Noem miniaturisatie en de meeste ontwerpingenieurs denken waarschijnlijk aan “elektronica”. Het is waar dat in het verleden de fabricagetechnologieën en -vereisten de elektronica naar steeds kleinere componenten en systemen dreven. Deze invloeden verspreiden zich nu, zodat ze ook merkbaar zijn in allerlei kleinere, op mechanische systemen gebaseerde systemen.
De drang naar verkleining is ingegeven door behoeften van medische toepassingen tot de auto- en luchtvaartindustrie. De ontwerpers moeten met kleinere systemen komen om toegang tot het lichaam via minimaal invasieve technieken mogelijk te maken en meer functies in een bepaald volume te verpakken om gewicht te besparen, draagbaarheid toe te staan, en duur apparaat “onroerend goed” beter te gebruiken.”
“Het is een natuurlijke evolutie,” zegt Tom Hicks, ondervoorzitter van Amerikaanse Laubscher ALC (Farmingdale, NY). Het Zwitserse moedererfgoed van het bedrijf ligt in de horloge-industrie, waar al meer dan 100 jaar kleine onderdelen worden vervaardigd. Tegenwoordig produceert American Laubscher miniatuur- en micromechanische onderdelen voor wat Hicks “sensor- tot actuatortoepassingen” noemt, van siliciumwafers tot mechanische tandwielen en lagers. Deze worden gebruikt in systemen variërend van miniatuur spectrometers en flowmeters tot bloedanalysatoren van picoliter-formaat.
“De afgelopen 25 jaar werd de miniaturisatie in de elektronica versneld door schaalvergroting,” waardoor meer prestaties in kleinere pakketten werden gestopt tegen lagere kosten, zegt Hicks. “In het begin was er geen sprake van een dergelijke miniaturisatie aan de mechanische kant – kleinere en kleinere elektronicapakketten waren nog steeds de baas over grote modules en mechanische systemen.” Maar vanaf het midden van de jaren ’80, merkt hij op, vroeg de ontwikkeling van minimaal invasieve chirurgische technieken, zoals aderverkalking en katheterprocedures, om steeds kleinere mechanische apparatuur. Kleine apparaten boden ook licht en zicht aan chirurgen die in het lichaam werkten. “Vandaag de dag wordt deze drang aangevuld door informatietechnologie eisen voor telecom en fiber-optic apparaten die verbinden, focussen, en schakelen nodig hebben,” allemaal binnen kleinschalige apparaten, zegt hij.
Mini motoren. Medische toepassingen zijn ook het tempo van de productie van zuiver mechanische miniatuur apparaten. Hicks noemt bijvoorbeeld een Amerikaanse Laubscher transesofagiale sonde, gemaakt door zusterbedrijf Precipart van ALC, met een tandwielkop van 6 mm die wordt aangedreven door een nog kleinere diameter motor van Micro Mo Electronics (Clearwater, FL). Het tandwiel beweegt een ultrasone transducer voor beeldvorming vanuit de slokdarm. Zulke kleine motoren moeten zeer efficiënt zijn omdat er niet veel stroom beschikbaar is om ze te laten werken, merkt hij op.
Wat de motoren zelf betreft, werd de drang naar miniaturisatie niet alleen gevoed door de wens naar multifunctionele, draagbare apparatuur voor medische, test- en meettoepassingen, maar ook door de lucht- en ruimtevaartindustrie, merkt Steve O’Neil, Vice President Advanced Research and Planning van Micro Mo Electronics, op. In lucht- en ruimtevaartuigen, zegt hij, “is gewicht belangrijk. Meer voertuiggewicht, inclusief componenten zoals motoren, betekent minder laadvermogen en hogere lanceerkosten. Bij medische toepassingen betekenen goedkopere, draagbare systemen, bijvoorbeeld voor beeldvorming, lagere zorgkosten omdat procedures in een dokterspraktijk of mobiel diagnostisch centrum kunnen worden uitgevoerd. De kosten van de apparatuur worden ook gespreid over meer patiënten.” O’Neil noemt de motoren, aandrijvingen en controllers van het bedrijf die worden gebruikt in toepassingen variërend van optische positionering voor beeldvorming en inspectie, tot silicium wafer fabricageoperaties zoals het nauwkeurig snijden van blokjes. Draagbare systemen kunnen een functie brengen naar waar die nodig is in een fabriek, in plaats van een minder flexibel, groot vast actief te hebben.
