Wymień miniaturyzację, a większość inżynierów projektantów prawdopodobnie pomyśli „elektronika”. To prawda, że w przeszłości technologie i wymagania dotyczące produkcji powodowały, że elektronika stawała się coraz mniejsza, a komponenty i systemy coraz mniejsze. Obecnie wpływy te rozprzestrzeniają się tak, że są widoczne w różnych mniejszych systemach opartych na mechanice.
Dążenie do zmniejszania rozmiarów zostało pobudzone przez potrzeby związane z zastosowaniami medycznymi, motoryzacyjnymi i lotniczymi. Projektanci muszą wymyślać mniejsze systemy, aby umożliwić dostęp do ciała za pomocą technik minimalnie inwazyjnych i upakować więcej funkcji w danej objętości, aby zmniejszyć wagę, umożliwić przenoszenie i lepiej wykorzystać kosztowną „nieruchomość” urządzenia.”
„To naturalna ewolucja”, mówi Tom Hicks, wiceprezes American Laubscher ALC (Farmingdale, NY). Szwajcarska firma macierzysta wywodzi się z przemysłu zegarmistrzowskiego, produkując małe części przez ponad 100 lat. Obecnie American Laubscher produkuje miniaturowe i mikromechaniczne komponenty do zastosowań, które Hicks nazywa „od czujników do siłowników”, od płytek krzemowych do przekładni mechanicznych i łożysk. Są one wykorzystywane w systemach od miniaturowych spektrometrów i przepływomierzy po pikolitrowe analizatory krwi.
„Przez ostatnie 25 lat miniaturyzacja w elektronice była napędzana przez ekonomię skali”, dzięki czemu więcej wydajności mieściło się w mniejszych pakietach przy niższych kosztach, mówi Hicks. „Na początku nie było takiej podobnej miniaturyzacji po stronie mechanicznej – coraz mniejsze pakiety elektroniki wciąż kontrolowały duże moduły i systemy mechaniczne”. Ale od połowy lat 80-tych, zauważa, rozwój minimalnie inwazyjnych technik chirurgicznych, takich jak pobieranie żył i procedury oparte na cewnikach, wymagał coraz mniejszych urządzeń mechanicznych. Małe urządzenia dostarczały również światła i wizji chirurgom pracującym wewnątrz ciała. „Dziś ten napęd jest uzupełniany przez zapotrzebowanie na technologie informatyczne dla urządzeń telekomunikacyjnych i światłowodowych, które wymagają łączenia, ogniskowania i przełączania”, a wszystko to w ramach urządzeń o małej skali, mówi. Zastosowania medyczne również przyspieszają produkcję miniaturowych urządzeń czysto mechanicznych. Na przykład, Hicks przytacza sondę przezprzełykową American Laubscher, wyprodukowaną przez siostrzaną firmę ALC, Precipart, w której zastosowano 6-mm głowicę przekładniową napędzaną silnikiem o jeszcze mniejszej średnicy z Micro Mo Electronics (Clearwater, FL). Głowica przekładni porusza przetwornikiem ultradźwiękowym w celu obrazowania z wnętrza przełyku. Tak małe silniki muszą być bardzo wydajne, ponieważ nie ma zbyt wiele mocy do ich zasilania, zauważa.
Jeśli chodzi o same silniki, dążenie do miniaturyzacji mocy było napędzane nie tylko przez pragnienie wielofunkcyjnego, przenośnego sprzętu do zastosowań medycznych, testowych i pomiarowych, ale przez przemysł lotniczy i kosmiczny, zauważa wiceprezes Micro Mo Electronics ds. zaawansowanych badań i planowania, Steve O’Neil. Mówi on, że w statkach powietrznych i kosmicznych „Ważna jest waga. Większa waga pojazdu, w tym komponentów takich jak silniki, oznacza mniejszą ładowność i wyższe koszty wyniesienia na orbitę. W zastosowaniach medycznych, tańsze, przenośne systemy, takie jak do obrazowania, oznaczają niższe koszty opieki, ponieważ procedury mogą być wykonywane w gabinecie lekarskim lub mobilnym centrum diagnostycznym. Wydatki na sprzęt są również rozłożone na większą liczbę pacjentów”. O’Neil przytacza silniki, napędy i sterowniki firmy wykorzystywane w zastosowaniach od pozycjonowania optyki do obrazowania i inspekcji, po operacje wytwarzania wafli krzemowych, takie jak precyzyjne cięcie w kostkę. Przenośne systemy mogą przenieść funkcję tam, gdzie jest ona potrzebna w zakładzie, zamiast posiadać mniej elastyczny, duży środek trwały.
