Mentionnez la miniaturisation et la plupart des ingénieurs de conception sont susceptibles de penser « électronique ». Il est vrai que dans le passé, les technologies et les exigences de fabrication ont poussé l’électronique vers des composants et des systèmes de plus en plus petits. Ces influences se répandent aujourd’hui, de sorte qu’elles sont évidentes dans toute une série de systèmes mécaniques de petite taille.
La volonté de réduire la taille a été stimulée par des besoins allant des applications médicales à l’automobile et à l’aérospatiale. Les concepteurs doivent concevoir des systèmes plus petits pour permettre l’accès au corps par des techniques peu invasives et pour intégrer plus de fonctions dans un volume donné afin de gagner du poids, de permettre la portabilité et de mieux utiliser l' »immobilier » coûteux du dispositif.
« C’est une évolution naturelle », déclare Tom Hicks, vice-président d’American Laubscher ALC (Farmingdale, NY). L’héritage de la société mère suisse se trouve dans l’industrie horlogère, fabriquant de petites pièces depuis plus de 100 ans. Aujourd’hui, American Laubscher produit des composants miniatures et micromécaniques pour ce que M. Hicks appelle « des applications allant du capteur à l’actionneur », des plaquettes de silicium aux engrenages mécaniques et aux roulements. Ces composants sont utilisés dans des systèmes allant des spectromètres et débitmètres miniatures aux analyseurs sanguins de la taille d’un picolitre.
« Au cours des 25 dernières années, la miniaturisation de l’électronique a été rythmée par l’économie d’échelle », mettant plus de performance dans des boîtiers plus petits à des coûts plus bas, dit Hicks. « Au début, il n’y avait pas de miniaturisation similaire du côté mécanique – des boîtiers électroniques de plus en plus petits contrôlaient encore de grands modules et systèmes mécaniques. » Mais à partir du milieu des années 80, note-t-il, le développement de techniques chirurgicales mini-invasives, telles que le prélèvement de veines et les procédures par cathéter, a nécessité des dispositifs mécaniques de plus en plus petits. Les petits dispositifs fournissaient également lumière et vision aux chirurgiens travaillant à l’intérieur du corps. « Aujourd’hui, cette tendance est renforcée par la demande des technologies de l’information pour les dispositifs de télécommunication et de fibre optique qui nécessitent des connexions, des mises au point et des commutations, le tout dans des dispositifs de petite taille, dit-il.
Mini moteurs. Les applications médicales stimulent également la fabrication de dispositifs miniatures purement mécaniques. Par exemple, Hicks cite une sonde transoesophagienne American Laubscher, fabriquée par Precipart, une société sœur d’ALC, qui implique une tête d’engrenage de 6 mm alimentée par un moteur de diamètre encore plus petit de Micro Mo Electronics (Clearwater, FL). La tête d’engrenage déplace un transducteur d’ultrasons pour l’imagerie à l’intérieur de l’œsophage. Ces petits moteurs doivent être très efficaces, car il n’y a pas beaucoup de puissance disponible pour les faire fonctionner, note-t-il.
En ce qui concerne les moteurs eux-mêmes, la volonté de miniaturiser la puissance n’a pas seulement été alimentée par le désir d’avoir des équipements multifonctions et portables pour des utilisations médicales, de test et de mesure, mais aussi par l’industrie aérospatiale, note le vice-président de la recherche et de la planification avancées de Micro Mo Electronics, Steve O’Neil. Dans les avions et les engins spatiaux, dit-il, « le poids est important. Un poids plus élevé du véhicule, y compris des composants tels que les moteurs, signifie une charge utile moindre et des coûts de lancement plus élevés. Dans les applications médicales, des systèmes portables moins coûteux, par exemple pour l’imagerie, permettent de réduire les coûts des soins, car les procédures peuvent être effectuées dans le cabinet d’un médecin ou dans un centre de diagnostic mobile. Les dépenses d’équipement sont également réparties sur un plus grand nombre de patients. » M. O’Neil cite les moteurs, les entraînements et les contrôleurs de l’entreprise utilisés dans des applications allant du positionnement de l’optique pour l’imagerie et l’inspection aux opérations de fabrication de plaquettes de silicium telles que le découpage précis. Les systèmes portables peuvent amener une fonction là où elle est nécessaire dans une usine, plutôt que d’avoir un grand actif fixe moins flexible.
