Mainitse miniatyrisointi ja useimmat suunnitteluinsinöörit ajattelevat todennäköisesti ”elektroniikkaa”. On totta, että aiemmin valmistustekniikat ja -vaatimukset ajoivat elektroniikkaa kohti yhä pienempiä komponentteja ja järjestelmiä. Nämä vaikutukset ovat nyt leviämässä – niin, että ne näkyvät erilaisissa pienikokoisissa mekaanisiin järjestelmiin perustuvissa järjestelmissä.
Kokoonpanon pienentämispyrkimyksiä ovat vauhdittaneet tarpeet lääketieteellisistä sovelluksista autoteollisuuteen ja ilmailuun. Suunnittelijoiden on kehitettävä pienempiä järjestelmiä, jotta kehoon päästään käsiksi minimaalisesti invasiivisilla tekniikoilla ja jotta tiettyyn tilavuuteen voidaan pakata enemmän toimintoja painon säästämiseksi, siirrettävyyden mahdollistamiseksi ja kalliiden laitteiden ”kiinteän omaisuuden” paremmaksi hyödyntämiseksi.
”Se on luonnollinen evoluutio”, sanoo amerikkalaisen Laubscher ALC:n (Farmingdale, NY) varatoimitusjohtaja Tom Hicks. Yrityksen sveitsiläisen emoyhtiön perintö on kelloteollisuudessa, jossa on valmistettu pieniä osia yli 100 vuoden ajan. Nykyään American Laubscher valmistaa miniatyyri- ja mikromekaanisia komponentteja, joita Hicks kutsuu ”anturi- ja toimilaitesovelluksiksi”, piikiekoista mekaanisiin hammaspyöriin ja laakereihin. Niitä käytetään järjestelmissä pienoispektrometreistä ja virtausmittareista pikoliterikokoisiin verianalysaattoreihin.
”Viimeisten 25 vuoden ajan elektroniikan miniatyrisointia vauhditti mittakaavaekonomia”, Hicksin mukaan enemmän suorituskykyä pienempiin pakkauksiin pienemmillä kustannuksilla. ”Mekaanisella puolella vastaavaa miniatyrisointia ei ollut alkuvaiheessa – pienemmät ja pienemmät elektroniikkapaketit ohjasivat edelleen suuria moduuleja ja mekaanisia järjestelmiä.” Hän huomauttaa kuitenkin, että 80-luvun puolivälistä lähtien minimaalisesti invasiivisten kirurgisten tekniikoiden, kuten suonien poiston ja katetripohjaisten toimenpiteiden, kehittäminen vaati yhä pienempiä mekaanisia laitteita. Pienet laitteet tarjosivat myös valoa ja näköä kehon sisällä työskenteleville kirurgeille. ”Nykyään tähän pyrkimykseen lisätään tietotekniikan vaatimukset tietoliikenne- ja kuituoptisista laitteista, jotka vaativat yhdistämistä, tarkentamista ja kytkemistä”, kaikki pienikokoisissa laitteissa, hän sanoo.
Minimoottorit. Myös lääketieteelliset sovellukset vauhdittavat puhtaasti mekaanisten pienoislaitteiden valmistusta. Hicks mainitsee esimerkiksi ALC:n sisaryhtiön Precipartin valmistaman amerikkalaisen Laubscher-transesofagiaalisen luotaimen, jossa on 6 mm:n hammaspyöräpää, joka saa käyttövoimansa vielä pienemmän halkaisijan omaavasta Micro Mo Electronicsin (Clearwater, FL) moottorista. Hammaspyöräpää liikuttaa ultraäänianturia kuvantamista varten ruokatorven sisällä. Näin pienten moottoreiden on oltava erittäin tehokkaita, koska niiden käyttämiseen ei ole käytettävissä paljon tehoa, hän huomauttaa.
