Parlando di miniaturizzazione, la maggior parte dei progettisti probabilmente penserà all’elettronica. È vero che in passato le tecnologie e i requisiti di fabbricazione hanno spinto l’elettronica verso componenti e sistemi sempre più piccoli. Queste influenze si stanno ora diffondendo in modo da essere evidenti in una varietà di sistemi basati sulla meccanica in miniatura.
La spinta al ridimensionamento è stata stimolata da esigenze che vanno dalle applicazioni mediche a quelle automobilistiche e aerospaziali. I progettisti devono trovare sistemi più piccoli per consentire l’accesso al corpo attraverso tecniche minimamente invasive e per imballare più funzioni in un dato volume per risparmiare peso, consentire la portabilità e utilizzare meglio il costoso “immobile” del dispositivo.”
“È un’evoluzione naturale”, dice Tom Hicks, vice presidente di American Laubscher ALC (Farmingdale, NY). L’eredità della casa madre svizzera dell’azienda è nell’industria dell’orologeria, producendo piccole parti per più di 100 anni. Oggi, American Laubscher produce componenti miniaturizzati e micromeccanici per ciò che Hicks chiama “applicazioni dal sensore all’attuatore”, dai wafer di silicio agli ingranaggi meccanici e ai cuscinetti. Questi sono usati in sistemi che vanno da spettrometri e misuratori di flusso in miniatura ad analizzatori di sangue in formato picolitri.
“Negli ultimi 25 anni, la miniaturizzazione nell’elettronica è stata accelerata dall’economia di scala”, mettendo più prestazioni in pacchetti più piccoli a costi inferiori, dice Hicks. “All’inizio non c’era una miniaturizzazione simile sul lato meccanico – pacchetti elettronici sempre più piccoli controllavano ancora grandi moduli e sistemi meccanici”. Ma dalla metà degli anni ’80, nota, lo sviluppo di tecniche chirurgiche minimamente invasive, come il prelievo di vene e le procedure basate su cateteri, ha richiesto dispositivi meccanici sempre più piccoli. I piccoli dispositivi fornivano anche luce e visione ai chirurghi che lavoravano all’interno del corpo. “Oggi a questa spinta si aggiungono le richieste della tecnologia dell’informazione per le telecomunicazioni e i dispositivi a fibre ottiche che hanno bisogno di connessione, messa a fuoco e commutazione”, il tutto all’interno di dispositivi su piccola scala, dice.
Mini motori. Le applicazioni mediche stanno anche stimolando la produzione di dispositivi miniaturizzati puramente meccanici. Per esempio, Hicks cita una sonda transesofagea American Laubscher, prodotta dalla società sorella di ALC, Precipart, che coinvolge una testa a ingranaggi di 6 mm alimentata da un motore di diametro ancora più piccolo di Micro Mo Electronics (Clearwater, FL). La testa dell’ingranaggio muove un trasduttore a ultrasuoni per l’imaging dall’interno dell’esofago. Questi piccoli motori devono essere molto efficienti poiché non è disponibile molta potenza per farli funzionare, nota.
Per quanto riguarda i motori stessi, la spinta a miniaturizzare la potenza non è stata alimentata solo dal desiderio di apparecchiature multifunzione e portatili per usi medici, di test e di misurazione, ma dall’industria aerospaziale, nota il vicepresidente della ricerca avanzata e della pianificazione di Micro Mo Electronics, Steve O’Neil. Nell’aria e nei veicoli spaziali, dice, “Il peso è importante. Più peso del veicolo, compresi i componenti come i motori, significa meno carico utile e costi di lancio più elevati. Nelle applicazioni mediche, i sistemi portatili a basso costo, come per l’imaging, significano costi di assistenza più bassi perché le procedure possono essere fatte in un ufficio del medico o in un centro diagnostico mobile. La spesa per l’attrezzatura è anche distribuita su più pazienti”. O’Neil cita i motori, gli azionamenti e i controllori dell’azienda utilizzati in applicazioni che vanno dal posizionamento delle ottiche per l’imaging e l’ispezione, alle operazioni di fabbricazione di wafer di silicio, come la cubettatura precisa. I sistemi portatili possono portare una funzione dove è necessario in un impianto, piuttosto che avere un asset fisso meno flessibile e di grandi dimensioni.