Le principal catalyseur des micromoteurs a été le progrès des matériaux, dit O’Neil – du fil et des aimants aux boîtiers. « La technologie de base du moteur n’a pas changé », note-t-il. « Ce qui a changé, ce sont les matériaux :
Dans le fil, des rendements plus élevés dans l’isolation et des modifications de conception pour intégrer le dissipateur thermique permettent des boîtiers plus petits.
Dans les aimants, la progression au cours des dix dernières années environ de la céramique au samarium-cobalt et maintenant au néodyme-fer-bore a fait bondir la densité du flux magnétique.
Dans les boîtiers, le plastique moulé par injection a supplanté les aciers inoxydables. »
Il en résulte des moteurs plus performants dans des boîtiers plus petits.
Les facilitateurs technologiques. En fait, les matériaux et les procédés de fabrication sont la clé de la miniaturisation. Par exemple, l’Américain Laubscher a modifié la photolithographie utilisée pour fabriquer des microcircuits afin de produire des micromoules pour une variété de systèmes microélectromécaniques (MEMS). Auparavant, ces pièces auraient été fabriquées à partir de métaux, ce qui signifiait des taux de production plus faibles et des coûts de production et de matériaux plus élevés. Le procédé, appelé LIGA (acronyme de l’allemand pour lithographic galvanic manu- facturing), produit des micromoules qui permettent de mouler par injection des matériaux tels que les polymères à cristaux liquides (LCP) avec des tolérances de quelques microns (voir encadré). À titre d’exemple, Tom Hicks cite une virole de fibre optique (connecteur) qui était auparavant micro-usinée avec précision dans du métal. Aujourd’hui, la pièce est fabriquée par LIGA à partir de LCP avec une erreur composite totale de 6 microns, ce qui inclut l’ouverture, le diamètre extérieur et la tolérance de l’orifice d’entrée (emplacement et diamètre). Les moules LIGA peuvent être suffisamment précis pour permettre des tolérances de finition de surface de la pièce en angströms, selon Hicks.
Il note que les méthodes de fabrication précédentes sont « soustractives », impliquant l’enlèvement de matériau pour former une pièce finie. Les matrices formées par galvanisation sont, comme le dit Hicks, « capables de contourner le « plancher de verre » – la limite inférieure de la taille et des tolérances en dessous de laquelle les méthodes soustractives ne pourraient pas aller parce que les propriétés mécaniques des matériaux traités ne supporteraient pas les forces utilisées pour enlever la matière ». En d’autres termes, les pièces seraient cisaillées ou ébréchées au lieu d’être coupées. »
D’autres produits fabriqués avec LIGA comprennent des raccords percés pour des injecteurs de carburant de précision et des imprimantes de type jet d’encre. Souvent, les matériaux utilisés dans ces applications percées ne peuvent pas être percés par des micro-forets ou des lasers sans fissures ou autres effets indésirables.
Hicks ajoute que « ce n’est pas seulement les matériaux ou le processus, mais la façon dont les deux s’associent. Vous avez besoin de matériaux conformes et de techniques de micromoulage, comme la possibilité de mouler par injection une petite quantité de plastique. » Les applications médicales de LIGA, notamment les tests pharmacologiques ou les essais de diagnostic, sont de bons exemples de l’association des matériaux et de la précision. Ces derniers ont besoin de canaux lisses et de poches moulées avec précision pour un mouvement fluide maximal afin de séparer rapidement, par exemple, une goutte de sang entier en une quantité précise pour la microanalyse. Avec le matériau approprié (pour l’affinité avec le sang) moulé avec précision, lorsqu’une goutte de sang s’écoule dans le test, l’hémoglobine (globules rouges) est séparée du plasma et une quantité précise, en dizaines de picolitres, s’écoule pour l’analyse sans la présence d’oxygène qui peut fausser les résultats des tests. En moulant de tels dispositifs, ils sont suffisamment bon marché pour être jetables, évitant ainsi tout souci de contamination lors de la réutilisation.
