Ha megemlítjük a miniatürizálást, a legtöbb tervezőmérnök valószínűleg az “elektronikára” gondol. Igaz, hogy a múltban a gyártástechnológiák és a követelmények az elektronikát az egyre kisebb alkatrészek és rendszerek felé terelték. Ezek a hatások mostanra elterjedtek – olyannyira, hogy a különféle kicsinyített mechanikai alapú rendszerekben is megmutatkoznak.
A kicsinyítésre való törekvést az orvosi alkalmazásoktól az autóiparig és a repülésig terjedő igények ösztönözték. A tervezőknek kisebb rendszerekkel kell előállniuk, hogy lehetővé tegyék a testhez való hozzáférést minimálisan invazív technikákkal, és hogy több funkciót pakoljanak adott térfogatba a súlycsökkentés, a hordozhatóság és a drága eszköz “ingatlanok” jobb kihasználása érdekében.”
“Ez egy természetes fejlődés” – mondja Tom Hicks, az American Laubscher ALC (Farmingdale, NY) alelnöke. A cég svájci anyavállalatának öröksége az óraiparban van, több mint 100 éve gyárt kis alkatrészeket. Ma az American Laubscher miniatűr és mikromechanikai alkatrészeket gyárt a Hicks által “érzékelőtől az aktuátorokig” terjedő alkalmazásokhoz, a szilícium ostyáktól a mechanikus fogaskerekekig és csapágyakig. Ezeket a miniatűr spektrométerektől és áramlásmérőkön át a pikoliter méretű vérelemző készülékekig számos rendszerben használják.
“Az elmúlt 25 évben az elektronika miniatürizálását a méretgazdaságosság vezérelte” – mondja Hicks, aki szerint a nagyobb teljesítményt kisebb csomagokban, alacsonyabb költségek mellett helyezték el. “Korábban nem volt hasonló miniatürizálás a mechanikai oldalon – a kisebb és kisebb elektronikai csomagok még mindig nagy modulokat és mechanikai rendszereket irányítottak.” A 80-as évek közepétől kezdve azonban – jegyzi meg – a minimálisan invazív sebészeti technikák, például a vénagyűjtés és a katéteres eljárások fejlődése egyre kisebb mechanikai eszközöket követelt meg. A kis eszközök fényt és látást is biztosítottak a test belsejében dolgozó sebészek számára. “Ma ehhez a lendülethez járulnak hozzá az információtechnológiai igények a távközlési és száloptikai eszközök iránt, amelyeknek csatlakoztatásra, fókuszálásra és kapcsolásra van szükségük”, mindezt kis méretű eszközökben, mondja.
Mini motorok. Az orvosi alkalmazások is felgyorsítják a tisztán mechanikus miniatűr eszközök gyártását. Hicks példaként említi az ALC testvérvállalata, a Precipart által gyártott amerikai Laubscher transoesophagialis szondát, amely egy 6 mm-es fogaskerékfejet tartalmaz, amelyet a Micro Mo Electronics (Clearwater, FL) még kisebb átmérőjű motorja hajt. A fogaskerékfej egy ultrahangos jelátalakítót mozgat a nyelőcső belsejéből történő képalkotáshoz. Az ilyen kis méretű motoroknak nagyon hatékonyaknak kell lenniük, mivel nem sok energia áll rendelkezésre a működtetésükhöz, jegyzi meg.
Ami magukat a motorokat illeti, a teljesítmény miniatürizálására irányuló törekvést nem csak az orvosi, tesztelési és mérési célokra szolgáló többfunkciós, hordozható berendezések iránti vágy táplálta, hanem a repülőgépipar is, jegyzi meg Steve O’Neil, a Micro Mo Electronics fejlett kutatásért és tervezésért felelős alelnöke. A légi és űrhajózásban, mondja, “a súly fontos. A nagyobb járműtömeg, beleértve az olyan alkatrészeket, mint a motorok, kevesebb hasznos terhet és magasabb indítási költségeket jelent. Az orvosi alkalmazásokban az alacsonyabb költségű, hordozható rendszerek, például a képalkotáshoz, alacsonyabb ellátási költségeket jelentenek, mivel az eljárásokat orvosi rendelőben vagy mobil diagnosztikai központban lehet elvégezni. A berendezés költségei is több betegre oszlanak el.” O’Neil említi a vállalat motorjait, meghajtásait és vezérlőit, amelyeket a képalkotáshoz és ellenőrzéshez használt optikai pozícionálástól kezdve a szilíciumszelet-gyártási műveletekig, például a precíz szeletelésig használnak. A hordozható rendszerekkel a funkciót oda lehet vinni, ahol az üzemben szükség van rá, ahelyett, hogy egy kevésbé rugalmas, nagyméretű fix eszközzel rendelkeznénk.
