Mencione la miniaturización y la mayoría de los ingenieros de diseño pensarán en «electrónica». Es cierto que en el pasado, las tecnologías de fabricación y los requisitos impulsaron la electrónica hacia componentes y sistemas cada vez más pequeños. Ahora estas influencias se están extendiendo, de modo que son evidentes en toda una serie de diminutos sistemas basados en la mecánica.
El impulso hacia la reducción de tamaño ha sido espoleado por necesidades que van desde las aplicaciones médicas hasta la automoción y la industria aeroespacial. Los diseñadores tienen que idear sistemas más pequeños para permitir el acceso al cuerpo mediante técnicas mínimamente invasivas y para incluir más funciones en un volumen determinado con el fin de ahorrar peso, permitir la portabilidad y utilizar mejor el costoso «espacio» del dispositivo.
«Es una evolución natural», afirma Tom Hicks, vicepresidente de American Laubscher ALC (Farmingdale, NY). La empresa tiene su origen en la industria relojera, con la fabricación de pequeñas piezas durante más de 100 años. En la actualidad, American Laubscher fabrica componentes miniaturizados y micromecánicos para lo que Hicks denomina «aplicaciones de sensores a actuadores», desde obleas de silicio hasta engranajes y cojinetes mecánicos. Se utilizan en sistemas que van desde espectrómetros y medidores de flujo en miniatura hasta analizadores de sangre del tamaño de un picolitro.
«Durante los últimos 25 años, la miniaturización de la electrónica se ha visto impulsada por la economía de escala», al poner más rendimiento en paquetes más pequeños a menor coste, dice Hicks. «Al principio no había una miniaturización similar en el lado mecánico: los paquetes electrónicos cada vez más pequeños seguían controlando grandes módulos y sistemas mecánicos». Pero a partir de mediados de los 80, señala, el desarrollo de técnicas quirúrgicas mínimamente invasivas, como la extracción de venas y los procedimientos basados en catéteres, exigía dispositivos mecánicos cada vez más pequeños. Los dispositivos pequeños también proporcionaban luz y visión a los cirujanos que trabajaban dentro del cuerpo. «Hoy en día, a este impulso se suma la demanda de tecnología de la información para dispositivos de telecomunicación y fibra óptica que necesitan conectarse, enfocarse y conmutarse», todo ello dentro de dispositivos a pequeña escala, afirma.
Mini motores. Las aplicaciones médicas también están impulsando la fabricación de dispositivos puramente mecánicos en miniatura. Por ejemplo, Hicks cita una sonda transesofágica de American Laubscher, fabricada por la empresa hermana de ALC, Precipart, que incluye un cabezal de engranaje de 6 mm accionado por un motor de diámetro aún menor de Micro Mo Electronics (Clearwater, FL). El cabezal de engranaje mueve un transductor de ultrasonidos para obtener imágenes desde el interior del esófago. Estos motores tan pequeños deben ser muy eficientes, ya que no se dispone de mucha energía para hacerlos funcionar, señala.
En cuanto a los motores en sí, el impulso para miniaturizar la energía no sólo fue alimentado por el deseo de contar con equipos multifuncionales y portátiles para usos médicos, de prueba y de medición, sino también por la industria aeroespacial, señala el Vicepresidente de Investigación Avanzada y Planificación de Micro Mo Electronics, Steve O’Neil. En las naves aéreas y espaciales, dice, «el peso es importante. Un mayor peso del vehículo, incluyendo componentes como los motores, significa menos carga útil y mayores costes de lanzamiento. En las aplicaciones médicas, los sistemas portátiles de menor coste, por ejemplo para la obtención de imágenes, suponen menores costes de atención porque los procedimientos pueden realizarse en la consulta del médico o en un centro de diagnóstico móvil. Además, el gasto en equipos se reparte entre más pacientes». O’Neil cita los motores, accionamientos y controladores de la empresa que se utilizan en aplicaciones que van desde el posicionamiento de la óptica para la obtención de imágenes y la inspección, hasta las operaciones de fabricación de obleas de silicio, como el corte preciso en dados. Los sistemas portátiles pueden llevar una función al lugar donde se necesita en una planta, en lugar de contar con un activo fijo menos flexible y de gran tamaño.