Avec des composants rentables et précis, les diagnostics et in- struments portatifs s’articulent autour du mariage de l’électronique, des capteurs et des sources et moteurs à faible puissance directement dans le produit final. Selon M. Hicks, la pression est donc mise sur les concepteurs de composants mécaniques pour qu’ils réduisent encore plus leur part d’un dispositif.
Enfin, M. Hicks note un développement MEMS intéressant à surveiller appelé Digital AngelTM (Digital Angel, Hauppauge, NY). Les concepteurs visent ici à implanter un circuit MEMS flexible sous la peau, ou dans des objets personnels ou des œuvres d’art, ce qui permet de surveiller et de suivre l’objet ou la personne par satellite GPS (voir schéma). Les applications humaines peuvent inclure la surveillance médicale et le suivi des patients, des enfants ou du personnel militaire.
Le scientifique en chef Peter Zhou affirme que les technologies clés sont de petites puces d’identification par radiofréquence (RFID) implantables, des batteries rechargeables, des capteurs et une antenne micro-ondes de moins d’un pouce de long. Le porteur, des alarmes programmées ou une installation à distance pourraient activer le dispositif. Pour les applications quotidiennes, les données médicales pourraient être téléchargées vers un emplacement central par un téléphone cellulaire ou une liaison modem PC.
De telles interactions entre l’électronique et les développements mécaniques semblent se poursuivre, avec des résultats encore plus synergiques à venir.
7 conseils pour la conception de la miniaturisation
Le vice-président américain de Laubscher, Tom Hicks, propose quelques points à prendre en compte lors de la conception de produits miniaturisés :
1 Les valeurs du manuel pour les caractéristiques mécaniques des matériaux ne sont presque jamais exactes. Vous n’avez pas besoin d’une masse « excessive » pour avoir de la résistance. Les contraintes de portage par rapport à la masse, une fois passés certains seuils, produisent des effets similaires à la grande force par rapport au poids d’une fourmi. Vous pouvez utiliser des sections plus fines.
2 Les méthodes de mesure de la qualité et de l’inspection deviennent plus spécialisées. Vous utilisez beaucoup plus l’inspection optique parce que vous ne pouvez pas mettre des sondes mécaniques là où vous voulez aller.
3 Plus vous allez petit mécaniquement, plus vous manipulez les composants et les dispositifs comme vous le feriez pour l’électronique. Ils sont trop petits pour être touchés directement, et vous devez assembler les composants rapidement, par exemple directement dans le moule d’injection, pour éviter toute contamination potentielle. Comme pour l’électronique, l’assemblage sur bande de production peut être utilisé pour faciliter l’emballage et la manipulation.
4 La tension superficielle des fluides est très différente de celle du macromonde. Le rapport entre la surface disponible et la masse du fluide est très élevé. Les caractéristiques de mouillage de la microsurface sont critiques.
5 La propreté est prise pour acquise. La poussière semble importante par rapport à ce que l’on fabrique. Une salle blanche de niveau classe 10 au moins est nécessaire, mais le niveau exact dépend de l’endroit où un dispositif ira – des niveaux minimaux sont nécessaires pour les engrenages (sauf pour un usage médical dans le corps humain) tandis que la poussière dans les produits optiques peut grandement affecter les performances.
6 Les concepts de macro-conception peuvent être traduits en micro-conceptions assez souvent avec l’application de plusieurs technologies disponibles. Un concepteur peut profiter de l’expertise de ceux qui travaillent dans ce domaine. Les méthodes comprennent non seulement la lithographie pour le moulage par injection des plastiques ou des métaux, mais aussi l’usinage par décharge électrique (EDM) à fil pour enlever la matière afin de former un moule, l’ablation au laser et le dépôt ionique ou galvanique.
7 Le prix finit généralement par être plus élevé. Votre produit peut-il se permettre de coûter, par exemple, 1,5 cent contre 0,1 cent pour une pièce macro ?