O’Neil szerint a mikromotorok fő támogatója az anyagok terén elért fejlődés volt – a huzaloktól és mágnesektől a házakig. “Az alapvető motortechnológia nem változott” – jegyzi meg. “Ami változott, azok az anyagok:
A huzaloknál a nagyobb hatékonyságú szigetelés és a hőelvezetés beépítésére irányuló tervezési változások kisebb csomagokat tesznek lehetővé.
A mágneseknél az elmúlt körülbelül tíz évben a kerámiától a szamárium-kobaltig és most a neodímium-vas-bórig tartó fejlődés megnövelte a mágneses fluxussűrűséget.
A házakban a fröccsöntött műanyag kiszorította a rozsdamentes acélokat.”
Az eredmény: nagyobb teljesítményű motorok kisebb csomagokban.
Technológia lehetővé tevő tényezők. Valójában az anyagok és a gyártási eljárások kulcsfontosságúak a miniatürizáláshoz. Az amerikai Laubscher például módosította a mikroáramkörök gyártásához használt fotolitográfiát, hogy mikroformákat állítson elő különféle mikroelektromechanikus rendszerekhez (MEMS). Ezt megelőzően az ilyen alkatrészeket fémekből gyártották volna, ami alacsonyabb gyártási sebességet és magasabb gyártási és anyagköltséget jelentett. A LIGA (a német lithográfiai galvanikus gyártás rövidítése) nevű eljárással olyan mikroszerszámokat állítanak elő, amelyek lehetővé teszik az olyan anyagok, mint például a folyadékkristályos polimerek (LCP) néhány mikronos tűréshatáron belüli fröccsöntését (lásd az oldalsávot). Tom Hicks példaként említ egy optikai szálakból készült ferrule-t (csatlakozót), amelyet korábban precíziós mikromegmunkálással készítettek fémből. Ma az alkatrészt LIGA LCP-ből készítik 6 mikronos teljes összetett hibával – ami magában foglalja a nyílás, a külső átmérő és a belépőnyílás (hely és átmérő) toleranciájának felépítését. Hicks szerint a LIGA-formák elég pontosak ahhoz, hogy az alkatrész felületi tűrése angströmben mérhető legyen.
Megjegyzi, hogy a korábbi gyártási módszerek “szubtraktívak”, azaz anyageltávolítással járnak a kész alkatrész kialakításához. A galvanikusan kialakított szerszámok, ahogy Hicks fogalmaz, “képesek megkerülni az üvegpadlót – a méret és a tűrések alsó határát, amely alá a szubtraktív módszerek nem mehetnek, mert a kezelt anyagok mechanikai tulajdonságai nem bírnák el az anyag eltávolításához használt erőket. Más szóval, az alkatrészek vágás helyett nyíródnának vagy forgácsolódnának.”
A LIGA-val készült egyéb termékek közé tartoznak a precíziós üzemanyag-befecskendezők és tintasugaras nyomtatók lyukacsos szerelvényei. Az ilyen portos alkalmazásokban használt anyagokat gyakran nem lehet mikrofúróval vagy lézerrel repedés vagy más nemkívánatos hatások nélkül átszúrni.”
Hicks hozzáteszi: “Nem csak az anyagokról vagy a folyamatról van szó, hanem arról, hogy a kettő hogyan jön össze. Megfelelő anyagokra és mikroformázási technikákra van szükség, például arra, hogy egy kis lövedéknyi műanyagot fröccsöntéssel tudjunk formázni”. Jó példák az anyagok és a precizitás együttes alkalmazására az orvosi LIGA alkalmazásokban, beleértve a farmakológiai tesztelést vagy a diagnosztikai vizsgálatokat. Ez utóbbiaknak sima csatornákra és precíziósan formázott zsebekre van szükségük a maximális folyadékmozgás érdekében, hogy gyorsan szétválasszanak például egy csepp teljes vért egy pontos mennyiségre a mikroelemzéshez. A megfelelő anyaggal (a vér affinitásához) pontosan megformázva, amikor egy csepp vér a vizsgálatba áramlik, a hemoglobin (vörösvérsejtek) elválik a plazmától, és egy pontos, több tíz pikoliteres mennyiség áramlik az elemzéshez anélkül, hogy oxigén jelenléte torzítaná a vizsgálati eredményeket. Az ilyen eszközök öntéssel elég olcsók ahhoz, hogy eldobhatóak legyenek, így elkerülhetők az újrafelhasználás során a szennyeződéssel kapcsolatos aggályok.