El principal impulsor de los micromotores ha sido el progreso en los materiales, dice O’Neil, desde el cable y los imanes hasta las carcasas. «La tecnología básica del motor no ha cambiado», señala. «Lo que ha cambiado son los materiales:
En los cables, la mayor eficiencia del aislamiento y los cambios en el diseño para incorporar el disipador de calor permiten paquetes más pequeños.
En los imanes, la progresión en los últimos diez años aproximadamente de la cerámica al cobalto de samario y ahora al boro de hierro de neodimio ha aumentado la densidad del flujo magnético.
En las carcasas, el plástico moldeado por inyección ha sustituido a los aceros inoxidables»
El resultado son motores más capaces en paquetes más pequeños.
Facilitadores de la tecnología. De hecho, los materiales y los procesos de fabricación son fundamentales para la miniaturización. Por ejemplo, el estadounidense Laubscher modificó la fotolitografía utilizada para fabricar microcircuitos con el fin de producir micromoldes para una variedad de sistemas microelectromecánicos (MEMS). Antes, estas piezas se habrían fabricado con metales, lo que suponía menores índices de producción y mayores costes de producción y material. El proceso, denominado LIGA (acrónimo de fabricación galvánica litográfica en alemán), produce micromoldes que permiten moldear por inyección materiales como los polímeros de cristal líquido (LCP) con tolerancias de varias micras (véase el recuadro). Como ejemplo, Tom Hicks señala una férula (conector) de fibra óptica que anteriormente se fabricaba con precisión a partir de metal. En la actualidad, la pieza se fabrica con LIGA a partir de LCP con un error total de composición de 6 micras, lo que incluye la apertura, el diámetro exterior y la tolerancia del puerto de entrada (ubicación y diámetro). Los moldes LIGA pueden ser lo suficientemente precisos como para permitir tolerancias de acabado de la superficie de la pieza en angstroms, dice Hicks.
Observa que los métodos de fabricación anteriores son «sustractivos», que implican la eliminación de material para formar una pieza acabada. Las matrices formadas galvánicamente son, como dice Hicks, «capaces de sortear el «suelo de cristal», el límite inferior de tamaño y tolerancias por debajo del cual los métodos sustractivos no podrían pasar porque las propiedades mecánicas de los materiales tratados no soportarían las fuerzas utilizadas para eliminar el material». En otras palabras, las piezas se cizallarían o astillarían en lugar de cortarse».
Otros productos fabricados con LIGA incluyen accesorios perforados para inyectores de combustible de precisión e impresoras de chorro de tinta. A menudo, los materiales utilizados en estas aplicaciones perforadas no pueden ser perforados por microtaladros o láseres sin que se produzcan grietas u otros efectos indeseables.
Hicks añade que «no se trata sólo de los materiales o del proceso, sino de cómo se unen ambos. Se necesitan materiales conformes y técnicas de micromoldeo, como poder moldear por inyección una pequeña porción de plástico». Un buen ejemplo de la conjunción de materiales y precisión son las aplicaciones médicas de LIGA, como las pruebas farmacológicas o los ensayos de diagnóstico. Estos últimos necesitan tener canales suaves y cavidades moldeadas con precisión para conseguir el máximo movimiento fluido para separar rápidamente, por ejemplo, una gota de sangre entera en una cantidad precisa para el microanálisis. Con el material adecuado (para la afinidad de la sangre) moldeado con precisión, cuando una gota de sangre fluye en el ensayo, la hemoglobina (glóbulos rojos) se separa del plasma y una cantidad precisa, en decenas de picolitros, fluye para el análisis sin la presencia de oxígeno que puede sesgar los resultados de la prueba. Al moldear estos dispositivos, son lo suficientemente baratos como para ser desechables, lo que evita cualquier preocupación por la contaminación en la reutilización.
