Miniature'ı Mastering: Overcoming Challenges in Mechatronic Cool Downsing

Daha küçük, hafif ve daha yetenekli cihazlar için sürekli zorlama, modern mühendislikte bir merkezi tema haline getirdi. implantatif tıbbi sensörlerden, mikro-drones navigating çöktürme yapılarına kadar, karmaşık metronic sistemlerini - mekanik, elektrik ve hesaplama elemanlarını bütünleştirme yeteneği - bir kez bilim kurguya sınırlıyor.

Küçük Sistemlerin Arkasındaki Araba Kuvvetleri

Miniaturize motivasyonu estetik veya tüketici itirazının çok ötesine geçer. Havacılıkta, her gram bir uydunun tepki tekerleğinden veya eylemciden alıntılar doğrudan daha düşük başlangıç maliyetlerine ve elektronik olarak ödeme kapasitesine bağlanır. İlaçta, bir milimetre altında bir delikli bir boşluk hassas vazoyu sağlayarak, bu testleri hedef alan veya mikroskopları azaltıp mikro-köpektifleri ve mikropleri doğru bir şekilde kullanarak çalışır.

Moore Yasası'nın tahmin edilebilir ölçeklerini on yıllardır takip eden dijital elektronik aksine, mechatronic bileşenleri tamamen yeni mühendislik yaklaşımlarını gerektiren ve en kritik engeller ve yenilikçi cevaplara yol açan mikrometre aralığına, yüzey kuvvetlerine yaklaşırken, viskous sürüklenmeye başlar.

Miniaturizasyonda Eleştirel Meydanlar

Az önce indirilen maddelerde malzeme davranışı

Bulk malzeme özellikleri genellikle birkaç yüz mikrometrenin altında küçültülemez hale gelir. Silikon, yüksek güç seviyesi için ödül kazandı, mekanik anisotropy ve yorgunluk yaşam süresi tahmin edilemez hale gelir; makroskobik çarşaflarda esnekken, daha az sayıda bakır ve alüminyum gibi metaller, sadece birkaç mikroskopun büyüklüğüne yaklaştıklarında verimsiz bir şekilde kırılabilir.

Sıcaklık yönetimi başka bir akut meydan okumadır. Miniaturized motorlar ve güç dönüştürücüler, bir nükleer reaktör çekirdeğinin bularını aşabilecek ısı kesicileri üretirler. Manyetik temel malzeme saturize veya rüzgarlı ısıtılmış ısıtılmış ısıtımı için minimum yüzey alanı ile, ısıtılmış ısıtılmış ısı kaplamaları ile birlikte, nanotüplü bir mikro-düşüklü kaplamalar ile kombine edilir.

Hassasiyet Kumaşı ve MEMS Çerçeve Çerçeve Çerçeve

Mikro metre seviyesindeki toleranslarla fonksiyonel yapıların azaltılması, yarı iletken endüstriden ödünç alınan üretim süreçleri gerektirir. Mikro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) teknolojisi, fotolithografi, etching ve ince film depozisyonu ile uyumlu hale getirilmesi, bir hızlama için iş birliği haline geldi - bir hızlamaları ve mikro-miroratörlerin getirdiği parçalar, elektro-yaşlı çekimler nedeniyle kalıcı olarak kısıtlar: tasarımları büyük ölçüde planlayıcı olmalıdır.

Metallerde ve plastiklerin karmaşık maskeler için gerekli olan mekanik özellikler, bu arada, alternatif üretim rotaları, yüksek performanslı mikro-düşüklümlü yüzeyler gibi, neredeyse üç boyutlu geometriler kullanarak, metallerde ve plastikler ile karmaşık maskeler oluşturabilir. Lazer ablasyon, bu arada, femtosaniye lazerleri de dahil olmak üzere, iç içe dönük mikro-gerçekten fazla yüzeysel olmayan yüzeylerde üretim hatlarının yapımına izin verir.

Power Delivery: Yoğunluk, Depolama ve Heat

Hiçbir mechatronic sistemi güvenilir bir güç kaynağı olmadan işlev görebilir ve mikro-düşük elektrotların iç direnci çizilebilir. Konvansiyonel lityum-iyon hücreleri, bataryanın teslim edilmesinden daha fazla güç talep ederse kapasite kesintisini kaybeder. -şimdi koleksiyoncular, separatorlar ve kaplamalar - daha büyük bir hacim.

İki tamamlayıcı strateji bu boşluğu ele alıyor. İlk olarak, sağlam devlet mikro-konteleri sıvı elektrolitleri ince filmli sağlam elektrolitlerle değiştirir, tüm hücrenin doğrudan bir silikona depolanmasını sağlar.Bu bataryalar yüksek hacimsel enerji yoğunluklarını, daha iyi güvenlik sağlar ve elektronikleri bize uygun hale getirmek için şekillendirilebilir; enerji hasatları akülü sistemler için uygulanabilir veya yedeklenir.

Termal yönetim güçle sıkı bir şekilde bağlantılıdır. tırkanlıklı ısı batağına güvenmek yerine, tasarımcılar mikro ısı borularını entegre eder - yüksek yük dönemlerinde çalışan bir sıvı içeren ve kondüktörler.

