Menționați miniaturizare și cei mai mulți ingineri proiectanți se vor gândi probabil la „electronică”. Este adevărat că, în trecut, tehnologiile și cerințele de fabricare au împins electronica spre componente și sisteme din ce în ce mai mici. Aceste influențe se răspândesc acum – astfel încât sunt evidente într-o varietate de sisteme micșorate bazate pe mecanică.
Drumul de reducere a dimensiunilor a fost stimulat de nevoi de la aplicații medicale până la cele din domeniul auto și aerospațial. Proiectanții sunt nevoiți să vină cu sisteme mai mici pentru a permite accesul la corp prin tehnici minim invazive și pentru a împacheta mai multe funcții într-un volum dat pentru a economisi greutate, a permite portabilitatea și a folosi mai bine „suprafața” scumpă a dispozitivului.
„Este o evoluție naturală”, spune Tom Hicks, vicepreședinte al American Laubscher ALC (Farmingdale, NY). Moștenirea părinților elvețieni ai companiei este în industria ceasurilor, fabricând piese mici de peste 100 de ani. Astăzi, American Laubscher produce componente miniaturale și micromecanice pentru ceea ce Hicks numește „aplicații de la senzori la actuatori”, de la plachete de siliciu la angrenaje mecanice și rulmenți. Acestea sunt utilizate în sisteme care variază de la spectrometre și debitmetre miniaturale la analizoare de sânge de dimensiuni de picolitri.
„În ultimii 25 de ani, miniaturizarea în electronică a fost ritmată de economia de scară”, punând mai multă performanță în pachete mai mici la costuri mai mici, spune Hicks. „La început nu a existat o astfel de miniaturizare similară pe partea mecanică – pachete electronice din ce în ce mai mici controlau încă module și sisteme mecanice mari.” Dar de la mijlocul anilor ’80, notează el, dezvoltarea tehnicilor chirurgicale minim invazive, cum ar fi recoltarea venelor și procedurile bazate pe catetere, a cerut dispozitive mecanice din ce în ce mai mici. Dispozitivele mici au furnizat, de asemenea, lumină și viziune chirurgilor care lucrează în interiorul corpului. „Astăzi, la acest impuls se adaugă cerințele tehnologiei informației pentru dispozitive de telecomunicații și de fibră optică care au nevoie de conectare, focalizare și comutare”, toate în cadrul unor dispozitive de mici dimensiuni, spune el.
Mini-motoare. Aplicațiile medicale stimulează, de asemenea, producția de dispozitive miniaturale pur mecanice. De exemplu, Hicks citează o sondă transesofagiană American Laubscher, fabricată de compania soră a ALC, Precipart, care implică un cap de angrenaj de 6 mm acționat de un motor cu un diametru și mai mic de la Micro Mo Electronics (Clearwater, FL). Capul angrenajului deplasează un transductor de ultrasunete pentru obținerea de imagini din interiorul esofagului. Motoarele atât de mici trebuie să fie foarte eficiente, deoarece nu este disponibilă prea multă energie pentru a le face să funcționeze, notează el.
În ceea ce privește motoarele în sine, dorința de miniaturizare a energiei nu a fost alimentată doar de dorința de a avea echipamente multifuncționale și portabile pentru utilizări medicale, de testare și măsurare, ci și de industria aerospațială, notează vicepreședintele pentru cercetare avansată și planificare de la Micro Mo Electronics, Steve O’Neil. În cazul navelor aeriene și spațiale, spune el, „Greutatea este importantă. O greutate mai mare a vehiculului, inclusiv a componentelor precum motoarele, înseamnă o încărcătură utilă mai mică și costuri de lansare mai mari. În aplicațiile medicale, sistemele portabile și mai puțin costisitoare, cum ar fi cele pentru imagistică, înseamnă costuri de îngrijire mai mici, deoarece procedurile pot fi efectuate în cabinetul medicului sau într-un centru de diagnosticare mobil. De asemenea, cheltuielile cu echipamentul sunt repartizate pe mai mulți pacienți.” O’Neil citează motoarele, acționările și controlerele companiei utilizate în aplicații de la poziționarea opticii pentru imagistică și inspecție, până la operațiunile de fabricare a plachetelor de siliciu, cum ar fi decuparea precisă. Sistemele portabile pot aduce o funcție acolo unde este nevoie de ea într-o fabrică, mai degrabă decât să aibă un activ fix de mari dimensiuni, mai puțin flexibil.