Głównym czynnikiem umożliwiającym rozwój mikrosilników był postęp w dziedzinie materiałów, mówi O’Neil – od drutu i magnesów po obudowy. „Podstawowa technologia silnika nie zmieniła się”, zauważa. „To, co się zmieniło, to materiały:
W przewodach, wyższa wydajność izolacji i zmiany projektowe w zakresie odprowadzania ciepła pozwalają na mniejsze pakiety.
W magnesach, postęp w ciągu ostatnich dziesięciu lat od materiałów ceramicznych do samarowo-kobaltowych, a teraz do neodymowo-borowo-żelazowych, zwiększył gęstość strumienia magnetycznego.
W obudowach, plastik formowany wtryskowo zastąpił stal nierdzewną.”
Wynikiem tego są bardziej wydajne silniki w mniejszych opakowaniach.
Ułatwiacze technologiczne. W rzeczywistości, materiały i procesy produkcyjne są kluczowe dla miniaturyzacji. Na przykład, amerykański Laubscher zmodyfikował fotolitografię używaną do produkcji mikroukładów w celu wytworzenia mikrowyprasek do różnych systemów mikroelektromechanicznych (MEMS). Wcześniej takie części byłyby wytwarzane z metali, co oznaczało niższe tempo produkcji oraz wyższe koszty produkcji i materiałów. W procesie o nazwie LIGA (akronim od niemieckiego słowa „lithographic galvanic manu- facturing” – litograficzne wytwarzanie galwaniczne) powstają mikroformy, które umożliwiają formowanie wtryskowe materiałów takich jak polimery ciekłokrystaliczne (LCP) z tolerancją do kilku mikronów (patrz pasek boczny). Jako przykład Tom Hicks podaje ferrulę (złącze) światłowodową, która wcześniej była precyzyjnie obrabiana mikromaszynowo z metalu. Obecnie część ta jest wykonana w technologii LIGA z LCP z całkowitym błędem złożonym wynoszącym 6 mikronów – co obejmuje tolerancję otworu, średnicy zewnętrznej i portu wejściowego (lokalizacja i średnica). Formy LIGA mogą być wykonane wystarczająco precyzyjnie, aby umożliwić tolerancję wykończenia powierzchni części w angstremach, mówi Hicks.
Zauważa on, że poprzednie metody wytwarzania są „subtrakcyjne”, obejmujące usuwanie materiału w celu utworzenia gotowej części. Galwanicznie formowane matryce są, jak to określa Hicks, „w stanie obejść szklaną podłogę – dolną granicę wielkości i tolerancji, poniżej której metody subtraktywne nie mogłyby się posunąć, ponieważ właściwości mechaniczne obrabianych materiałów nie wytrzymałyby sił użytych do usunięcia materiału”. Innymi słowy, części ścinałyby się lub wiórkowały zamiast ciąć.”
Inne produkty wykonane przy użyciu LIGA obejmują przebijane złączki do precyzyjnych wtryskiwaczy paliwa i drukarek atramentowych. Często materiały używane w tych portowanych zastosowaniach nie mogą być przebijane przez mikrowiertła lub lasery bez pękania lub innych niepożądanych efektów.
Hicks dodaje, że, „Nie chodzi tylko o materiały lub proces, ale o to, jak obie te rzeczy się łączą. Potrzebne są zgodne materiały i techniki formowania mikrometrycznego, takie jak możliwość formowania wtryskowego małych porcji plastiku.” Dobrym przykładem połączenia materiałów i precyzji są medyczne aplikacje LIGA, w tym testy farmakologiczne lub badania diagnostyczne. Te ostatnie muszą mieć gładkie kanały i precyzyjnie uformowane kieszenie dla maksymalnego ruchu płynów, aby szybko rozdzielić, powiedzmy, kroplę pełnej krwi na precyzyjną ilość do mikroanalizy. Dzięki odpowiedniemu materiałowi (dla powinowactwa krwi) precyzyjnie ukształtowanemu, kiedy kropla krwi wpływa do urządzenia, hemoglobina (czerwone krwinki) zostaje oddzielona od osocza i precyzyjna ilość, w dziesiątkach pikolitrów, przepływa do analizy bez obecności tlenu, który może zniekształcić wyniki testu. Dzięki formowaniu takich urządzeń, są one na tyle tanie, że mogą być jednorazowego użytku, unikając wszelkich obaw o skażenie w ponownym użyciu.