Bütünleşme ve Interconnect Challenges

Bireysel bileşenler küçüldüğü gibi, aralarındaki bağlantılar - çelik bağlar, baskılar ve limitler, yoğun mechatronic assembly, elektromanyetik müdahale (EMI) sadece birkaç yüzyüzlülükten sonra, şarj edilebilir veya duyusal baskılar için okumalar. Ayrıca, silikon, metaller ve polimerler arasındaki yanlış karşılaştırmalar, ısıtılır ve sıcaklık artışları sırasında strese yol açabilir.

Çözüm, sistem-in-package (SiP) ve 3D heterojen entegrasyon gibi gelişmiş paketleme teknolojilerinde yatıyor.Inper-pitch interconnects, tasarımcılar büyük ölçüde kısa sinyal yolları, parasitics ve genel ayak izi azaltır. Örneğin, mikro-robot kontrol ünitesi, ve elektrik yönetimi devreleri, mikro-parlama sistemleri, yüksek çözünürlükte 1 mm'lik bir paketle sabit bir şekilde toplanabilir.

Mikro Scale'de yeniden kullanılabilirlik ve test

Mikro-mechatronic cihazının amaçlanan ömrüne güvenilir bir şekilde çalışacağını sağlamak özellikle zordur, çünkü başarısızlık mekanizmaları makro ölçeklilerden farklı olarak, kısa devrelere veya korozyona yol açan küçük toz veya tozların parçacıklarını bir araya getirebilir.

Hızlandırılmış yaşam testleri bu gerçeklere adapte edilmelidir. Mühendisler mikro yapıların yeniden boyutlandırmasını ve mikro yapılarını izlemelerini sağlarken, hasar gösteren kütle değişiklikleri veya sertlik kaymalarını tespit eder.In-situ mekanik problar cihazı mikro-kantilversiyonda doğrudan gözlemleyerek sağlar. Lazer Doppler vibrometreler mikro-yapıların resonant frekanslarını ölçerler, hasar gösteren bir mikro-fik paketlemeler için, bir mikro-seçiciye karşı koruma sağlar.

Yenilikçi Çözümler Micro Frontier'i arabayor

Aşırı Koşullar için Mühendis Edilen Malzemeler

Malzeme bilim adamları özellikle mikro ölçekli mechatronics. Nanocompositler için tasarlanmış bir maddelerin bir paleti geliştiriyorlar - karbon nanotüpleri, grafikene veya nano-clays gibi nanoparçacıklar ile takviye edilen nanokompozisyonlar - geri kalan işlem sırasında etkili bir mikro-uzunluk artışını artırmak için. Örneğin, sadece% 1'i poliimide filme ekleyen grafiklere ekleyen bir mikro ısı iletkenliği artırmak için.

Nitinol gibi formlar (SMAs), PZT (lead zirkonat) gibi ince filmlerdeki nanoyapımlara veya yüzeylere dayanan nano-parçacıklı yüzeylere karşı çıkabilmeleri için, yüksek çözünürlükte ve yer alan nano-parçalı yüzeylere veya betonlar için mikro-parlak olmayan yüzeylere izin vermek için yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan mikro-parçalı yüzeylere izin verebilir.

Gelişmiş Mikrofabrikasyon: Planar Lithography

Üretim aracı kutusu geleneksel iki boyutlu MEMS işlemenin çok ötesine geçti.ETHFLT:0)İki foton polimerizasyon (2PP) 3D mikro-robotik uzuvların üretimine izin veren[Dönemli baharlar, 200 nm’ye kadar özel ölçekler ile birlikte yapılar oluşturabilir. Bu işlem, nano-söpürücük-dönüşümlü bir baskıya doğrudan silikon veya cam yüzeylere sahip olan firmalara doğrudan baskı yapmak için Femin ve jantajlar sunar.

[D) [D) [D) ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ]

Başka bir umut verici yön şu:0) Kendi kendine benzeyen (DSA)[DFLT:1), 10-50 nm ölçeğinde gerçekleştirilen blok kopolimerlerin spontane olarak sipariş edilen kalıplar kullanılarak, DSA en sonunda endüstriyel üretim için pahalı bir lithografi adımlarını değiştirebiliyordu.

Power Solutions: Susaj, Solid-State Pilleri ve Kablosuz Transfer

Batarya kısıtlamalarından serbest bırakmak için, entegre enerji hasatı standart bir tasarım elemanı haline geliyor. Mikro-thermoelektrik jeneratörleri, sıcaklık farklılıklarının dönüştürülmesi için görünür - insan vücudundan ve havadaki titreşimlerden kaynaklanan enerji gibi - doğrudan çip paketlere depolanabilir, mikrowatt hasat sağlar.[Dönderler, MEMS’ler, genellikle bir kitleyle sabitlenebilir, makinedeki titreşimleri ortadan kaldırırlar, araçlarda veya insan hareketine göre.