Principalul facilitator al micromotoarelor a fost progresul în ceea ce privește materialele, spune O’Neil – de la fire și magneți la carcase. „Tehnologia de bază a motorului nu s-a schimbat”, notează el. „Ceea ce s-a schimbat sunt materialele:
În cazul firelor, eficiența mai mare a izolației și schimbările de proiectare pentru a încorpora disiparea căldurii permit pachete mai mici.
În cazul magneților, progresia din ultimii zece ani sau cam așa ceva, de la ceramică la samariu-cobalt și acum la neodim fier-bronz a făcut ca densitatea fluxului magnetic să sară.
În carcase, plasticul turnat prin injecție a suplinit oțelurile inoxidabile.”
Rezultatul este motoare mai capabile în pachete mai mici.
Facilitatori de tehnologie. De fapt, materialele și procesele de fabricație sunt esențiale pentru miniaturizare. De exemplu, americanul Laubscher a modificat fotolitografia utilizată la fabricarea microcircuitelor pentru a produce micromucete pentru o varietate de sisteme microelectromecanice (MEMS). Înainte de aceasta, astfel de piese ar fi fost fabricate din metale, ceea ce ar fi însemnat rate de producție mai mici și costuri de producție și materiale mai mari. Procedeul, denumit LIGA (un acronim din germană pentru lithographic galvanic manu- facturing), produce micromolere care permit turnarea prin injecție a unor materiale precum polimerii cu cristale lichide (LCP) la toleranțe de câțiva microni (a se vedea caseta laterală). Ca exemplu, Tom Hicks notează o ferulă (conector) pentru fibre optice care, anterior, a fost micromecanizată cu precizie din metal. În prezent, piesa este fabricată LIGA din LCP până la o eroare compozită totală de 6 microni – ceea ce include acumularea de toleranțe pentru deschidere, diametru exterior și port de intrare (locație și diametru). Matrițele LIGA pot fi făcute suficient de precise pentru a permite toleranțe de finisare a suprafeței piesei în angstromi, spune Hicks.
El remarcă faptul că metodele anterioare de fabricare sunt „substractive”, implicând îndepărtarea de material pentru a forma o piesă finită. Matrițele formate galvanic sunt, după cum spune Hicks, „capabile să ocolească „glass’floor”-ul – limita inferioară a dimensiunilor și toleranțelor sub care metodele substractive nu ar putea merge deoarece proprietățile mecanice ale materialelor tratate nu ar suporta forțele folosite pentru a îndepărta materialul. Cu alte cuvinte, piesele ar fi forfecate sau ciobite în loc să fie tăiate.”
Alte produse realizate cu LIGA includ fitinguri perforate pentru injectoare de combustibil de precizie și imprimante de tip jet de cerneală. Adesea, materialele utilizate în aceste aplicații cu orificii nu pot fi perforate cu microperforatoare sau lasere fără a se fisura sau alte efecte nedorite.
Hicks adaugă că: „Nu este vorba doar de materiale sau de proces, ci de modul în care ambele se îmbină. Aveți nevoie de materiale conforme și de tehnici de micromodelare, cum ar fi posibilitatea de a modela prin injecție o mică doză de plastic”. Exemple bune de îmbinare a materialelor și a preciziei se regăsesc în aplicațiile medicale LIGA, inclusiv testele farmacologice sau testele de diagnosticare. Acestea din urmă trebuie să aibă canale netede și buzunare turnate cu precizie pentru o mișcare fluidică maximă pentru a separa rapid, să zicem, o picătură de sânge întreg într-o cantitate precisă pentru microanaliză. Cu materialul adecvat (pentru afinitatea sângelui) modelat cu precizie, atunci când o picătură de sânge curge în analiză, hemoglobina (globulele roșii) este separată de plasmă și o cantitate precisă, de ordinul zecilor de picolitri, curge pentru analiză fără prezența oxigenului care poate distorsiona rezultatele testelor. Prin turnarea unor astfel de dispozitive, acestea sunt suficient de ieftine pentru a fi de unică folosință, evitând orice preocupare legată de contaminarea la reutilizare.