Fabrication de micro-moules à injection
Les moules LIGA formés par galvanisation permettent d’obtenir des pièces en plastique avec des tolérances allant jusqu’à 60,0001 pouce (2 microns). Le nom vient de l’allemand pour la fabrication galvanique (placage) lithographique. Contrairement à la fabrication similaire de micropuces à semi-conducteurs, les moules à injection LIGA pour les pièces en plastique sont d’abord disposés avec un masque photorésistant plus épais. Des longueurs d’onde plus courtes, jusqu’aux rayons X, qui sont plus fortement collimatés, bombardent la réserve sous-jacente non masquée, qui peut être en silicium ou en plastique. La structure exposée est ensuite « développée » (réduite) par un solvant ou une gravure ionique pour éliminer ce matériau indésirable. Ensuite, du nickel ou du nickel-cobalt est plaqué sur le matériau de réserve restant, qui est ensuite éliminé par un autre solvant ou même par fissuration physique, laissant l’outil final de moulage par injection. Cet outil est utilisé pour fabriquer des pièces de production. Pour le prototypage (côté gauche du dessin), le métal résultant peut fonctionner comme la pièce.
Le besoin de blindage
A mesure que les composants électroniques se rapprochent dans les applications miniaturisées, le besoin de contrer les interférences électromagnétiques (EMI) augmente. Ainsi, un blindage supplémentaire peut être nécessaire, déclare Jack Black, directeur des ventes de Boldt Metronics International (Palatine, IL), un vendeur de composants électroniques métalliques, notamment de blindages. Et, ajoute-t-il, un boîtier plus petit a également un besoin accru d’évacuer la chaleur du dispositif, ce qui peut être fait en utilisant des blindages EMI thermoconducteurs, plus de ventilateurs et des dissipateurs thermiques plus efficaces.
Black note qu’avec moins de biens immobiliers ouverts sur les cartes de circuits imprimés, il peut être plus difficile d’utiliser des joints de blindage EMI, qui, dit-il, ont besoin de grandes surfaces d’empreinte pour fonctionner efficacement. Ainsi, les blindages EMI métalliques montés en surface peuvent être appelés, en particulier si des cartes à double face sont utilisées.
Il souligne également le besoin accru de prototyper des pièces lors de la miniaturisation. « Les options de reconception sont limitées en raison de la taille plus petite », souligne M. Black. « Bien souvent, la disposition de la carte est très compliquée, avec plus de couches qu’auparavant. Ainsi, les simples « corrections » de la phase de développement ne sont plus simples. Concevoir pour les problèmes potentiels au stade du prototype permet une entrée plus rapide sur le marché. »
Enfin, Black note qu’en raison de leurs fréquences plus élevées, les composants plus rapides font augmenter le besoin de blindage, que ce soit dans des composants plus petits ou non. Ainsi, plus un dispositif est petit, plus le besoin de blindage devient important, afin de couper le potentiel accru de diaphonie, car plus de composants à haute vitesse peuvent être placés dans une zone plus petite.
5 considérations pour les systèmes et les moteurs miniatures
Lors de l’établissement des exigences pour les systèmes qui peuvent bénéficier de la miniaturisation en général et des micromoteurs en particulier, Steve O’Neil, vice-président de la recherche avancée et de la planification de Micro Mo Electronics, propose cinq facteurs à prendre en compte :
1 Coût : Beaucoup de gens pensent que si quelque chose est plus petit, cela doit être moins cher. Des technologies coûteuses peuvent être nécessaires pour produire des composants de produits miniaturisés.
2 Physique : Vous rencontrez des phénomènes différents dans les petites tailles – pas des images miroir du macromonde. Des choses comme la façon dont les matériaux adhèrent les uns aux autres (collage à surmonter) et le comportement des lubrifiants. Dans le macro-monde, les lubrifiants et l’excès de puissance sont considérés comme acquis. Dans le micro-monde, le lubrifiant peut agir comme un adhésif et la taille des particules peut créer des problèmes.
3 Inefficacités : Il faut une bonne maîtrise des efficacités des composants car les petits appareils n’ont pas de grandes marges de puissance avec lesquelles jouer.
4 Expertise : Parlez à un fournisseur compétent. Faites appel à l’expertise en conception des entreprises spécialisées dans les équipements miniaturisés pour obtenir une critique pratique.
5 Justification : Pourquoi miniaturiser s’il n’y a pas de raison commerciale de le faire ? Obtenez l’avis du marché pour un objectif clair.
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