Il principale fattore abilitante dei micro motori è stato il progresso nei materiali, dice O’Neil, dal filo e dai magneti agli alloggiamenti. “La tecnologia di base del motore non è cambiata”, osserva. “Ciò che è cambiato sono i materiali:
Nel filo, la maggiore efficienza nell’isolamento e le modifiche al design per incorporare l’affondamento del calore permettono pacchetti più piccoli.
Nei magneti, la progressione negli ultimi dieci anni circa dalla ceramica al samario cobalto e ora al neodimio ferro boro ha aumentato la densità del flusso magnetico.
Negli alloggiamenti, la plastica stampata a iniezione ha soppiantato gli acciai inossidabili.”
Il risultato sono motori più capaci in pacchetti più piccoli. Infatti, i materiali e i processi di fabbricazione sono fondamentali per la miniaturizzazione. Per esempio, l’americano Laubscher ha modificato la fotolitografia usata per fabbricare microcircuiti al fine di produrre micromold per una varietà di sistemi microelettromeccanici (MEMS). Prima di questo, tali parti sarebbero state fabbricate da metalli, il che significava tassi di produzione inferiori e costi di produzione e di materiale più elevati. Il processo, chiamato LIGA (un acronimo dal tedesco per la fabbricazione galvanica litografica), produce micromold che permettono lo stampaggio a iniezione di materiali come i polimeri a cristalli liquidi (LCP) con tolleranze di alcuni micron (vedi barra laterale). Come esempio, Tom Hicks nota una ghiera (connettore) in fibra ottica che prima era microlavorata di precisione dal metallo. Oggi la parte è fatta in LIGA da LCP con un errore composito totale di 6 micron – che include l’apertura, il diametro esterno e la porta d’ingresso (posizione e diametro) di tolleranza. Gli stampi LIGA possono essere fatti abbastanza precisi da permettere tolleranze di finitura superficiale del pezzo in angstrom, dice Hicks.
Fa notare che i metodi di fabbricazione precedenti sono “sottrattivi”, e comportano la rimozione di materiale per formare un pezzo finito. Gli stampi formati galvanicamente sono, come lo definisce Hicks, “in grado di aggirare il glass’floor – il limite inferiore di dimensioni e tolleranze sotto il quale i metodi sottrattivi non potrebbero andare perché le proprietà meccaniche dei materiali trattati non sosterrebbero le forze usate per rimuovere il materiale. In altre parole, le parti verrebbero tranciate o scheggiate invece di essere tagliate.”
Altri prodotti realizzati con LIGA includono raccordi forati per iniettori di carburante di precisione e stampanti a getto d’inchiostro. Spesso i materiali usati in queste applicazioni non possono essere forati da microforatrici o laser senza incrinature o altri effetti indesiderati.
Hicks aggiunge che “Non si tratta solo di materiali o processi, ma di come entrambi si uniscono. Avete bisogno di materiali conformi e di tecniche di microstampaggio, come essere in grado di stampare a iniezione un piccolo pezzo di plastica”. Buoni esempi di materiali e precisione che si uniscono sono nelle applicazioni mediche LIGA, compresi i test farmacologici o i saggi diagnostici. Questi ultimi hanno bisogno di avere canali lisci e tasche modellate con precisione per il massimo movimento fluido per separare rapidamente, diciamo, una goccia di sangue intero in una quantità precisa per la microanalisi. Con il materiale appropriato (per l’affinità del sangue) modellato con precisione, quando una goccia di sangue scorre nel test, l’emoglobina (globuli rossi) viene separata dal plasma e una quantità precisa, in decine di picolitri, scorre per l’analisi senza la presenza di ossigeno che può alterare i risultati dei test. Stampando tali dispositivi, sono abbastanza economici da essere monouso, evitando qualsiasi preoccupazione per la contaminazione nel riutilizzo.