Moottoreiden osalta voiman pienentämiseen tähtäävää pyrkimystä ei ole vauhdittanut ainoastaan monitoimisten, kannettavien lääkintä-, testaus- ja mittauskäytössä käytettävien laitteiden tarve, vaan myös ilmailu- ja avaruusteollisuus, huomauttaa Micro Mo Electronicsin kehittyneestä tutkimus- ja suunnittelutoiminnasta vastaava varajohtaja Steve O’Neil. Hän sanoo, että ilma- ja avaruusaluksissa paino on tärkeää. Ajoneuvon suurempi paino, mukaan lukien moottoreiden kaltaiset komponentit, tarkoittaa pienempää hyötykuormaa ja korkeampia laukaisukustannuksia. Lääketieteellisissä sovelluksissa halvemmat, kannettavat järjestelmät, esimerkiksi kuvantamisessa, tarkoittavat alhaisempia hoitokustannuksia, koska toimenpiteet voidaan tehdä lääkärin vastaanotolla tai liikkuvassa diagnoosikeskuksessa. Laitekustannukset jakautuvat myös useammalle potilaalle.” O’Neil mainitsee yrityksen moottorit, taajuusmuuttajat ja ohjaimet, joita käytetään sovelluksissa, jotka ulottuvat optiikan paikannuksesta kuvantamiseen ja tarkastukseen sekä piikiekkojen valmistukseen, kuten tarkkaan kuutiointiin. Kannettavat järjestelmät voivat tuoda toiminnon sinne, missä sitä tarvitaan laitoksessa, sen sijaan, että käytössä olisi vähemmän joustava, suuri kiinteä laitteisto.
O’Neilin mukaan tärkein mikromoottoreiden kehitystä edistävä tekijä on ollut materiaalien kehitys – langasta ja magneeteista koteloihin. ”Ydinmoottoriteknologia ei ole muuttunut”, hän toteaa. ”Se, mikä on muuttunut, ovat materiaalit:
Langassa eristyksen korkeampi hyötysuhde ja suunnittelumuutokset, joissa on otettu huomioon lämmöntalteenotto, mahdollistavat pienemmät pakkaukset.
Magneeteissa viimeisen noin kymmenen vuoden aikana tapahtunut siirtyminen keraamisista samariumkobolttiin ja nyt neodyymirautabooriin on lisännyt magneettivuon tiheyttä.
Koteloissa ruiskuvalettu muovi on syrjäyttänyt ruostumattomat teräkset.”
Tuloksena on entistä suorituskykyisempiä moottoreita pienemmissä pakkauksissa.
Teknologian mahdollistajat. Itse asiassa materiaalit ja valmistusprosessit ovat avainasemassa miniatyrisoinnin kannalta. Esimerkiksi amerikkalainen Laubscher muokkasi mikropiirien valmistuksessa käytettävää fotolitografiaa, jotta voidaan valmistaa mikromuotteja erilaisia mikroelektromekaanisia järjestelmiä (MEMS) varten. Tätä ennen tällaiset osat olisi valmistettu metalleista, mikä merkitsi alhaisempia tuotantonopeuksia ja korkeampia tuotanto- ja materiaalikustannuksia. Prosessi, jota kutsutaan LIGA:ksi (lyhenne saksan kielestä, joka tarkoittaa litografista galvaanista valmistusta), tuottaa mikromuotteja, jotka mahdollistavat nestekidepolymeerien (LCP) kaltaisten materiaalien ruiskupuristamisen useiden mikronien tarkkuudella (ks. sivupalkki). Esimerkkinä Tom Hicks mainitsee optisen kuidun ferruliitin (liitin), joka aiemmin mikrokoneistettiin tarkasti metallista. Nykyään osa valmistetaan LIGA:lla LCP:stä 6 mikronin kokonaiskomposiittivirheellä, joka sisältää aukon, ulkohalkaisijan ja sisääntuloaukon (sijainti ja halkaisija) toleranssin. LIGA-muotit voidaan tehdä niin tarkoiksi, että osan pintakäsittelyn toleranssit ovat angströmin tarkkuudella, Hicks sanoo.
Hicks huomauttaa, että aiemmat valmistusmenetelmät ovat ”subtraktiivisia”, eli ne sisältävät materiaalin poistoa valmiin osan muodostamiseksi. Galvaanisesti muotoillut muotit pystyvät, kuten Hicks asian ilmaisee, ”kiertämään lasin lattian – koon ja toleranssien alarajan, jonka alapuolelle subtraktiiviset menetelmät eivät pystyisi menemään, koska käsiteltävien materiaalien mekaaniset ominaisuudet eivät kestäisi materiaalin poistamiseen käytettyjä voimia”. Toisin sanoen osat leikkautuisivat tai lohkeaisivat leikkaamisen sijasta.”
