Nämn miniatyrisering och de flesta konstruktörer kommer troligen att tänka ”elektronik”. Det är sant att tidigare har tillverkningsteknik och krav drivit elektroniken mot allt mindre komponenter och system. Dessa influenser sprider sig nu så att de är uppenbara i en mängd olika mindre mekaniskt baserade system.
Drivkraften att minska storleken har drivits fram av behov från medicinska tillämpningar till fordons- och flygindustrin. Konstruktörerna måste ta fram mindre system för att möjliggöra tillgång till kroppen genom minimalt invasiva tekniker och för att packa in fler funktioner i en given volym för att spara vikt, möjliggöra bärbarhet och bättre utnyttja dyrbar utrustning.
”Det är en naturlig utveckling”, säger Tom Hicks, vice vd för American Laubscher ALC (Farmingdale, NY). Företagets schweiziska moderbolag har sitt ursprung i klockindustrin och har tillverkat smådelar i mer än 100 år. I dag tillverkar American Laubscher miniatyrkomponenter och mikromekaniska komponenter för vad Hicks kallar ”tillämpningar från sensor till manöverdon”, från kiselskivor till mekaniska kugghjul och lager. Dessa används i system som sträcker sig från miniatyrspektrometrar och flödesmätare till blodanalysatorer i picoliterstorlek.
”Under de senaste 25 åren har miniatyriseringen inom elektronik drivits av stordriftsfördelar”, vilket innebär att mer prestanda läggs in i mindre förpackningar till lägre kostnader, säger Hicks. ”I början fanns det ingen liknande miniatyrisering på den mekaniska sidan – mindre och mindre elektronikpaket styrde fortfarande stora moduler och mekaniska system.” Men från mitten av 80-talet, konstaterar han, krävde utvecklingen av minimalt invasiva kirurgiska tekniker, t.ex. venprovtagning och kateterbaserade ingrepp, mindre och mindre mekaniska enheter. Små enheter gav också ljus och syn till kirurger som arbetade inuti kroppen. ”I dag kompletteras denna drivkraft av informationstekniska krav på telekom- och fiberoptiska apparater som kräver anslutning, fokusering och omkoppling”, allt inom småskaliga apparater, säger han.
Minimotorer. Medicinska tillämpningar främjar också tillverkningen av rent mekaniska miniatyrenheter. Hicks nämner till exempel en amerikansk Laubscher transesofagial sond, tillverkad av ALC:s systerföretag Precipart, med ett 6 mm stort kugghuvud som drivs av en motor med ännu mindre diameter från Micro Mo Electronics (Clearwater, FL). Kugghjulet förflyttar en ultraljudstransducer för avbildning från insidan av matstrupen. Sådana små motorer måste vara mycket effektiva eftersom det inte finns så mycket ström för att driva dem, påpekar han.
När det gäller själva motorerna har drivkraften att miniatyrisera kraften inte bara drivits av önskan om multifunktionell, bärbar utrustning för medicinska, test- och mätningsändamål, utan också av flyg- och rymdindustrin, påpekar Steve O’Neil, vice vd för avancerad forskning och planering vid Micro Mo Electronics. I flyg- och rymdfarkoster, säger han, ”Vikten är viktig. Mer fordonsvikt, inklusive komponenter som motorer, innebär mindre nyttolast och högre uppskjutningskostnader. Inom medicinska tillämpningar innebär billigare, bärbara system, t.ex. för bildbehandling, lägre vårdkostnader eftersom förfarandena kan utföras på ett läkarkontor eller ett mobilt diagnostiskt center. Kostnaderna för utrustningen fördelas också på fler patienter.” O’Neil nämner företagets motorer, drivenheter och styrenheter som används i tillämpningar som omfattar allt från optisk positionering för avbildning och inspektion till tillverkning av kiselskivor, t.ex. exakt skärning. Bärbara system kan föra en funktion dit den behövs i en anläggning, i stället för att ha en mindre flexibel, stor fast tillgång.