Con componentes rentables y de precisión, los diagnósticos e in- strumentos manuales dependen de la unión de la electrónica, los sensores y las fuentes y motores de baja potencia justo en el producto final. Según Hicks, los diseñadores de componentes mecánicos se ven obligados a reducir aún más su parte del dispositivo.
Por último, Hicks señala un interesante desarrollo de MEMS llamado Digital AngelTM (Digital Angel, Hauppauge, NY). En este caso, los diseñadores pretenden implantar un circuito flexible de MEMS bajo la piel, o en objetos personales u obras de arte, que permita monitorizar y rastrear el objeto o la persona mediante un satélite GPS (véase el diagrama). Las aplicaciones en humanos pueden incluir la monitorización médica y el seguimiento de pacientes, niños o personal militar.
El científico jefe Peter Zhou afirma que las tecnologías clave son pequeños chips implantables de identificación por radiofrecuencia (RFID), baterías recargables, sensores y una antena de microondas de menos de un centímetro. El usuario, las alarmas programadas o una instalación remota podrían activar el dispositivo. En el caso de las aplicaciones cotidianas, los datos médicos podrían descargarse a una ubicación central a través de un teléfono móvil o un módem de PC.
Esta interacción entre los desarrollos electrónicos y mecánicos parece que continuará, con resultados aún más sinérgicos en el futuro.
7 consejos para el diseño de la miniaturización
El vicepresidente de American Laubscher, Tom Hicks, ofrece algunos puntos a tener en cuenta a la hora de diseñar productos miniaturizados:
1 Los valores de los manuales para las características de los materiales mecánicos casi nunca son precisos. No se necesita una masa «excesiva» para tener resistencia. Las tensiones de soporte relativas a la masa, una vez superados ciertos umbrales, producen efectos similares a la gran relación fuerza-peso de una hormiga. Se pueden utilizar secciones más delgadas.
2 Los métodos de medición de calidad e inspección se vuelven más especializados. Se utiliza mucho más la inspección óptica porque no se pueden colocar sondas mecánicas donde se quiere ir.
3 Cuanto más pequeño se hace mecánicamente, más se manejan los componentes y dispositivos como se haría con los electrónicos. Son demasiado pequeños para tocarlos directamente, y debe ensamblar los componentes rápidamente, por ejemplo, justo en el molde de inyección, para evitar una posible contaminación. Al igual que en la electrónica, el montaje con cinta de producción puede utilizarse para facilitar el embalaje y la manipulación.
4 La tensión superficial de los fluidos es muy diferente a la del macromundo. La relación entre la superficie disponible y la masa del fluido es muy elevada. Las características de humectación de la microsuperficie son críticas.
5 La limpieza se da por supuesta. El polvo parece grande en comparación con lo que se está fabricando. Se necesita una sala limpia de clase 10 como mínimo, pero el nivel exacto depende de dónde vaya a ir el dispositivo: se necesitan niveles mínimos para los engranajes (a no ser que sea para uso médico dentro del cuerpo humano), mientras que el polvo en los productos ópticos puede afectar enormemente al rendimiento.
6 Los conceptos de macrodiseño pueden traducirse en microdiseños con bastante frecuencia con la aplicación de varias tecnologías disponibles. El diseñador puede aprovechar los conocimientos de los expertos en la materia. Los métodos incluyen no sólo los basados en la litografía para el moldeo por inyección de plásticos o metales, sino también el mecanizado por descarga eléctrica (EDM) para eliminar el material para formar un molde, la ablación por láser y la deposición iónica o galvánica.
7 El precio suele ser más elevado. ¿Puede su producto costar, por ejemplo, 1,5 céntimos frente a los 0,1 céntimos de una macro pieza?