Muita LIGA:lla valmistettuja tuotteita ovat muun muassa lävistetyt liitososat tarkkuuspolttoaineen ruiskutuslaitteisiin ja mustesuihkutyyppisiin tulostimiin. Usein näissä porttisovelluksissa käytettyjä materiaaleja ei voida lävistää mikroporilla tai laserilla ilman halkeilua tai muita ei-toivottuja vaikutuksia.
Hicks lisää, että ”kyse ei ole vain materiaaleista tai prosessista, vaan siitä, miten molemmat yhdistyvät. Tarvitaan yhteensopivia materiaaleja ja mikromuotoilutekniikoita, kuten mahdollisuus ruiskuvalaa pieni laukaus muovia.” Hyviä esimerkkejä materiaalien ja tarkkuuden yhdistämisestä ovat lääketieteelliset LIGA-sovellukset, kuten farmakologinen testaus tai diagnostiset määritykset. Jälkimmäisissä on oltava sileät kanavat ja tarkasti muotoillut taskut, jotta nestemäinen liike on mahdollisimman suuri, jotta esimerkiksi pisara kokoverta voidaan nopeasti erottaa tarkkaan määrään mikroanalyysiä varten. Kun sopiva materiaali (veren affiniteettia varten) on tarkasti muotoiltu, kun veripisara virtaa määritykseen, hemoglobiini (punasolut) erotetaan plasmasta ja tarkka määrä, kymmeniä pikolitroja, virtaa analysoitavaksi ilman happea, joka voi vääristää testituloksia. Valamalla tällaiset laitteet ovat tarpeeksi halpoja ollakseen kertakäyttöisiä, jolloin vältetään huoli kontaminaatiosta uudelleenkäytössä.
Kustannustehokkaiden, tarkkuuskomponenttien avulla kädessä pidettävät diagnostiikka- ja in- strumentit ovat riippuvaisia elektroniikan, antureiden ja pienitehoisten lähteiden ja moottoreiden avioliitosta suoraan lopputuotteessa. Näin mekaanisten komponenttien suunnittelijoihin kohdistuu Hicksin mukaan paineita tehdä myös heidän osuutensa laitteesta entistäkin pienemmäksi.
Hicks mainitsee lopuksi mielenkiintoisen MEMS-kehityksen nimeltä Digital AngelTM (Digital Angel, Hauppauge, NY), jota kannattaa seurata. Tässä suunnittelijat pyrkivät istuttamaan ihon alle tai henkilökohtaisiin tavaroihin tai taideteoksiin joustavan MEMS-piirin, jonka avulla esinettä tai henkilöä voidaan valvoa ja seurata GPS-satelliitin avulla (ks. kaavio). Ihmissovelluksia voivat olla esimerkiksi potilaiden, lasten tai sotilashenkilöstön lääketieteellinen valvonta ja seuranta.
Johtava tutkija Peter Zhou sanoo, että keskeisiä teknologioita ovat pienet, implantoitavat radiotaajuustunnistussirut (RFID-sirut), ladattavat akut, anturit ja alle tuuman mittainen mikroaaltoantenni. Laitteen käyttäjä, ohjelmoidut hälytykset tai etälaitteisto voisivat aktivoida laitteen. Jokapäiväisissä sovelluksissa lääketieteelliset tiedot voitaisiin ladata keskitettyyn paikkaan matkapuhelimen tai tietokoneen modeemiyhteyden kautta.
Tällainen elektroniikan ja mekaniikan kehityksen välinen vuorovaikutus näyttää jatkuvan, ja synergisiä tuloksia on tulossa vielä enemmän.