Den viktigaste faktorn för mikromotorer har varit framsteg i fråga om material, säger O’Neil- från tråd och magneter till höljen. ”Den centrala motortekniken har inte förändrats”, konstaterar han. ”Det som har förändrats är materialen:
I tråd har högre effektivitet i isolering och konstruktionsändringar för att införliva värmesänkning möjliggjort mindre förpackningar.
I magneter har utvecklingen under de senaste tio åren eller så från keramik till samariumkobolt och nu till neodymjärnbor ökat den magnetiska flödestätheten.
Inom höljen har formsprutad plast ersatt rostfritt stål.
Resultatet är mer kapabla motorer i mindre förpackningar.
Tekniska möjliggörare. Faktum är att material och tillverkningsprocesser är nyckeln till miniatyrisering. Amerikanska Laubscher modifierade till exempel fotolitografi som används för att tillverka mikrokretsar för att tillverka mikroformar för olika mikroelektromekaniska system (MEMS). Tidigare skulle sådana delar ha tillverkats av metaller, vilket innebar lägre produktionstakt och högre produktions- och materialkostnader. Processen, som kallas LIGA (en akronym från tyskan för litografisk galvanisk tillverkning), producerar mikroformar som möjliggör formsprutning av material som vätskekristallpolymerer (LCP) med en tolerans på flera mikrometer (se sidobladet). Som exempel nämner Tom Hicks ett kopplingsstycke för optiska fibrer som tidigare var precisionsmikrobearbetat av metall. Idag är delen LIGA-tillverkad av LCP med ett totalt sammansatt fel på 6 mikrometer – vilket inkluderar toleransuppbyggnad för öppning, ytterdiameter och ingångsöppning (placering och diameter). LIGA-formarna kan göras tillräckligt exakta för att möjliggöra toleranser för ytfinish i angström, säger Hicks.
Han påpekar att tidigare tillverkningsmetoder är ”subtraktiva”, vilket innebär att man tar bort material för att bilda en färdig del. Galvaniskt formade verktyg kan, som Hicks uttrycker det, ”kringgå glasgolvet – den nedre gränsen för storlek och toleranser som subtraktiva metoder inte kan gå under eftersom de mekaniska egenskaperna hos de behandlade materialen inte skulle klara av de krafter som används för att avlägsna materialet”. Med andra ord skulle delarna skjuvas eller flisas i stället för att skäras.”
Andra produkter som tillverkas med LIGA är bl.a. hålfästen för precisionsbränsleinsprutare och skrivare i bläckstrålestil. Ofta kan de material som används i dessa tillämpningar med portar inte genomborras med mikroborrmaskiner eller laser utan att det uppstår sprickor eller andra oönskade effekter.
Hicks tillägger att ”Det är inte bara material eller process, utan hur båda kommer samman. Man behöver material som är följsamma och tekniker för mikroformning, t.ex. att kunna formspruta en liten mängd plast”. Goda exempel på hur material och precision kan kombineras är i medicinska LIGA-tillämpningar, t.ex. farmakologiska tester eller diagnostiska analyser. De senare måste ha släta kanaler och precisionsgjutna fickor för maximal vätskerörelse för att snabbt kunna separera till exempel en droppe helblod i en exakt mängd för mikroanalys. När en bloddroppe flödar in i analysen, separeras hemoglobinet (röda blodkroppar) från plasman och en exakt mängd, i tiotals pikoliter, flödar för analys utan närvaro av syre som kan förvränga testresultaten. Genom att gjuta sådana anordningar är de tillräckligt billiga för att vara engångsartiklar, vilket gör att man inte behöver oroa sig för kontaminering vid återanvändning.
Med kostnadseffektiva precisionskomponenter är handhållna diagnoser och instrument beroende av att elektronik, sensorer och energisnåla källor och motorer är gifta direkt i slutprodukten. Därför sätts trycket på konstruktörer av mekaniska komponenter att också göra sin del av en enhet ännu mindre, enligt Hicks.
