er fest. „Was sich geändert hat, sind die Materialien:
Bei den Drähten haben höhere Wirkungsgrade bei der Isolierung und Designänderungen zur Einbeziehung von Wärmesenken kleinere Gehäuse ermöglicht.
Bei den Magneten hat die Entwicklung der letzten zehn Jahre von Keramik zu Samarium-Kobalt und jetzt zu Neodym-Eisen-Bor die magnetische Flussdichte sprunghaft erhöht.
Bei den Gehäusen hat spritzgegossener Kunststoff den rostfreien Stahl verdrängt.“
Das Ergebnis sind leistungsfähigere Motoren in kleineren Gehäusen.
Technologische Errungenschaften. In der Tat sind Werkstoffe und Herstellungsverfahren der Schlüssel zur Miniaturisierung. So hat die amerikanische Firma Laubscher die für die Herstellung von Mikroschaltkreisen verwendete Fotolithografie modifiziert, um Mikroformen für eine Reihe von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) herzustellen. Zuvor mussten solche Teile aus Metallen hergestellt werden, was niedrigere Produktionsraten und höhere Produktions- und Materialkosten bedeutete. Mit dem LIGA genannten Verfahren werden Mikroformen hergestellt, die das Spritzgießen von Materialien wie Flüssigkristallpolymeren (LCP) mit Toleranzen von einigen Mikrometern ermöglichen (siehe Seitenleiste). Als Beispiel nennt Tom Hicks eine Glasfaserferrule (Stecker), die früher aus Metall mikrobearbeitet wurde. Heute wird das Teil mit einer Gesamttoleranz von 6 Mikrometern aus LCP in LIGA gefertigt – einschließlich der Toleranzen für die Öffnung, den Außendurchmesser und die Eintrittsöffnung (Position und Durchmesser). Die LIGA-Formen können so präzise hergestellt werden, dass die Oberflächengüte des Teils Toleranzen im Angström-Bereich zulässt, so Hicks.
Er weist darauf hin, dass bisherige Fertigungsmethoden „subtraktiv“ sind, d. h., dass Material abgetragen wird, um ein fertiges Teil herzustellen. Galvanisch geformte Matrizen sind, wie Hicks es nennt, „in der Lage, den Glasboden zu umgehen – die untere Grenze der Größe und der Toleranzen, unter die subtraktive Methoden nicht gehen können, weil die mechanischen Eigenschaften der behandelten Materialien die Kräfte, die zum Entfernen des Materials eingesetzt werden, nicht aushalten würden. Mit anderen Worten, die Teile würden scheren oder abplatzen, anstatt zu schneiden.“
Zu den anderen mit LIGA hergestellten Produkten gehören gelochte Anschlüsse für Präzisionskraftstoffeinspritzdüsen und Tintenstrahldrucker. Die für diese Anwendungen verwendeten Materialien können oft nicht mit Mikrobohrern oder Lasern durchbohrt werden, ohne dass es zu Rissen oder anderen unerwünschten Effekten kommt.
Hicks fügt hinzu: „Es geht nicht nur um Materialien oder Verfahren, sondern darum, wie beides zusammenkommt. Man braucht nachgiebige Materialien und Mikrogießtechniken, wie zum Beispiel die Möglichkeit, einen kleinen Schuss Kunststoff zu spritzen.“ Gute Beispiele für das Zusammenspiel von Materialien und Präzision sind medizinische LIGA-Anwendungen wie pharmakologische Tests oder Diagnosetests. Letztere benötigen glatte Kanäle und präzise geformte Taschen für eine maximale Flüssigkeitsbewegung, um z. B. einen Tropfen Vollblut schnell in eine präzise Menge für die Mikroanalyse aufzuteilen. Mit dem richtigen Material (für die Blutaffinität), das präzise geformt ist, wird das Hämoglobin (rote Zellen) vom Plasma getrennt, wenn ein Blutstropfen in das Testgerät fließt, und eine präzise Menge von einigen Dutzend Pikolitern fließt zur Analyse, ohne dass Sauerstoff vorhanden ist, der die Testergebnisse verfälschen kann. Durch das Gießen solcher Geräte sind sie billig genug, um als Einwegartikel verwendet werden zu können, so dass bei der Wiederverwendung keine Verunreinigungen zu befürchten sind.
Mit kostengünstigen, präzisen Komponenten hängen tragbare Diagnostika und Instrumente von der Verbindung von Elektronik, Sensoren, Stromquellen und Motoren direkt im Endprodukt ab. Dadurch werden die Entwickler mechanischer Komponenten unter Druck gesetzt, ihren Anteil an einem Gerät noch kleiner zu gestalten, so Hicks.