Cu componente de precizie și eficiente din punct de vedere al costurilor, diagnosticele și in- strumentele portabile se bazează pe căsătoria electronicii, a senzorilor și a surselor și motoarelor de mică putere chiar în produsul final. Astfel, conform lui Hicks, se exercită presiune asupra proiectanților de componente mecanice pentru ca și partea lor dintr-un dispozitiv să fie și mai mică.
În cele din urmă, Hicks remarcă o dezvoltare interesantă a MEMS care trebuie urmărită, numită Digital AngelTM (Digital Angel, Hauppauge, NY). Aici, designerii urmăresc să implanteze un circuit MEMS flexibil sub piele, sau în obiecte personale sau opere de artă, care permite ca obiectul sau persoana să fie monitorizat și urmărit prin satelit GPS (a se vedea diagrama). Aplicațiile umane pot include monitorizarea și urmărirea medicală a pacienților, a copiilor sau a personalului militar.
Știintele șef Peter Zhou spune că tehnologiile cheie sunt cipuri mici, implantabile de identificare prin radiofrecvență (RFID), baterii reîncărcabile, senzori și o antenă de microunde cu o lungime mai mică de un centimetru. Purtătorul, alarmele programate sau o instalație de la distanță ar putea activa dispozitivul. Pentru aplicațiile de zi cu zi, datele medicale ar putea fi descărcate într-o locație centrală printr-o legătură de modem de telefon mobil sau PC.
O astfel de interacțiune între dezvoltările electronice și cele mecanice par să continue, urmând să apară și mai multe rezultate sinergice.
7 sfaturi pentru proiectarea miniaturizării
Vicepreședintele American Laubscher, Tom Hicks, oferă câteva puncte de luat în considerare la proiectarea produselor miniaturizate:
1 Valorile din manuale pentru caracteristicile mecanice ale materialelor nu sunt aproape niciodată exacte. Nu aveți nevoie de o masă „excesivă” pentru a avea rezistență. Tensiunile portante în raport cu masa, odată depășite anumite praguri, produc efecte similare cu rezistența mare în raport cu greutatea unei furnici. Puteți folosi secțiuni mai subțiri.
2 Metodele de măsurare a calității și de inspecție devin mai specializate. Folosiți mult mai mult inspecția optică pentru că nu puteți introduce sonde mecanice acolo unde doriți să ajungeți.
3 Cu cât vă micșorați mecanic, cu atât mai mult manipulați componentele și dispozitivele ca și cum ați manipula electronicele. Acestea sunt prea mici pentru a fi atinse direct și trebuie să asamblați componentele rapid, cum ar fi chiar în matrița de injecție, pentru a evita o potențială contaminare. Ca și în cazul electronicii, asamblarea pe bandă de producție poate fi folosită pentru a facilita ambalarea și manipularea.
4 Tensiunea superficială a fluidelor este foarte diferită de cea din lumea macroscopică. Raportul dintre suprafața disponibilă și masa fluidului este înclinat foarte mult. Caracteristicile de umezire ale microsuprafeței sunt critice.
5 Curățenia este considerată de la sine înțeleasă. Praful pare mare în comparație cu ceea ce se face. Este necesară cel puțin o cameră curată de nivel Clasa 10, dar nivelul exact depinde de locul în care va ajunge un dispozitiv – sunt necesare niveluri minime pentru unelte (cu excepția cazului în care sunt destinate utilizării medicale în interiorul corpului uman), în timp ce praful din produsele optice poate afecta foarte mult performanța.
6 Conceptele de macroproiectare pot fi transpuse în microproiectare destul de des prin aplicarea mai multor tehnologii disponibile. Un proiectant poate profita de expertiza celor din domeniu. Metodele includ nu numai cele bazate pe litografie pentru turnarea prin injecție a materialelor plastice sau a metalelor, ci și prelucrarea prin electroeroziune cu fir (EDM) pentru îndepărtarea materialului pentru a forma o matriță, ablația cu laser și depunerea ionică sau galvanică.
7 Prețul ajunge de obicei să fie mai mare. Își poate permite produsul dumneavoastră să coste, să zicem, 1,5 cenți față de 0,1 cenți pentru o piesă macro?