Dzięki efektywnym kosztowo, precyzyjnym komponentom, ręczna diagnostyka i przyrządy zawisły na małżeństwie elektroniki, czujników i źródeł niskiej mocy oraz silników bezpośrednio w produkcie końcowym. Dlatego, według Hicksa, na projektantów elementów mechanicznych wywierany jest nacisk, aby ich część urządzenia była jeszcze mniejsza.
Na koniec, Hicks zauważa interesujący rozwój MEMS, na który warto zwrócić uwagę, o nazwie Digital AngelTM (Digital Angel, Hauppauge, NY). Celem projektantów jest wszczepienie elastycznego obwodu MEMS pod skórę, w rzeczy osobiste lub dzieła sztuki, co pozwoli na monitorowanie i śledzenie przedmiotu lub osoby przez satelitę GPS (patrz diagram). Ludzkie zastosowania mogą obejmować medyczne monitorowanie i śledzenie pacjentów, dzieci lub personelu wojskowego.
Główny naukowiec Peter Zhou mówi, że kluczowe technologie to małe, wszczepialne chipy identyfikacji radiowej (RFID), akumulatory, czujniki i antena mikrofalowa o długości mniejszej niż cal. Urządzenie może aktywować osoba nosząca je, zaprogramowane alarmy lub zdalny ośrodek. W codziennych zastosowaniach dane medyczne mogłyby być pobierane do centralnej lokalizacji za pomocą łącza modemu telefonu komórkowego lub komputera PC.
Takie wzajemne oddziaływanie elektroniki i rozwoju mechaniki wygląda na kontynuowane, z jeszcze bardziej synergicznymi wynikami w przyszłości.
7 wskazówek dotyczących projektowania miniaturyzacji
Wiceprezes amerykańskiej firmy Laubscher, Tom Hicks, oferuje kilka punktów do rozważenia przy projektowaniu zminiaturyzowanych produktów:
1 Podręcznikowe wartości dla mechanicznych właściwości materiałów prawie nigdy nie są dokładne. Nie potrzebujesz „nadmiernej” masy, aby mieć wytrzymałość. Naprężenia nośne w stosunku do masy, po przekroczeniu pewnych progów, dają efekty podobne do dużego stosunku wytrzymałości do masy mrówki. Możesz używać cieńszych przekrojów.
2 Metody pomiaru jakości i kontroli stają się bardziej wyspecjalizowane. Używasz o wiele więcej kontroli optycznej, ponieważ nie możesz dostać sond mechanicznych tam, gdzie chcesz się dostać.
3 Im mniejszy jest zakres mechaniczny, tym bardziej obchodzisz się z komponentami i urządzeniami jak z elektroniką. Są one zbyt małe, aby dotykać ich bezpośrednio i należy szybko montować komponenty, na przykład bezpośrednio w formie wtryskowej, aby uniknąć potencjalnego zanieczyszczenia. Podobnie jak elektronika, montaż taśmy produkcyjnej może być używany do ułatwienia pakowania i obsługi.
4 Napięcie powierzchniowe płynów jest bardzo różne od makroświata. Stosunek dostępnej powierzchni do masy płynu jest przekrzywiony bardzo wysoki. Właściwości zwilżania mikropowierzchni są krytyczne.
5 Czystość jest uważana za oczywistą. Pył wygląda na duży w porównaniu z tym, co robisz. Potrzebne jest przynajmniej pomieszczenie czyste klasy 10, ale dokładny poziom zależy od tego, gdzie urządzenie będzie pracować – minimalne poziomy są potrzebne w przypadku przekładni (chyba że do użytku medycznego w ciele ludzkim), podczas gdy pył w produktach optycznych może znacznie wpłynąć na wydajność.
6 Koncepcje makrodesignu mogą być przełożone na mikrodesign dość często z zastosowaniem kilku dostępnych technologii. Projektant może skorzystać z doświadczenia osób działających w tej dziedzinie. Metody obejmują nie tylko oparte na litografii formowanie wtryskowe tworzyw sztucznych lub metali, ale także obróbkę elektroerozyjną drutu (EDM) w celu usunięcia materiału do utworzenia formy, ablację laserową oraz osadzanie jonowe lub galwaniczne.
7 Cena zazwyczaj jest wyższa. Czy Twój produkt może kosztować, powiedzmy, 1,5 centa w porównaniu z 0,1 centa za część makro?