Schließlich weist Hicks auf eine interessante MEMS-Entwicklung hin, die man im Auge behalten sollte: Digital AngelTM (Digital Angel, Hauppauge, NY). Hier zielen die Entwickler darauf ab, einen flexiblen MEMS-Schaltkreis unter die Haut oder in persönliche Gegenstände oder Kunstwerke zu implantieren, der es ermöglicht, den Gegenstand oder die Person per GPS-Satellit zu überwachen und zu verfolgen (siehe Abbildung). Zu den möglichen Anwendungen beim Menschen gehören die medizinische Überwachung und Verfolgung von Patienten, Kindern oder Militärangehörigen.
Der leitende Wissenschaftler Peter Zhou sagt, die Schlüsseltechnologien seien kleine, implantierbare Chips zur Radiofrequenz-Identifizierung (RFID), wiederaufladbare Batterien, Sensoren und eine Mikrowellenantenne von weniger als einem Zoll Länge. Der Träger, programmierte Alarme oder eine entfernte Einrichtung könnten das Gerät aktivieren. Für alltägliche Anwendungen könnten medizinische Daten über eine Handy- oder PC-Modemverbindung an eine zentrale Stelle heruntergeladen werden.
Dieses Zusammenspiel zwischen elektronischen und mechanischen Entwicklungen dürfte sich fortsetzen, wobei noch mehr synergetische Ergebnisse zu erwarten sind.
7 Tipps für die Miniaturisierung
Der Vizepräsident von Laubscher, Tom Hicks, gibt einige Punkte an, die bei der Entwicklung miniaturisierter Produkte zu beachten sind:
1 Handbuchwerte für mechanische Materialeigenschaften sind fast nie genau. Man braucht keine „übermäßige“ Masse, um Festigkeit zu haben. Lagerungsspannungen im Verhältnis zur Masse führen ab einem bestimmten Schwellenwert zu ähnlichen Effekten wie die große Festigkeit im Verhältnis zum Gewicht einer Ameise. Man kann dünnere Profile verwenden.
2 Qualitäts- und Kontrollmessmethoden werden immer spezieller. Man verwendet viel mehr optische Inspektionen, weil man mechanische Sonden nicht an die gewünschten Stellen bringen kann.
3 Je kleiner man mechanisch vorgeht, desto mehr geht man mit Komponenten und Geräten wie mit Elektronik um. Sie sind zu klein, um sie direkt zu berühren, und man sollte die Komponenten schnell zusammenbauen, z. B. direkt in der Spritzgussform, um eine mögliche Verunreinigung zu vermeiden. Wie in der Elektronik kann die Montage mit Klebeband die Verpackung und Handhabung erleichtern.
4 Die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten unterscheidet sich stark von der Makrowelt. Das Verhältnis von verfügbarer Oberfläche zu Masse der Flüssigkeit ist sehr schief. Die Benetzungseigenschaften der Mikrooberfläche sind entscheidend.
5 Sauberkeit wird als selbstverständlich vorausgesetzt. Staub sieht groß aus im Vergleich zu dem, was man herstellt. Es ist mindestens ein Reinraum der Klasse 10 erforderlich, aber der genaue Grad hängt davon ab, wo ein Gerät eingesetzt wird – für Zahnräder sind minimale Werte erforderlich (es sei denn, sie sind für den medizinischen Einsatz im menschlichen Körper bestimmt), während Staub in optischen Produkten die Leistung stark beeinträchtigen kann.
6 Makrodesign-Konzepte können durch Anwendung verschiedener verfügbarer Technologien häufig in Mikrodesigns umgesetzt werden. Ein Designer kann sich das Fachwissen der Fachleute zunutze machen. Zu den Methoden gehören nicht nur lithografische Verfahren für das Spritzgießen von Kunststoffen oder Metallen, sondern auch das Drahterodieren (EDM) zum Abtragen von Material zur Herstellung einer Form, die Laserablation und die Ionen- oder galvanische Abscheidung.
7 Der Preis ist in der Regel höher. Kann es sich Ihr Produkt leisten, 1,5 Cent im Vergleich zu 0,1 Cent für ein Makroteil zu kosten?