De belangrijkste enabler voor micromotoren is de vooruitgang in materialen geweest, zegt O’Neil – van draad en magneten tot behuizingen. “De kern van de motortechnologie is niet veranderd,” merkt hij op. “Wat is veranderd zijn materialen:
In draad, hogere efficiëntie in isolatie en ontwerpwijzigingen om warmteafvoer te incorporeren maken kleinere pakketten mogelijk.
In magneten heeft de progressie in de afgelopen tien jaar of zo van keramiek naar samariumkobalt en nu naar neodymium ijzerborium de magnetische fluxdichtheid doen toenemen.
In behuizingen heeft spuitgegoten plastic roestvrij staal verdrongen.”
Het resultaat is capabeler motoren in kleinere pakketten.
Technologie enablers. In feite zijn materialen en fabricageprocessen de sleutel tot miniaturisatie. De Amerikaan Laubscher wijzigde bijvoorbeeld de fotolithografie die wordt gebruikt om microschakelingen te fabriceren, om micromallen te produceren voor een verscheidenheid van micro-elektromechanische systemen (MEMS). Voordien werden dergelijke onderdelen vervaardigd van metaal, hetgeen lagere productiesnelheden en hogere productie- en materiaalkosten met zich meebracht. Het proces, dat LIGA wordt genoemd (een acroniem van het Duits voor lithografisch galvanisch vervaardigen), produceert micromallen waarmee materialen zoals vloeibare kristalpolymeren (LCP’s) kunnen worden gespuitgiet met toleranties van enkele microns (zie zijbalk). Als voorbeeld noemt Tom Hicks een ferrule (verbindingsstuk) voor optische vezels dat vroeger met precisie micromachine uit metaal werd gemaakt. Tegenwoordig wordt het onderdeel LIGA-gemaakt van LCP met een totale composietfout van 6 micron – dit is inclusief de opbouw van de tolerantie voor de opening, de buitendiameter en de ingangspoort (plaats en diameter). De LIGA-mallen kunnen nauwkeurig genoeg worden gemaakt om toleranties in de oppervlakteafwerking van het onderdeel in angstroms mogelijk te maken, zegt Hicks.
Hij merkt op dat eerdere fabricagemethoden “subtractief” zijn, waarbij materiaal wordt verwijderd om een afgewerkt onderdeel te vormen. Galvanisch gevormde matrijzen zijn, zoals Hicks het noemt, “in staat om de glasbodem te omzeilen – de ondergrens van grootte en toleranties waaronder subtractieve methoden niet zouden kunnen gaan omdat de mechanische eigenschappen van de behandelde materialen de krachten die worden gebruikt om het materiaal te verwijderen niet zouden ondersteunen. Met andere woorden, de onderdelen zouden afschuiven of afbrokkelen in plaats van snijden.”
Andere producten die met LIGA zijn gemaakt zijn onder meer doorboorde fittingen voor precisie-brandstofinjectoren en inkjet-achtige printers. Vaak kunnen de materialen die in deze poorttoepassingen worden gebruikt niet worden doorboord door microboren of lasers zonder scheuren of andere ongewenste effecten.
Hicks voegt hieraan toe: “Het is niet alleen materiaal of proces, maar hoe beide samenkomen. Je hebt compliante materialen nodig en micromolding-technieken, zoals het kunnen spuitgieten van een klein beetje plastic.” Goede voorbeelden van de combinatie van materialen en precisie zijn te vinden in medische LIGA-toepassingen, zoals farmacologische tests of diagnostische assays. Deze laatste moeten gladde kanalen en precisiegegoten pockets hebben voor een maximale vloeistofbeweging om snel bijvoorbeeld een druppel volbloed te kunnen scheiden in een precieze hoeveelheid voor microanalyse. Met het juiste materiaal (voor bloedaffiniteit) precies gevormd, wanneer een druppel bloed in de assay stroomt, worden de hemoglobine (rode cellen) gescheiden van het plasma en stroomt een nauwkeurige hoeveelheid, in tientallen picoliters, voor analyse zonder de aanwezigheid van zuurstof die de testresultaten kan vertekenen. Door het gieten van dergelijke apparaten, zijn ze goedkoop genoeg om wegwerpbaar te zijn, waardoor elke bezorgdheid over besmetting bij hergebruik wordt vermeden.