Produkcja mikroform wtryskowych
Formy LIGA formowane galwanicznie dają w rezultacie części plastikowe o tolerancji do 60,0001 cala (2 mikronów). Nazwa pochodzi od niemieckiego słowa oznaczającego litograficzną produkcję galwaniczną (galwanizacja). W przeciwieństwie do podobnej produkcji mikrochipów półprzewodnikowych, formy wtryskowe LIGA dla części z tworzyw sztucznych są najpierw nakładane z grubszą maską fotorezystywną. Krótsze długości fali, aż do promieniowania rentgenowskiego, które są bardziej skolimowane, bombardują nie zamaskowany, leżący u podłoża rezystor, którym może być krzem lub plastik. Odsłonięta struktura jest następnie „wywoływana” (redukowana) przez rozpuszczalnik lub trawienie jonowe w celu usunięcia tego niepożądanego materiału. Następnie, nikiel lub nikiel kobalt jest platerowany na pozostałym materiale oporowym, który jest następnie usuwany przez inny rozpuszczalnik lub nawet fizyczne pękanie, pozostawiając ostateczne narzędzie do formowania wtryskowego. To narzędzie jest używane do produkcji części produkcyjnych. Do prototypowania (lewa strona rysunku) wynikowy metal może funkcjonować jako część.
Potrzeba ekranowania
Jak elementy elektroniczne zbliżają się do siebie w zminiaturyzowanych zastosowaniach, wzrasta potrzeba przeciwdziałania interferencjom elektromagnetycznym (EMI). Dlatego może być wymagane dodatkowe ekranowanie, mówi Jack Black, dyrektor sprzedaży w firmie Boldt Metronics International (Palatine, IL), sprzedawcy metalowych elementów elektronicznych, w tym ekranów. Dodaje on, że mniejszy pakiet ma również zwiększoną potrzebę usuwania ciepła z urządzenia, co może być wykonane przy użyciu termoprzewodzących osłon EMI, większej liczby wentylatorów i bardziej efektywnych radiatorów.
Black zauważa, że przy mniejszej ilości otwartej przestrzeni na płytkach drukowanych, może być trudniej zastosować uszczelki ekranujące EMI, które, jak mówi, wymagają dużych powierzchni, aby działać skutecznie. W związku z tym może być wymagany montaż powierzchniowy metalowych osłon EMI, szczególnie jeśli stosowane są płytki dwustronne.
Podkreśla on również zwiększoną potrzebę prototypowania części podczas miniaturyzacji. „Opcje przeprojektowania są ograniczone ze względu na mniejszy rozmiar” – zauważa Black. „Wiele razy układ płytki jest bardzo skomplikowany, z większą ilością warstw niż wcześniej. Tak więc proste „poprawki” na etapie rozwoju nie są już proste. Projektowanie z myślą o potencjalnych problemach na etapie prototypu pozwala na szybsze wejście na rynek.”
Na koniec Black zauważa, że ze względu na wyższe częstotliwości, szybsze komponenty zwiększają zapotrzebowanie na ekranowanie, niezależnie od tego, czy są to mniejsze komponenty, czy nie. Tak więc, im mniejsze jest urządzenie, tym potrzeba ekranowania staje się większa, w celu odcięcia zwiększonego potencjału rozmów krzyżowych, ponieważ więcej szybkich komponentów można umieścić na mniejszej powierzchni.
5 rozważań dla miniaturowych systemów i silników
Przy ustalaniu wymagań dla systemów, które mogą skorzystać z miniaturyzacji w ogóle i mikrosilników w szczególności, Steve O’Neil, wiceprezes Micro Mo Electronics ds. zaawansowanych badań i planowania, proponuje pięć czynników, które należy wziąć pod uwagę:
1 Koszt: Wiele osób uważa, że jeśli coś jest mniejsze, to powinno być tańsze. Drogie technologie mogą być potrzebne do produkcji zminiaturyzowanych komponentów produktów.
2 Fizyka: Wpadasz na różne zjawiska w małych rozmiarach – nie są one lustrzanymi odbiciami makroświata. Rzeczy takie jak sposób, w jaki materiały przylegają do siebie (przyleganie, które należy przezwyciężyć) i zachowanie smaru. W makroświecie smary i nadmiar mocy są uważane za oczywiste. W mikroświecie, smar może działać jak klej, a rozmiar cząstek może powodować problemy.
3 Nieefektywności: Potrzebny jest dobry uchwyt na wydajności komponentów, ponieważ małe urządzenia nie mają dużych marginesów mocy, z którymi można grać.
4 Ekspertyza: Porozmawiaj z kompetentnym dostawcą. Skorzystaj z ekspertyzy projektowej w firmach, które specjalizują się w zminiaturyzowanych urządzeniach, aby uzyskać praktyczną krytykę.
5 Uzasadnienie: Po co miniaturyzować, jeśli nie ma ku temu powodów biznesowych? Uzyskaj informacje z rynku, aby uzyskać jasny cel.