Solid-state mikro-batteler, standart ayrışma yöntemleri kullanılarak ünite hacmine daha yüksek enerji yoğunluğu sunar.Sescel-film elektrolitleri (often lityum phosphorus oxynitride, LiPON) parasal şekillerde yığınlama sağlar ve standart bir ayrıştırma yöntemleri kullanarak doğrudan bir silikonun içine entegre edilebilir. STMikroelektronik ve TDK gibi şirketler, birkaç yüz mikro-devlet pillerini kapasiteye kadar şarj edilebilir.

Kablosuz güç transferi (WPT) tekrar girişli indüktif darbe ile, özellikle mühürlenmiş olan tıbbi implantlar veya cihazlar için başka bir çözüm sunar. Vücut veya depolama alanında birincil bir anahtarlama cihazı, cihazda entegre edilmiş bir banta entegre edilebilir; efficiler birkaç milimetrenin mesafelerini aşabilir. Radyo frekansı (RF) hasat etmek, bu da çevre Wi-Fi veya hücresel sinyalleri yakalar, düşük güç sensörleri için bir depolama kapasitörünü hilektedir.

Sistem-Level Design ve Multifizik Simülasyon

Modern simülasyon araçları, karmaşık etkileşimleri miniaturized mechatronic sistemlerinden uzaklaştırmak için vazgeçilmezdir. COMSOL ve ANSYS gibi çok fiziğe, termal, yapısal ve akışkan davranışların aynı anda azaltılmasına izin verir.Örneğin, bir mikro-valve simülasyonun ısınması, taşıyıcının termal genişlemesi, jiz tabakaların ısıtılması ve demir tabakalarının stres konsantrasyonları ile ilgili olarak tüm modeller - tüm çiftleştirici risklerin birlikte belirlenmesine yardımcı olur.

Topoloji optimizasyonu algoritmaları, sadece betonla tanışmak için malzemeye dayalı yapılar üretebilir ve rezonansa dayalı frekans kısıtlamaları sağlar. Elde edilen organik şekiller - en az retorik biyolojik formlar - sadece üretim veya mikro-casting. Tasarım-for-manufacturability (DfM) kurallarının artması, mikro-mechatronic cihazların yüksek verim sağlar; örneğin, minimum spacingler, keskin köşelerden kaçınmak ve sadece stres içeren özellikler.

Gerçek Dünya Etkisi: Uygulamaları Miniaturization tarafından Sürücü

Tıbbi Mikrodevices

PillCam gibi enjektif kapsül uçoskopları, bir kamera, LED'ler, kablosuz bir verici ve bir batarya, en az 11 mm'lik bir kapsüle kadar yutulabilir kapsüller.Bu cihazlar artık vücut sıvıları ile yüzmeyi sağlayan birçok gastrointestinal muayene için invaziv endoskoplar geliştirir; bu cihazlar, doğrusal olmayan bir aynaya ve küçük bir manyetik rezonansa veya manyetik rezonansa güvenerek küçük bir yüzeysel kontrollere güvenir.

Tüketici Elektronik ve Giyilebilir

Modern bir akıllı telefondaki haptik motor, her mobil cihazda standarttır, ses komutları, aktivite izleme ve görüntü stabilizasyon sağlar, mikrofonlar, yakın sensörler ve antenler sadece birkaç metreye sahiptir - her mobil cihazda standarttır, tırronik bir şekilde çalışır ve esnektir.

Otomotiv ve Havacılık

Modern araçlar onlarca minimüreli basınç sensörleri, hızlayıcılar ve motor yönetimi için gyroskoplar, hava torba dağıtım, stabilite kontrolü ve otonom sürüş. Bu bileşenler, 125 °C'yi aşan sıcaklıkları, sürekli titreşim ve elektromanyetik müdahaleye neden olabilir. Uzayda, CubeSats tepki tekerlekleri, güneş sensörlerine ve propulsion birimlerine güvenir - mikrometrelerde düzenli olarak ölçülmelidir.

Ahead: Nano Frontier ve Akıllı Sistemler

Miniaturizasyon için bir sonraki ufuk nano ölçeklidir, nano-electromechanical sistemler (NEMS) ve moleküler makineler ortaya çıkıyor. Araştırmacılar, nanotüp bazlı hareketleyicilere tepki vermelerini ve DNA tabanlı nano-bazlı nanorobotlar için tedavi yüklerini serbest bırakmak için kapatabileceklerdir.

Nesnelerin İnterneti (IoT) bağlantılı sensörlerin trilyonları, tek bir bataryada yıllarca çalışmalı veya tek bir tane olmadan bile tek bir batarya üzerinde çalışmalıdır.Kendi gücüyle, kendi kendini tanımlayan mikro-mekat düğümleri, bugün geliştirilecek olan enerjiyi birleştirecektir, enerji depolama, algılama ve tek bir çipde kablosuz iletişim. Mekanik, elektronik ve biyolojik sistemler arasındaki sınırlar her türlü insanı güçlendiriyor.

Hayat tasarrufu tıbbi implantlardan akıllı binalar ve fabrikaların bağlantılı kumaşına kadar, mini mekatronik bileşenler 21. yüzyıl inovasyonunu kullanan görünmez motorlardır.