A költséghatékony, precíziós alkatrészek, a kézi diagnosztika és az in- strumentumok az elektronika, az érzékelők, valamint a kis teljesítményű források és motorok házasságán múlik közvetlenül a végtermékben. Így Hicks szerint a mechanikus alkatrészek tervezőire is nyomás nehezedik, hogy a saját részüket is még kisebbé tegyék.
Végezetül Hicks egy érdekes MEMS-fejlesztésre hívja fel a figyelmet, amelynek neve Digital AngelTM (Digital Angel, Hauppauge, NY). Itt a tervezők célja, hogy egy rugalmas MEMS áramkört ültessenek a bőr alá, vagy személyes tárgyakba vagy műalkotásokba, amely lehetővé teszi a tárgy vagy személy GPS műholddal történő megfigyelését és követését (lásd az ábrát). Az emberi alkalmazások közé tartozhat a betegek, gyermekek vagy katonai személyzet orvosi megfigyelése és nyomon követése.
Peter Zhou vezető kutató szerint a kulcsfontosságú technológiák a kisméretű, beültethető rádiófrekvenciás azonosító (RFID) chipek, az újratölthető elemek, az érzékelők és a kevesebb mint egy hüvelyk hosszú mikrohullámú antenna. Az eszközt a viselője, programozott riasztások vagy egy távoli létesítmény aktiválhatja. A mindennapi alkalmazásokban az orvosi adatokat mobiltelefonon vagy PC-modemkapcsolaton keresztül lehetne egy központi helyre letölteni.
Az elektronika és a mechanikai fejlesztések ilyen kölcsönhatása folytatódni látszik, és még több szinergikus eredmény várható.
7 tipp a miniatürizálás tervezéséhez
Amerikai Laubscher alelnöke, Tom Hicks néhány pontot ajánl, amelyeket figyelembe kell venni a miniatürizált termékek tervezésénél:
1 A mechanikai anyagjellemzők kézikönyvbeli értékei szinte soha nem pontosak. Nem kell “túlzott” tömeg a szilárdsághoz. A tömeghez viszonyított hordozófeszültségek, amint átlépnek bizonyos küszöbértékeket, a hangyák nagy szilárdságához hasonló hatásokat eredményeznek. Használhat vékonyabb szelvényeket.
2 A minőség- és ellenőrző mérési módszerek egyre specializálódnak. Sokkal több optikai ellenőrzést alkalmazunk, mert a mechanikus szondákat nem tudjuk oda juttatni, ahová szeretnénk.
3 Minél kisebbre megyünk mechanikusan, annál inkább úgy kezeljük az alkatrészeket és az eszközöket, mint az elektronikát. Túl kicsik ahhoz, hogy közvetlenül megérintse őket, és az alkatrészeket gyorsan kell összeszerelnie, például közvetlenül a fröccsöntőformában, hogy elkerülje az esetleges szennyeződéseket. Az elektronikához hasonlóan a gyártószalagos összeszerelés is használható a csomagolás és a kezelés megkönnyítésére.
4 A folyadékok felületi feszültsége nagyon különbözik a makrovilágtól. A rendelkezésre álló felület és a folyadék tömegének aránya nagyon ferde. A mikrofelület nedvesedési tulajdonságai kritikusak.
5 A tisztaságot természetesnek vesszük. A por nagynak tűnik ahhoz képest, amit készít. Legalább 10-es osztályú tiszta helyiségre van szükség, de a pontos szint attól függ, hogy hová kerül az eszköz – a fogaskerekekhez minimális szintre van szükség (kivéve, ha orvosi felhasználásra az emberi testen belül), míg az optikai termékekben a por nagymértékben befolyásolhatja a teljesítményt.
6 A makrotervezési koncepciókat elég gyakran le lehet fordítani mikrotervekre több rendelkezésre álló technológia alkalmazásával. A tervező kihasználhatja a területen dolgozók szakértelmét. A módszerek között nemcsak a műanyag vagy fémek fröccsöntésére szolgáló litográfián alapuló, hanem a huzalos elektromos kisüléses megmunkálás (EDM) az anyag eltávolítására a forma kialakításához, a lézeres abláció, valamint az ion- vagy galvanikus leválasztás is szerepel.
7 Az ár általában magasabb. Megengedheti-e magának a terméke, hogy mondjuk 1,5 centbe kerüljön, szemben egy makro alkatrész 0,1 centjével?