Mikro-Spritzgussherstellung
Galvanisch geformte LIGA-Formen ergeben Kunststoffteile mit Toleranzen von bis zu 60,0001 Zoll (2 Mikron). Der Name kommt aus dem Deutschen und steht für lithografische Galvanik (Beschichtung). Im Gegensatz zur ähnlichen Herstellung von Halbleitermikrochips werden LIGA-Spritzgussformen für Kunststoffteile zunächst mit einer dickeren Fotolackmaske ausgelegt. Kürzere Wellenlängen bis hin zu Röntgenstrahlen, die stärker kollimiert sind, beschießen den unmaskierten, darunter liegenden Resist, der aus Silizium oder Kunststoff bestehen kann. Die belichtete Struktur wird dann mit einem Lösungsmittel oder durch Ionenätzen „entwickelt“ (reduziert), um dieses unerwünschte Material zu entfernen. Anschließend wird das verbleibende Resistmaterial mit Nickel oder Nickelkobalt beschichtet, das dann durch ein weiteres Lösungsmittel oder sogar durch physikalisches Cracken entfernt wird, so dass das endgültige Spritzgusswerkzeug entsteht. Dieses Werkzeug wird für die Herstellung von Produktionsteilen verwendet. Für das Prototyping (linke Seite der Zeichnung) kann das resultierende Metall als Teil fungieren.
Der Bedarf an Abschirmung
Wenn elektronische Komponenten in miniaturisierten Anwendungen enger zusammenrücken, steigt die Notwendigkeit, elektromagnetischen Störungen (EMI) entgegenzuwirken. Daher kann eine zusätzliche Abschirmung erforderlich sein, sagt Jack Black, Verkaufsleiter bei Boldt Metronics International (Palatine, IL), einem Anbieter von elektronischen Metallkomponenten, einschließlich Abschirmungen. Er fügt hinzu, dass ein kleineres Gehäuse auch einen höheren Bedarf an Wärmeabfuhr aus dem Gerät mit sich bringt, was durch wärmeleitende EMI-Abschirmungen, mehr Lüfter und effektivere Kühlkörper erreicht werden kann.
Black merkt an, dass es bei weniger offenem Raum auf Leiterplatten schwieriger sein kann, EMI-Abschirmungsdichtungen zu verwenden, die seiner Meinung nach eine große Grundfläche benötigen, um effektiv zu funktionieren. Daher könnten oberflächenmontierte EMI-Abschirmungen aus Metall erforderlich sein, insbesondere wenn doppelseitige Leiterplatten verwendet werden.
Er betont auch die erhöhte Notwendigkeit, bei der Miniaturisierung von Teilen Prototypen zu erstellen. „Die Redesign-Optionen sind aufgrund der geringeren Größe begrenzt“, betont Black. „Oft ist das Platinenlayout sehr kompliziert, mit mehr Lagen als früher. Einfache Lösungen in der Entwicklungsphase sind also nicht mehr einfach. Die Berücksichtigung potenzieller Probleme in der Prototyp-Phase ermöglicht einen schnelleren Markteintritt.“
Schließlich stellt Black fest, dass schnellere Bauteile aufgrund ihrer höheren Frequenzen den Bedarf an Abschirmung erhöhen, unabhängig davon, ob es sich um kleinere Bauteile handelt oder nicht. Je kleiner also ein Gerät ist, desto größer wird der Bedarf an Abschirmung, um das erhöhte Potenzial von Übersprechungen zu verringern, da mehr Hochgeschwindigkeitskomponenten auf einer kleineren Fläche untergebracht werden können.
5 Überlegungen für Miniatursysteme und -motoren
Beim Aufstellen von Anforderungen für Systeme, die von der Miniaturisierung im Allgemeinen und von Mikromotoren im Besonderen profitieren können, bietet Steve O’Neil, Vizepräsident für Forschung und Planung bei Micro Mo Electronics, fünf Faktoren an, die berücksichtigt werden sollten:
1 Kosten: Viele Leute denken, wenn etwas kleiner ist, sollte es auch weniger teuer sein. Für die Herstellung miniaturisierter Produktkomponenten sind möglicherweise teure Technologien erforderlich.
2 Physik: In kleinen Dimensionen treten andere Phänomene auf – keine Spiegelbilder der Makrowelt. Zum Beispiel, wie Materialien aneinander haften (zu überwindende Klebrigkeit) und das Verhalten von Schmiermitteln. In der Makrowelt werden Schmiermittel und überschüssige Energie als selbstverständlich angesehen. In der Mikrowelt kann ein Schmiermittel wie ein Klebstoff wirken und die Größe der Partikel kann Probleme verursachen.
3 Ineffizienzen: Man muss die Wirkungsgrade der Komponenten gut im Griff haben, denn kleine Geräte haben keine großen Leistungsspannen, mit denen man spielen kann.
4 Fachwissen: Sprechen Sie mit einem kompetenten Anbieter. Nutzen Sie das Design-Know-how von Unternehmen, die sich auf miniaturisierte Geräte spezialisiert haben, für eine praktische Kritik.
5 Rechtfertigung: Warum miniaturisieren, wenn es keinen geschäftlichen Grund dafür gibt? Holen Sie sich Anregungen vom Markt, um ein klares Ziel zu erreichen.