7 vinkkiä miniatyrisointisuunnittelua varten
Amerikkalaisen Laubscherin varatoimitusjohtaja Tom Hicks tarjoaa joitain seikkoja, jotka on syytä ottaa huomioon, kun suunnitellaan miniatyrisoituja tuotteita:
1 Mekaanisten materiaalien ominaisuuksien käsikirja-arvot eivät ole lähes koskaan tarkkoja. Lujuuteen ei tarvita ”liiallista” massaa. Laakerijännitykset suhteessa massaan, kun ne ylittävät tietyt raja-arvot, saavat aikaan samanlaisia vaikutuksia kuin muurahaisen suuri lujuus suhteessa painoon. Voit käyttää ohuempia profiileja.
2 Laadun ja tarkastuksen mittausmenetelmät erikoistuvat. Käytetään paljon enemmän optista tarkastusta, koska mekaanisia antureita ei saada sinne, minne halutaan.
3 Mitä pienemmäksi mekaanisesti mennään, sitä enemmän komponentteja ja laitteita käsitellään kuten elektroniikkaa. Ne ovat liian pieniä, jotta niihin voisi koskea suoraan, ja sinun pitäisi koota komponentit nopeasti, esimerkiksi suoraan ruiskuvalumuottiin, jotta vältät mahdollisen kontaminaation. Elektroniikan tavoin tuotantonauhakokoonpanoa voidaan käyttää pakkaamisen ja käsittelyn helpottamiseksi.
4 Nesteiden pintajännitys on hyvin erilainen kuin makromaailmassa. Käytettävissä olevan pinnan suhde nesteen massaan on vinosti hyvin suuri. Mikropinnan kostutusominaisuudet ovat kriittisiä.
5 Puhtautta pidetään itsestäänselvyytenä. Pöly näyttää suurelta verrattuna siihen, mitä ollaan tekemässä. Tarvitaan vähintään 10. luokan puhdastila, mutta tarkka taso riippuu siitä, mihin laite menee – hammaspyörille tarvitaan minimaalinen taso (ellei niitä käytetä lääketieteelliseen käyttöön ihmiskehossa), kun taas optisissa tuotteissa pöly voi vaikuttaa suuresti suorituskykyyn.
6 Makrosuunnittelun konseptit voidaan kääntää mikrosuunnitteluksi melko usein soveltamalla useita käytettävissä olevia teknologioita. Suunnittelija voi hyödyntää alalla toimivien asiantuntemusta. Menetelmiin eivät kuulu vain litografiapohjaiset muovien tai metallien ruiskuvalumenetelmät, vaan myös langan sähköpurkaustyöstö (EDM) materiaalin poistamiseksi muotin muodostamiseksi, laserablaatio ja ioni- tai galvaaninen laskeutuminen.
7 Hinta päätyy yleensä korkeammaksi. Onko tuotteellasi varaa maksaa vaikkapa 1,5 senttiä verrattuna 0,1 senttiin makro-osasta?
Mikroruiskuvalumuottien valmistus
Galvaanisesti muodostetuilla LIGA-muoteilla saadaan aikaan muoviosia, joiden toleranssit ovat jopa 60,0001 tuumaa (2 mikronia). Nimi tulee saksan kielestä ja tarkoittaa litografista galvaanista (pinnoitus) valmistusta. Toisin kuin puolijohdemikrosirujen vastaavassa valmistuksessa, muoviosien LIGA-muotoisissa ruiskuvalumuoteissa käytetään ensin paksumpaa fotoresistimaskia. Lyhyemmät aallonpituudet, aina röntgensäteisiin asti, jotka ovat voimakkaammin kollimoituja, pommittavat maskeeraamatonta, alla olevaa resistiä, joka voi olla piitä tai muovia. Tämän jälkeen valotettu rakenne ”kehitetään” (pelkistetään) liuottimella tai ionijyrsinnällä ei-toivotun materiaalin poistamiseksi. Seuraavaksi nikkeliä tai nikkelikobolttia pinnoitetaan jäljelle jääneen resistimateriaalin päälle, joka sitten poistetaan toisella liuottimella tai jopa fyysisellä halkaisulla, jolloin jäljelle jää lopullinen ruiskuvalutyökalu. Tätä työkalua käytetään tuotanto-osien valmistukseen. Prototyyppien valmistuksessa (piirroksen vasen puoli) tuloksena syntyvä metalli voi toimia osana.