Fabricarea matriței de injecție micro
Modelurile LIGA formate galvanic dau naștere la piese din plastic cu toleranțe de până la 60,0001 inch (2 microni). Denumirea provine din germană pentru fabricarea galvanică (placare) litografică. Spre deosebire de fabricarea similară a microcipurilor semiconductoare, matrițele de injecție formate prin LIGA pentru piese din plastic sunt mai întâi așezate cu o mască fotorezist mai groasă. Lungimi de undă mai scurte, până la raze X, care sunt mai puternic colimate, bombardează rezistența dedesubt, nemascată, care poate fi siliciu sau plastic. Structura expusă este apoi „developată” (redusă) cu ajutorul unui solvent sau al unei gravuri ionice pentru a elimina acest material nedorit. În continuare, nichel sau nichel-cobalt este placat pe materialul rezistent rămas, care este apoi îndepărtat printr-un alt solvent sau chiar prin crăpare fizică, lăsând scula finală de turnare prin injecție. Această sculă este utilizată pentru fabricarea pieselor de producție. Pentru prototipare (partea stângă a desenului), metalul rezultat poate funcționa ca piesă.
Nevoia de ecranare
Ca urmare a apropierii componentelor electronice în aplicațiile miniaturizate, crește nevoia de a contracara interferențele electromagnetice (EMI). Astfel, poate fi necesară o ecranare suplimentară, spune Jack Black, director de vânzări la Boldt Metronics International (Palatine, IL), un furnizor de componente electronice metalice, inclusiv de ecrane. Și, adaugă el, un pachet mai mic are, de asemenea, o nevoie mai mare de a elimina căldura din dispozitiv, ceea ce se poate face folosind scuturi EMI termoconductoare, mai multe ventilatoare și chiuvete de căldură mai eficiente.
Black remarcă faptul că, cu mai puțin spațiu liber pe plăcile de circuite, poate fi mai dificil să se folosească garnituri de ecranare EMI, care, spune el, au nevoie de suprafețe mari de amprentă pentru a funcționa eficient. Astfel, se poate apela la scuturi EMI metalice de montare pe suprafață, în special dacă se folosesc plăci cu două fețe.
El subliniază, de asemenea, necesitatea sporită de a realiza prototipuri ale pieselor atunci când se miniaturizează. „Opțiunile de reproiectare sunt limitate din cauza dimensiunilor mai mici”, subliniază Black. „De multe ori, aspectul plăcii este foarte complicat, cu mai multe straturi decât înainte. Așa că „rezolvările simple” din faza de dezvoltare nu mai sunt simple. Proiectarea pentru potențiale probleme în stadiul de prototip permite o intrare mai rapidă pe piață.”
În cele din urmă, Black remarcă faptul că, din cauza frecvențelor lor mai mari, componentele mai rapide duc la creșterea nevoii de ecranare, fie că este vorba de componente mai mici sau nu. Astfel, cu cât un dispozitiv este mai mic, nevoia de ecranare devine mai mare, pentru a tăia potențialul crescut de cross talk, pe măsură ce mai multe componente de mare viteză pot fi plasate într-o zonă mai mică.
5 considerații pentru sisteme și motoare miniaturale
Cu ocazia stabilirii cerințelor pentru sistemele care pot beneficia de miniaturizare în general și de micromotoare în special, Steve O’Neil, vicepreședintele Micro Mo Electronics pentru cercetare avansată și planificare, oferă cinci factori de luat în considerare:
1 Costul: Mulți oameni cred că dacă ceva este mai mic, ar trebui să fie mai puțin costisitor. Este posibil să fie necesare tehnologii costisitoare pentru a produce componente de produs miniaturizate.
2 Fizica: Vă confruntați cu fenomene diferite în dimensiuni mici – nu cu imagini în oglindă ale lumii macro. Lucruri precum modul în care materialele se lipesc unele de altele (aderența care trebuie depășită) și comportamentul lubrifiantului. În lumea macro, lubrifianții și excesul de putere sunt considerate de la sine înțelese. În lumea micro, lubrifiantul poate acționa ca un adeziv și dimensiunea particulelor poate crea probleme.
3 Ineficiențe: Este necesară o bună stăpânire a eficienței componentelor, deoarece dispozitivele mici nu au marje mari de putere cu care să se joace.
4 Expertiza: Discutați cu un furnizor competent. Folosiți expertiza de proiectare a companiilor specializate în echipamente miniaturizate pentru o critică practică.
5 Justificare: De ce să miniaturizați dacă nu există un motiv comercial pentru a face acest lucru? Obțineți informații de pe piață pentru un obiectiv clar.
.