Fabricación de micromoldes por inyección
Los moldes LIGA formados galvánicamente dan lugar a piezas de plástico con tolerancias de hasta 60,0001 pulgadas (2 micras). El nombre viene del alemán para la fabricación galvánica litográfica (chapado). A diferencia de la fabricación similar de microchips semiconductores, los moldes de inyección formados por LIGA para piezas de plástico se colocan primero con una máscara fotorresistente más gruesa. Las longitudes de onda más cortas, hasta los rayos X, que están más colimados, bombardean la resistencia subyacente no enmascarada, que puede ser de silicio o de plástico. La estructura expuesta se «revela» (se reduce) mediante un disolvente o un grabado iónico para eliminar este material no deseado. A continuación, se aplica níquel o níquel-cobalto sobre el material de resistencia restante, que se elimina mediante otro disolvente o incluso mediante un craqueo físico, dejando la herramienta de moldeado por inyección final. Esta herramienta se utiliza para fabricar piezas de producción. Para la creación de prototipos (lado izquierdo del dibujo), el metal resultante puede funcionar como la pieza.
La necesidad de apantallamiento
A medida que los componentes electrónicos se acercan en las aplicaciones miniaturizadas, aumenta la necesidad de contrarrestar las interferencias electromagnéticas (EMI). Por lo tanto, puede ser necesario un blindaje adicional, dice Jack Black, director de ventas de Boldt Metronics International (Palatine, IL), un proveedor de componentes electrónicos metálicos, incluidos los blindajes. Y, añade, un paquete más pequeño también tiene una mayor necesidad de eliminar el calor del dispositivo, lo que puede hacerse utilizando escudos EMI térmicamente conductores, más ventiladores y disipadores de calor más eficaces.
Black señala que con menos espacio abierto en las placas de circuito, puede ser más difícil utilizar juntas de blindaje EMI, que, dice, necesitan grandes áreas de huella para funcionar eficazmente. Por lo tanto, es posible que se necesiten escudos metálicos contra la EMI de montaje en superficie, sobre todo si se utilizan placas de doble cara.
También hace hincapié en la mayor necesidad de crear prototipos de piezas al miniaturizar. «Las opciones de rediseño son limitadas debido al menor tamaño», señala Black. «Muchas veces, el diseño de la placa es muy complicado, con más capas que antes. Así que los arreglos sencillos en la fase de desarrollo ya no son sencillos». Diseñar los posibles problemas en la fase de prototipo permite una entrada más rápida en el mercado».
Por último, Black señala que, debido a sus mayores frecuencias, los componentes más rápidos aumentan la necesidad de blindaje, ya sea en componentes más pequeños o no. Por lo tanto, cuanto más pequeño es un dispositivo, mayor es la necesidad de apantallamiento, con el fin de cortar el aumento del potencial de comunicación cruzada, ya que se pueden colocar más componentes de alta velocidad en un área más pequeña.
5 consideraciones para los sistemas y motores en miniatura
Al establecer los requisitos de los sistemas que pueden beneficiarse de la miniaturización en general y de los micromotores en particular, Steve O’Neil, vicepresidente de investigación avanzada y planificación de Micro Mo Electronics, ofrece cinco factores a tener en cuenta:
1 Coste: Mucha gente piensa que si algo es más pequeño, debería ser menos caro. Es posible que se necesiten tecnologías caras para fabricar componentes de productos miniaturizados.
2 Física: Los fenómenos que se producen en los tamaños pequeños son diferentes, no son un reflejo del macromundo. Cosas como la forma en que los materiales se adhieren unos a otros (adherencia a superar) y el comportamiento de los lubricantes. En el macromundo, los lubricantes y el exceso de potencia se dan por supuestos. En el micromundo, el lubricante puede actuar como un adhesivo y el tamaño de las partículas puede crear problemas.
3 Ineficiencias: Se necesita un buen manejo de las eficiencias de los componentes porque los dispositivos pequeños no tienen grandes márgenes de potencia con los que jugar.
4 Experiencia: Hable con un proveedor competente. Aproveche los conocimientos de diseño de las empresas especializadas en equipos miniaturizados para obtener una crítica práctica.
5 Justificación: ¿Por qué miniaturizar si no hay una razón comercial para hacerlo? Obtenga información del mercado para lograr un objetivo claro.