För det sista noterar Hicks en intressant MEMS-utveckling att hålla ögonen på som heter Digital AngelTM (Digital Angel, Hauppauge, NY). Här vill konstruktörerna implantera en flexibel MEMS-krets under huden, eller i personliga tillhörigheter eller konstverk, som gör det möjligt att övervaka och spåra föremålet eller personen med hjälp av GPS-satelliter (se diagrammet). Tillämpningar på människor kan omfatta medicinsk övervakning och spårning av patienter, barn eller militär personal.
Chefsforskare Peter Zhou säger att nyckeltekniken är små, implanterbara RFID-chips (radiofrekvensidentifiering), uppladdningsbara batterier, sensorer och en mikrovågsantenn som är mindre än en tum lång. Bäraren, programmerade larm eller en avlägsen anläggning kan aktivera apparaten. För vardagliga tillämpningar skulle medicinska data kunna laddas ner till en central plats via en mobiltelefon eller en PC-modemlänk.
Detta samspel mellan elektronik och mekanisk utveckling ser ut att fortsätta, med ännu fler synergistiska resultat på gång.
7 tips för miniatyriseringsdesign
Amerikanska Laubschers vice vd Tom Hicks ger några punkter att ta hänsyn till när man utformar miniatyriserade produkter:
1 Handboksvärden för mekaniska materialegenskaper är nästan aldrig exakta. Man behöver inte ha ”överdriven” massa för att ha styrka. Bärande spänningar i förhållande till massan ger, när man passerat vissa tröskelvärden, effekter som liknar den stora styrkan i förhållande till vikten hos en myra. Man kan använda tunnare sektioner.
2 Kvalitets- och inspektionsmätningsmetoder blir mer specialiserade. Man använder mycket mer optisk inspektion eftersom man inte kan få mekaniska sonder dit man vill.
3 Ju mindre man blir mekaniskt, desto mer hanterar man komponenter och enheter som man skulle hantera elektronik. De är för små för att beröras direkt, och du bör montera komponenterna snabbt, t.ex. direkt i formsprutningsformen, för att undvika potentiell kontaminering. Precis som för elektronik kan man använda sig av produktionbandsmontering för att underlätta förpackning och hantering.
4 Vätskors ytspänning skiljer sig mycket från makrovärlden. Förhållandet mellan tillgänglig yta och vätskans massa är skevt mycket högt. Mikroytans vätningsegenskaper är avgörande.
5 Renlighet tas för givet. Damm ser stort ut jämfört med det man tillverkar. Det behövs åtminstone ett renrum på klass 10-nivå, men den exakta nivån beror på var en anordning ska användas – minimala nivåer behövs för växlar (såvida de inte är avsedda för medicinsk användning i människokroppen), medan damm i optiska produkter i hög grad kan påverka prestandan.
6 Koncept för makrokonstruktion kan ganska ofta översättas till mikrokonstruktioner med tillämpning av flera tillgängliga tekniker. En konstruktör kan dra nytta av expertisen hos dem som är verksamma inom området. Metoderna omfattar inte bara litografibaserade metoder för formsprutning av plast eller metaller, utan även trådbearbetning med elektrisk urladdning (EDM) för att avlägsna material för att bilda en form, laserablation och jon- eller galvanisk deponering.