Con componenti di precisione e convenienti, la diagnostica portatile e gli strumenti si basano sul matrimonio di elettronica, sensori e fonti e motori a bassa potenza proprio nel prodotto finale. Così la pressione viene esercitata sui progettisti di componenti meccanici per rendere la loro parte di un dispositivo ancora più piccola, secondo Hicks.
Infine, Hicks nota un interessante sviluppo MEMS da tenere d’occhio chiamato Digital AngelTM (Digital Angel, Hauppauge, NY). Qui i progettisti mirano a impiantare un circuito MEMS flessibile sotto la pelle, o in oggetti personali o opere d’arte, che permette all’oggetto o alla persona di essere monitorato e tracciato dal satellite GPS (vedi schema). Le applicazioni umane possono includere il monitoraggio medico e il tracciamento di pazienti, bambini o personale militare.
Lo scienziato capo Peter Zhou dice che le tecnologie chiave sono piccoli chip impiantabili di identificazione a radiofrequenza (RFID), batterie ricaricabili, sensori e un’antenna a microonde lunga meno di un pollice. Chi lo indossa, allarmi programmati o una struttura remota potrebbero attivare il dispositivo. Per le applicazioni quotidiane, i dati medici potrebbero essere scaricati in una posizione centrale da un telefono cellulare o da un collegamento modem per PC.
Questa interazione tra elettronica e sviluppi meccanici sembra continuare, con risultati ancora più sinergici a venire.
7 consigli per la progettazione della miniaturizzazione
Il vicepresidente americano di Laubscher Tom Hicks offre alcuni punti da considerare nella progettazione di prodotti miniaturizzati:
1 I valori da manuale per le caratteristiche meccaniche dei materiali non sono quasi mai accurati. Non c’è bisogno di una massa “eccessiva” per avere resistenza. Le sollecitazioni relative alla massa, una volta superate certe soglie, producono effetti simili al grande rapporto forza-peso di una formica. Si possono usare sezioni più sottili.
2 I metodi di misurazione della qualità e dell’ispezione diventano più specializzati. Si usa molto di più l’ispezione ottica perché non si possono mettere sonde meccaniche dove si vuole andare.
3 Più si va in piccolo meccanicamente, più si maneggiano componenti e dispositivi come si maneggia l’elettronica. Sono troppo piccoli per essere toccati direttamente, e si dovrebbero assemblare i componenti rapidamente, ad esempio direttamente nello stampo a iniezione, per evitare una potenziale contaminazione. Come per l’elettronica, l’assemblaggio del nastro di produzione può essere usato per facilitare l’imballaggio e la manipolazione.
4 La tensione superficiale dei fluidi è molto diversa dal macromondo. Il rapporto tra la superficie disponibile e la massa del fluido è molto elevato. Le caratteristiche di bagnatura della microsuperficie sono critiche.
5 La pulizia è data per scontata. La polvere sembra grande rispetto a ciò che si produce. È necessaria almeno una camera bianca di classe 10, ma il livello esatto dipende da dove un dispositivo andrà – livelli minimi sono necessari per gli ingranaggi (a meno che non siano per uso medico all’interno del corpo umano) mentre la polvere nei prodotti ottici può influenzare notevolmente le prestazioni.
6 I concetti di macrodesign possono essere tradotti in microdesign molto spesso con l’applicazione di diverse tecnologie disponibili. Un progettista può trarre vantaggio dall’esperienza di coloro che sono nel campo. I metodi includono non solo quelli basati sulla litografia per lo stampaggio a iniezione della plastica o dei metalli, ma anche la lavorazione a filo con scarica elettrica (EDM) per rimuovere il materiale per formare uno stampo, l’ablazione laser e la deposizione ionica o galvanica.
7 Il prezzo solitamente finisce per essere più alto. Il vostro prodotto può permettersi di costare, diciamo, 1,5 centesimi contro 0,1 centesimi per una macroparte?