Mikro fröccsöntőforma gyártás
A galvanikusan kialakított LIGA-formák 60,0001 inch (2 mikron) tűréshatárú műanyag alkatrészeket eredményeznek. A név a német litográfiai galvanikus (galvanizáló) gyártás szóból származik. A félvezető mikrochipek hasonló gyártásával ellentétben a műanyag alkatrészek LIGA-formázott fröccsöntőformáit először egy vastagabb fotoreziszt maszkkal fektetik le. A rövidebb hullámhosszú, egészen a röntgensugárzásig terjedő, erősebben kollimált sugárzással bombázzák a maszk nélküli, alatta lévő rezisztet, amely lehet szilícium vagy műanyag. Az exponált struktúrát ezután oldószerrel vagy ionmaratással “fejlesztik” (redukálják), hogy eltávolítsák ezt a nem kívánt anyagot. Ezután nikkel vagy nikkel-kobalt bevonat kerül a megmaradt rezisztanyagra, amelyet aztán egy másik oldószerrel vagy akár fizikai repedéssel távolítanak el, így marad a végleges fröccsöntőszerszám. Ezt a szerszámot használják a gyártási alkatrészek gyártására. Prototípusgyártásnál (a rajz bal oldala) az így kapott fém működhet alkatrészként.
Az árnyékolás szükségessége
Amint az elektronikai alkatrészek egyre közelebb kerülnek egymáshoz a miniatürizált alkalmazásokban, úgy nő az elektromágneses interferencia (EMI) elleni védelem igénye. Így további árnyékolásra lehet szükség, mondja Jack Black, a Boldt Metronics International (Palatine, IL) értékesítési igazgatója, a fém elektronikai alkatrészek, köztük az árnyékolások szállítója. Hozzáteszi, hogy egy kisebb csomagban nagyobb szükség van a hő elvezetésére is az eszközből, amit hővezető EMI-pajzsok, több ventilátor és hatékonyabb hűtőbordák segítségével lehet megoldani.
Black megjegyzi, hogy mivel az áramköri lapokon kevesebb a szabad terület, nehezebb lehet EMI-árnyékoló tömítések használata, amelyeknek szerinte nagy alapterületre van szükségük a hatékony működéshez. Így a felületre szerelt fém EMI-árnyékolások alkalmazása válhat szükségessé, különösen, ha kétoldalas lapokat használnak.
Kiemeli továbbá, hogy miniatürizáláskor az alkatrészek prototípusának megnövekedett szükségességét. “Az áttervezési lehetőségek a kisebb méret miatt korlátozottak” – mutat rá Black. “Sokszor a lapkiosztás nagyon bonyolult, több réteggel, mint korábban. Így a fejlesztési szakaszban lévő egyszerű’javítások már nem egyszerűek. A lehetséges problémák prototípus fázisban történő megtervezése lehetővé teszi a gyorsabb piacra lépést.”
Végezetül Black megjegyzi, hogy a magasabb frekvenciák miatt a gyorsabb alkatrészek megnövelik az árnyékolás szükségességét, akár kisebb alkatrészekben, akár nem. Így minél kisebb egy eszköz, annál nagyobb szükség van az árnyékolásra, hogy csökkentsük a megnövekedett keresztbeszélgetés lehetőségét, mivel több nagysebességű alkatrész helyezhető el kisebb területen.
5 szempont a miniatűr rendszerek és motorok esetében
A miniatürizálásból általában és a mikromotorokból különösen profitáló rendszerek követelményeinek felállításakor Steve O’Neil, a Micro Mo Electronics fejlett kutatásért és tervezésért felelős alelnöke öt tényezőt ajánl figyelembe venni:
1 Költség: Sokan azt gondolják, hogy ha valami kisebb, akkor annak olcsóbbnak is kell lennie. A miniatürizált termékalkatrészek előállításához drága technológiákra lehet szükség.
2 Fizika: Kis méretben más jelenségekbe ütközünk – nem a makrovilág tükörképei. Olyan dolgok, mint például az anyagok egymáshoz tapadása (leküzdendő tapadás) és a kenőanyagok viselkedése. A makrovilágban a kenőanyagokat és a túlerőt természetesnek vesszük. A mikrovilágban a kenőanyag ragasztóanyagként viselkedhet, és a részecskék mérete problémákat okozhat.
3 Hatékonysági hiányosságok: Jól kell kezelni az alkatrészek hatásfokát, mert a kis eszközöknek nincs nagy teljesítménytartományuk, amivel játszhatnának.
4 Szakértelem: Beszéljen egy hozzáértő beszállítóval. Használja ki a miniatürizált berendezésekre szakosodott vállalatok tervezési szakértelmét a gyakorlati kritikához.
5 Indoklás: Miért miniatürizáljon, ha nincs rá üzleti ok? Szerezzen be piaci inputot az egyértelmű cél érdekében.