Met kosteneffectieve, precisie-componenten, zijn hand-held diagnostiek en in- strumenten afhankelijk van het huwelijk van elektronica, sensoren, en laag-vermogen bronnen en motoren direct in het eindprodukt. Er wordt dus druk uitgeoefend op ontwerpers van mechanische componenten om hun deel van een apparaat nog kleiner te maken, aldus Hicks.
Finitief merkt Hicks een interessante MEMS-ontwikkeling op om in de gaten te houden, genaamd Digital AngelTM (Digital Angel, Hauppauge, NY). Hier streven ontwerpers ernaar een flexibel MEMS-circuit onder de huid, of in persoonlijke bezittingen of kunstwerken te implanteren, waarmee het object of de persoon kan worden bewaakt en gevolgd via GPS-satellieten (zie diagram). Menselijke toepassingen kunnen medische monitoring en het volgen van patiënten, kinderen of militair personeel omvatten.
Chief Scientist Peter Zhou zegt dat de sleuteltechnologieën kleine, implanteerbare radiofrequentie identificatie (RFID) chips, oplaadbare batterijen, sensoren, en een microgolf antenne van minder dan een centimeter lang zijn. De drager, geprogrammeerde alarmen of een faciliteit op afstand kunnen het apparaat activeren. Voor alledaagse toepassingen zouden medische gegevens naar een centrale locatie kunnen worden gedownload via een mobiele telefoon of PC-modemverbinding.
Dergelijke wisselwerkingen tussen elektronica en mechanische ontwikkelingen lijken door te gaan, met nog meer synergetische resultaten in het verschiet.
7 tips voor miniaturisatieontwerp
De Amerikaanse Laubscher VP Tom Hicks biedt enkele punten om te overwegen bij het ontwerpen van geminiaturiseerde producten:
1 Handboekwaarden voor mechanische materiaaleigenschappen zijn bijna nooit nauwkeurig. Je hebt geen “overmatige” massa nodig om sterkte te hebben. Lager spanningen ten opzichte van massa, eenmaal voorbij bepaalde drempels, produceren effecten vergelijkbaar met de grote sterkte-tot-gewicht van een mier. Je kunt dunnere secties gebruiken.
2 Kwaliteits- en inspectie-meetmethoden worden gespecialiseerder. Je gebruikt veel meer optische inspectie omdat je mechanische sondes niet kunt krijgen waar je wilt gaan.
3 Hoe kleiner je mechanisch gaat, hoe meer je componenten en apparaten behandelt zoals je elektronica zou behandelen. Ze zijn te klein om direct aan te raken, en u moet componenten snel assembleren, bijvoorbeeld direct in de spuitgietmatrijs, om mogelijke besmetting te voorkomen. Net als bij elektronica kan assemblage met productietape worden gebruikt om het verpakken en hanteren te vergemakkelijken.
4 De oppervlaktespanning van vloeistoffen is heel anders dan in de macrowereld. De verhouding tussen het beschikbare oppervlak en de massa van de vloeistof is scheef zeer hoog. De bevochtigingskarakteristieken van het microoppervlak zijn kritisch.
5 Reinheid wordt als vanzelfsprekend beschouwd. Stof lijkt groot in vergelijking met wat u aan het maken bent. Een schone kamer van minimaal klasse 10-niveau is nodig, maar het precieze niveau hangt af van waar een apparaat naar toe gaat – minimale niveaus zijn nodig voor tandwielen (tenzij voor medisch gebruik in het menselijk lichaam), terwijl stof in optische producten de prestaties sterk kan beïnvloeden.
6 Macro-ontwerpconcepten kunnen vrij vaak worden vertaald in microontwerpen door toepassing van verschillende beschikbare technologieën. Een ontwerper kan zijn voordeel doen met de deskundigheid van degenen die op dit gebied werkzaam zijn. De methoden omvatten niet alleen lithografische technieken voor het spuitgieten van kunststoffen of metalen, maar ook elektrische ontladingsmachines (EDM) om materiaal te verwijderen om een mal te vormen, laserablatie en ionische of galvanische depositie.
7 De prijs komt meestal hoger uit. Kan uw product het zich veroorloven om, laten we zeggen, 1,5 cent te kosten tegenover 0,1 cent voor een macro-onderdeel?