Fabbricazione di micro stampi a iniezione
Galvanicamente gli stampi LIGA risultano in parti di plastica con tolleranze fino a 60,0001 pollici (2 micron). Il nome deriva dal tedesco per la fabbricazione galvanica litografica (placcatura). In contrasto con una simile fabbricazione di microchip a semiconduttore, gli stampi a iniezione formati in LIGA per le parti in plastica sono prima disposti con una maschera fotoresistente più spessa. Lunghezze d’onda più corte, fino ai raggi X, che sono più altamente collimati, bombardano il resist smascherato, sottostante, che può essere silicio o plastica. La struttura esposta viene poi “sviluppata” (ridotta) da un solvente o dall’incisione ionica per rimuovere questo materiale indesiderato. Successivamente, il nichel o il cobalto di nichel viene placcato sul materiale di resistenza rimanente, che viene poi rimosso da un altro solvente o anche da un’incrinatura fisica, lasciando lo stampo a iniezione finale. Questo strumento è usato per fabbricare parti di produzione. Per la prototipazione (lato sinistro del disegno) il metallo risultante può funzionare come parte.
La necessità di schermare
Come i componenti elettronici si avvicinano nelle applicazioni miniaturizzate, la necessità di contrastare le interferenze elettromagnetiche (EMI) aumenta. Così può essere necessaria una schermatura aggiuntiva, dice Jack Black, direttore delle vendite per Boldt Metronics International (Palatine, IL), un fornitore di componenti elettronici in metallo, compresi gli schermi. E, aggiunge, un pacchetto più piccolo ha anche una maggiore necessità di rimuovere il calore dal dispositivo, che può essere fatto utilizzando schermi EMI termicamente conduttivi, più ventole e dissipatori di calore più efficaci.
Black nota che con meno spazio aperto sui circuiti, può essere più difficile usare guarnizioni schermanti EMI, che, dice, hanno bisogno di grandi aree di impronta per funzionare efficacemente. Così si può ricorrere a schermature EMI metalliche a montaggio superficiale, in particolare se si usano schede a doppia faccia.
Sottolinea anche la maggiore necessità di prototipare le parti quando si miniaturizza. “Le opzioni di riprogettazione sono limitate a causa delle dimensioni ridotte”, sottolinea Black. “Molte volte, il layout della scheda è molto complicato, con più strati di prima. Così i semplici’fix nella fase di sviluppo non sono più semplici. Progettare per i potenziali problemi nella fase di prototipo permette un ingresso più veloce nel mercato.”
Infine, Black nota che a causa delle loro frequenze più alte, i componenti più veloci fanno aumentare la necessità di schermatura, sia in componenti più piccoli che non. Così, più piccolo è un dispositivo, la necessità di schermare diventa maggiore, al fine di tagliare il potenziale aumentato di cross talk, come più componenti ad alta velocità possono essere collocati in un’area più piccola.
5 considerazioni per sistemi e motori in miniatura
Quando si impostano i requisiti per i sistemi che possono beneficiare della miniaturizzazione in generale e dei micro motori in particolare, Steve O’Neil, vice presidente di ricerca avanzata e pianificazione di Micro Mo Electronics, offre cinque fattori da prendere in considerazione:
1 Costo: Molte persone pensano che se qualcosa è più piccolo, dovrebbe essere meno costoso. Tecnologie costose possono essere necessarie per produrre componenti di prodotti miniaturizzati.
2 Fisica: Ci si imbatte in fenomeni diversi nelle piccole dimensioni, che non sono immagini speculari del macromondo. Cose come il modo in cui i materiali si attaccano l’uno all’altro (sticktion da superare) e il comportamento dei lubrificanti. Nel mondo macro, i lubrificanti e l’eccesso di potenza sono dati per scontati. Nel micro mondo, il lubrificante può agire come un adesivo e la dimensione delle particelle può creare problemi.
3 Inefficienze: È necessaria una buona gestione delle efficienze dei componenti perché i piccoli dispositivi non hanno grandi margini di potenza con cui giocare.
4 Competenza: Parlare con un fornitore competente. Sfruttate la competenza progettuale di aziende specializzate in apparecchiature miniaturizzate per una critica pratica.
5 Giustificazione: Perché miniaturizzare se non c’è una ragione commerciale per farlo? Ottenere l’input del mercato per un obiettivo chiaro.
Si può fare