Tarve suojata
Kun elektroniset komponentit tulevat lähemmäs toisiaan miniatyrisoiduissa sovelluksissa, tarve torjua sähkömagneettisia häiriöitä (EMI) kasvaa. Näin ollen lisäsuojausta saatetaan tarvita, sanoo Jack Black, myyntijohtaja Boldt Metronics Internationalissa (Palatine, IL), joka myy metallisia elektroniikkakomponentteja, mukaan lukien suojaukset. Hän lisää, että pienemmässä pakkauksessa on myös suurempi tarve poistaa lämpöä laitteesta, mikä voidaan tehdä käyttämällä lämpöä johtavia EMI-suojia, useampia tuulettimia ja tehokkaampia jäähdytyslevyjä.
Black huomauttaa, että kun piirilevyillä on vähemmän avointa aluetta, voi olla vaikeampaa käyttää EMI-suojaavia tiivisteitä, jotka hänen mukaansa tarvitsevat suuria pinta-aloja toimiakseen tehokkaasti. Näin ollen saatetaan tarvita pinta-asennettavia metallisia EMI-suojia, erityisesti jos käytetään kaksipuolisia levyjä.
Hän korostaa myös lisääntynyttä tarvetta prototyyppien valmistamiseen, kun osia pienennetään. ”Uudelleensuunnitteluvaihtoehdot ovat rajalliset pienemmän koon vuoksi”, Black huomauttaa. ”Monesti piirilevyjen asettelu on hyvin monimutkainen, ja niissä on enemmän kerroksia kuin ennen. Joten yksinkertaiset’korjaukset kehitysvaiheessa eivät ole enää yksinkertaisia. Mahdollisten ongelmien suunnittelu prototyyppivaiheessa mahdollistaa nopeamman markkinoille pääsyn.”
Lopuksi Black toteaa, että korkeampien taajuuksiensa vuoksi nopeammat komponentit lisäävät suojauksen tarvetta, olipa kyse sitten pienemmistä komponenteista tai ei. Näin ollen mitä pienempi laite on, sitä suurempi on tarve suojata, jotta voidaan leikata lisääntynyttä ristikkäiskeskustelun potentiaalia, koska useampia nopeita komponentteja voidaan sijoittaa pienemmälle alueelle.
5 näkökohtaa miniatyyrijärjestelmiin ja -moottoreihin
Kun asetetaan vaatimuksia järjestelmille, jotka voivat hyötyä miniatyrisoinnista yleensä ja mikromoottoreista erityisesti, Micro Mo Electronicsin kehittyneestä tutkimus- ja suunnittelutoiminnosta vastaava varapresidentti Steve O’Neil ehdottaa viittä tekijää, jotka on otettava huomioon:
1 Kustannukset: Monet ihmiset ajattelevat, että jos jokin on pienempi, sen pitäisi olla edullisempi. Miniatyrisoitujen tuotekomponenttien tuottamiseen saatetaan tarvita kalliita teknologioita.
2 Fysiikka: Pienessä koossa törmää erilaisiin ilmiöihin – ei makromaailman peilikuviin. Asioita, kuten miten materiaalit tarttuvat toisiinsa (stickion to be overcome) ja voiteluaineiden käyttäytyminen. Makromaailmassa voiteluaineet ja ylivoima ovat itsestäänselvyyksiä. Mikromaailmassa voiteluaine voi toimia liimana ja hiukkasten koko voi aiheuttaa ongelmia.
3 Tehottomuus: Komponenttien hyötysuhteisiin tarvitaan hyvää otetta, koska pienissä laitteissa ei ole suuria tehomarginaaleja, joilla pelata.
4 Asiantuntemus: Keskustele asiantuntevan toimittajan kanssa. Hyödynnä suunnittelun asiantuntemusta yrityksissä, jotka ovat erikoistuneet miniatyrisoituihin laitteisiin käytännön kritiikkiä varten.
5 Perustelut: Miksi miniatyrisoida, jos siihen ei ole liiketoiminnallista syytä? Hanki markkinoiden panos selkeää tavoitetta varten.