Micro-spuitgietfabricage
Galvanisch gevormde LIGA-mallen resulteren in kunststof onderdelen met toleranties tot 60,0001 inch (2 micron). De naam komt van het Duits voor lithografische galvanische (plating) fabricage. In tegenstelling tot soortgelijke fabricage van halfgeleider-microchips, worden LIGA-gevormde spuitgietmatrijzen voor kunststofonderdelen eerst voorzien van een dikker fotolakmasker. Kortere golflengten, tot en met röntgenstralen, die sterker gecollimeerd zijn, bombarderen de blootgelegde, onderliggende resist, die silicium of kunststof kan zijn. De blootgelegde structuur wordt dan “ontwikkeld” (verkleind) door een oplosmiddel of door ionenetsen om dit ongewenste materiaal te verwijderen. Vervolgens wordt nikkel of nikkelkobalt op het resterende resistente materiaal aangebracht, dat vervolgens met een ander oplosmiddel of zelfs fysiek kraken wordt verwijderd, waarna het uiteindelijke spuitgietgereedschap overblijft. Dit gereedschap wordt gebruikt om productieonderdelen te vervaardigen. Voor prototyping (links op de tekening) kan het resulterende metaal als onderdeel fungeren.
De behoefte aan afscherming
Naarmate elektronische componenten in geminiaturiseerde toepassingen dichter bij elkaar komen te liggen, neemt de behoefte toe om elektromagnetische interferentie (EMI) tegen te gaan. Daarom kan extra afscherming nodig zijn, zegt Jack Black, verkoopdirecteur van Boldt Metronics International (Palatine, IL), een verkoper van metalen elektronische componenten, waaronder afschermingen. En, voegt hij eraan toe, een kleinere verpakking heeft ook een grotere behoefte om de hitte van het apparaat te verwijderen, die kan worden gedaan met behulp van thermisch geleidende EMI-schilden, meer ventilatoren, en effectievere koellichamen.
Black merkt op dat met minder open onroerend goed op printplaten, het moeilijker kan zijn om EMI-afschermende pakkingen te gebruiken, die, zegt hij, grote voetafdrukgebieden nodig hebben om effectief te werken. Daarom kunnen metalen EMI-schilden voor oppervlaktemontage nodig zijn, vooral als dubbelzijdige printplaten worden gebruikt.
Hij benadrukt ook de grotere behoefte aan prototypen van onderdelen bij miniaturisatie. “Herontwerpmogelijkheden zijn beperkt vanwege de kleinere afmetingen,” wijst Black. “Vaak is de lay-out van de printplaat erg ingewikkeld, met meer lagen dan voorheen. Eenvoudige ‘fixes’ in de ontwikkelingsfase zijn dus niet meer eenvoudig. Ontwerpen voor potentiële problemen in het prototype-stadium maakt een snellere marktintroductie mogelijk.”
Ten slotte merkt Black op dat snellere componenten vanwege hun hogere frequenties de behoefte aan afscherming opdrijven, al dan niet in kleinere componenten. Dus, hoe kleiner een apparaat is, hoe groter de behoefte aan afscherming wordt, om het verhoogde potentieel van overspraak te snijden, aangezien meer hogesnelheidscomponenten in een kleiner gebied kunnen worden geplaatst.
5 overwegingen voor miniatuursystemen en motoren
Bij het opstellen van vereisten voor systemen die kunnen profiteren van miniaturisatie in het algemeen en micromotoren in het bijzonder, Steve O’Neil, Micro Mo Electronics vice-president van geavanceerd onderzoek en planning, biedt vijf factoren om rekening mee te houden:
1 Kosten: Veel mensen denken dat als iets kleiner is, het minder duur moet zijn. Dure technologieën kunnen nodig zijn om geminiaturiseerde productonderdelen te produceren.
2 Natuurkunde: Je stuit op andere verschijnselen in kleine afmetingen – geen spiegelbeelden van de macrowereld. Dingen zoals hoe materialen aan elkaar kleven (te overwinnen kleverigheid) en het gedrag van smeermiddelen. In de macro-wereld worden smeermiddelen en overtollig vermogen als vanzelfsprekend beschouwd. In de microwereld kan smeermiddel als een kleefstof werken en kan de grootte van de deeltjes voor problemen zorgen.
3 Inefficiënties: Een goed handvat is nodig voor de efficiëntie van componenten, omdat kleine apparaten geen grote vermogensmarges hebben waarmee ze kunnen spelen.
4 Expertise: Praat met een competente leverancier. Maak gebruik van ontwerpexpertise bij bedrijven die gespecialiseerd zijn in geminiaturiseerde apparatuur voor een praktijkkritiek.
5 Rechtvaardiging: Waarom miniaturiseren als er geen zakelijke reden is om het te doen? Vraag input uit de markt voor een duidelijke doelstelling.