7 Priset blir vanligen högre. Har din produkt råd att kosta till exempel 1,5 cent jämfört med 0,1 cent för en makrodel?
Mikrotillverkning av injektionsformar
Galvaniskt formade LIGA-formar resulterar i plastdetaljer med toleranser ner till 60,0001 tum (2 mikron). Namnet kommer från tyskan för litografisk galvanisk (plätering) tillverkning. Till skillnad från liknande tillverkning av halvledarmikrochips läggs LIGA-formade injektionsformar för plastdelar först ut med en tjockare fotoresistmask. Kortare våglängder, ner till röntgenstrålar, som är mer starkt kollimerade, bombarderar det underliggande resistensen utan mask, som kan vara kisel eller plast. Den exponerade strukturen ”utvecklas” (reduceras) sedan med hjälp av ett lösningsmedel eller jonätning för att avlägsna detta oönskade material. Därefter pläteras nickel eller nickelkobolt på det återstående resistensmaterialet, som sedan avlägsnas med hjälp av ett annat lösningsmedel eller till och med genom fysisk sprickbildning, så att det slutliga formsprutningsverktyget blir kvar. Detta verktyg används för att tillverka produktionsdelar. För prototyptillverkning (vänster sida av ritningen) kan den resulterande metallen fungera som del.
Behovet av avskärmning
I takt med att de elektroniska komponenterna kommer närmare varandra i miniatyriserade tillämpningar ökar behovet av att motverka elektromagnetiska störningar (EMI). Därför kan ytterligare avskärmning behövas, säger Jack Black, försäljningschef för Boldt Metronics International (Palatine, IL), en leverantör av elektroniska metallkomponenter, inklusive avskärmningar. Han tillägger att ett mindre paket också medför ett ökat behov av att avlägsna värmen från enheten, vilket kan ske med hjälp av värmeledande EMI-sköldar, fler fläktar och effektivare kylflänsar.
Black påpekar att med färre öppna ytor på kretskorten kan det bli svårare att använda EMI-avskärmningspackningar, som enligt honom behöver stora fotavtryck för att fungera effektivt. Därför kan det bli aktuellt med ytmonterade EMI-sköldar av metall, särskilt om dubbelsidiga kretskort används.
Han betonar också det ökade behovet av att ta fram prototyper av delar vid miniatyrisering. ”Omkonstruktionsmöjligheterna är begränsade på grund av den mindre storleken”, påpekar Black. ”Många gånger är kretskortslayouten mycket komplicerad, med fler lager än tidigare. Så enkla’fixar i utvecklingsstadiet är inte längre enkla. Att konstruera för potentiella problem i prototypstadiet gör det möjligt att snabbare komma ut på marknaden.”
Slutligt konstaterar Black att snabbare komponenter på grund av sina högre frekvenser driver upp behovet av avskärmning, oavsett om det är i mindre komponenter eller inte. Ju mindre en enhet är, desto större blir alltså behovet av avskärmning för att minska den ökade risken för korskoppling, eftersom fler höghastighetskomponenter kan placeras på ett mindre område.
5 överväganden för miniatyrsystem och -motorer
När man ställer upp krav på system som kan dra nytta av miniatyrisering i allmänhet och mikromotorer i synnerhet, erbjuder Steve O’Neil, vice vd för avancerad forskning och planering vid Micro Mo Electronics, fem faktorer som man bör ta hänsyn till:
1 Kostnad: Många människor tror att om något är mindre måste det vara billigare. Dyr teknik kan behövas för att tillverka miniatyriserade produktkomponenter.
2 Fysik: Man stöter på olika fenomen i små storlekar – inte spegelbilder av makrovärlden. Saker som hur material fäster vid varandra (sticktion som måste övervinnas) och smörjmedelsbeteende. I makrovärlden tas smörjmedel och överskottsströmmar för givna. I mikrovärlden kan smörjmedel fungera som ett klister och partiklarnas storlek kan skapa problem.
3 Ineffektivitet: Det behövs ett bra grepp om komponenternas effektivitet eftersom små enheter inte har stora effektmarginaler att spela med.
4 Sakkunskap: Prata med en kompetent leverantör. Utnyttja designkompetens hos företag som specialiserat sig på miniatyriserad utrustning för en praktisk kritik.
5 Motivering: Varför miniatyrisera om det inte finns någon affärsmässig anledning att göra det? Få marknadens input för ett tydligt mål.