03 — Aparatūra un elektronika

Būvēts fiziskajā slānī

Plates, silīcijs un darbgalds, uz kura tie tiek izgatavoti.

PCB izstrāde, SMD un SMT mikromontāža un biomedicīniskie mikročipi — projektēti, frēzēti, lodēti un korpusēti uz aprīkojuma, kas man pieder, pēc tam integrēti ierīcēs un mašīnās, kas tos izmanto.

Disciplīna

Mans aparatūras darbs sniedzas no shēmas līdz kailajam kristālam un atpakaļ uz augšu līdz gatavajai ierīcei, kuras iekšienē tas dzīvo.

Es izstrādāju PCB un veicu mikromontāžu pats: smalka soļa daļu SMD un SMT izvietošanu un mikrolodēšanu, kas iet kopā ar to. Darba mērogs ir pārvietojies no plates līmeņa elektronikas uz mikroelektroniku un nanoelektroniku — komponentiem, kas pietiekami mazi, lai mikroskops nebūtu pēc izvēles, bet gan galvenais instruments uz darbgalda.

Darbgalds ir mans no sākuma līdz beigām. Mikroskopijas un mikrolodēšanas aprīkojums smalkajam darbam, CNC iekārta iekšējai PCB ražošanai un FDM 3D printeris plastmasas korpusiem, vākiem, čaulām, pamatnēm un stiprinājumiem, kas izmitina katru ierīci. Šīs īpašumtiesības ir tas, kas ļauj projektam pārvietoties no izvietojuma uz pārbaudītu, korpusētu plati bez ārēja izgatavotāja ciklā pie katras revīzijas.

No turienes darbs ir integrācija. Iegultā SoC integrācija ievieto silīciju gatavā produktā; robotizēto sistēmu integrācija ievieto mikročipa vadības plakni mehānikas komandvadībā. Čips uztver, lemj un darbina — un padarīt to uzticamu lielākas sistēmas iekšienē ir daļa, kas prasa plašumu.

1.5 cm

pilnā vitālo rādītāju moduļa malas garums — vesela apakšsistēma apmēram 1,5 × 1,5 cm ietvaros

1 mm²

nanodatoru izmēra klase, ap kuru es projektēju kristāla līmenī

3

vitālie signāli, kas tiek apvienoti modulī: sirdsdarbības frekvence, temperatūra un SpO₂

100%

darbgalda ir mans — mikroskopija, mikrolodēšana, CNC PCB frēzēšana un FDM korpusi, paša spēkiem

Biomedicīniskais silīcijs

Pilnīga vitālo rādītāju sistēma naga lieluma izmērā.

Pielāgotas PCB ekstrēms makro ar kailo kristālu tās centrā.

Biomedicīniskais mikročips

Apmēram 1,5 × 1,5 cm, ar visu, kas valkājamajai ierīcei nepieciešams, jau uz plates.

Es projektēju biomedicīniskos mikročipus ap MEMS sensoriem, kas uzrauga sirdsdarbības frekvenci, temperatūru un SpO₂ — asins skābekļa piesātinājumu. Mērķis nav sensora izvada plate, bet pilnīga sistēma pēdas nospiedumā apmēram 1,5 × 1,5 cm.

Šajā laukumā atrodas tā paša mikrodators, MEMS sensori, signāla koncentrators, kas savāc to izejas, algoritmu procesors, kas pārvērš neapstrādātu signālu vitālajos rādītājos, Bluetooth antena izejas savienojumam, mikro LiPo baterijas un bezvadu uzlāde. Visa iegūšanas līdz pārraidei ķēde ir uz vienas mazas plates.

  • MEMS uztveršana SF, temperatūrai un SpO₂
  • Mikrodators modulī un specializēts algoritmu procesors
  • Bluetooth izeja, mikro LiPo barošana, bezvadu uzlāde ieejā
Kā viss savienojas

Signāla ceļš, izzīmēts.

modulis ≈ 1,5 × 1,5 cm MEMS sensori SF · Temp · SpO₂ Signāla koncentrators Algoritmu procesors Mikrodators skaitļošana modulī Bluetooth antena Barošana · mikro LiPo baterijas · bezvadu uzlāde apgādā katru bloku augšā

MEMS modulis — bloku diagramma

Uztveršana, koncentrēšana, apstrāde un savienojums — vienā substrātā.

Modulis ir maza cauruļvada līnija. MEMS sensori baro signāla koncentratoru; koncentrators nodod tīru, apkopotu plūsmu algoritmu procesoram; procesors ražo vitālos rādītājus, ko mikrodators pārraida pa Bluetooth antenu. Barošana un bezvadu uzlāde atrodas zem visas ķēdes.

Zīmēšana kā bloku diagramma ir veids, kā tiek izlemta izvietošana: analogie priekšgali paliek tuvu sensoriem, RF sekcija paliek tālu no trokšņainajām barošanas līnijām, un uzlādes spole iegūst savu zonu.

Būvēšanas cikls

Viena revīzija, no sākuma līdz beigām.

Viena plate, viena diena, uz mana paša darbgalda

  1. 01 Projektēšana Shēmas izveide un izvietojums platei, sensoru novietojums un RF sekcija.
  2. 02 Frēzēšana PCB substrāta CNC frēzēšana uz vietas, bez rūpnīcas izpildes termiņa agrīnajām revīzijām.
  3. 03 Mikromontāža Pasīvo komponentu, SoC un sensora korpusa SMD un SMT izvietošana zem mikroskopa.
  4. 04 Mikrolodēšana Smalka soļa daļu pārkausēšana un manuāla mikrolodēšana ar palielinošo darbgalda iekārtu.
  5. 05 Korpusēšana FDM drukāts plastmasas korpuss, vāks, pamatne vai stiprinājums, pielāgots gatavajai platei.
  6. 06 Validācija Ieslēgšana, signāla uztveršana un Bluetooth savienojuma pārbaude, pirms revīzija tiek atzīta par pabeigtu.
Trīs ieejas ceļi

Projektēšana, ražošana un integrācija.

No shēmas līdz platei, ko varu turēt rokā.

Es pats izstrādāju visu elektroniskās projektēšanas ceļu: shēmas izveidi, daudzu tīklu izvietojumu, pēdas nospieduma definēšanu un izvietošanas lēmumus, kas izšķir, vai 1,5 cm modulis ir patiešām uzbūvējams. Ierobežojums ir fizisks — sensoriem, signāla koncentratoram, procesoram, antenai un baterijām visiem jāsadzīvo vienā mazā laukumā, necīnoties savā starpā par vietu vai signālu.

Izvietojums ir vieta, kur disciplīnas satiekas. Bluetooth antena vēlas atstatumu un tīru zemējuma atsauci; sensoru analogie priekšgali vēlas klusas barošanas līnijas; bezvadu uzlādes spole vēlas savu zonu. Šo prasību saturēšana kopā vienā substrātā ir projektēšanas darbs, kas ir svarīgs.

  • Shēmas izveide un PCB izvietojums kompaktām jauktā signāla platēm
  • Pēdas nospieduma un slāņu kopuma lēmumi, vērtēti pret to, ko darbgalds spēj izgatavot
  • RF, analogās un barošanas zonas plānotas tajā pašā mazajā substrātā
Perifērija
PCB slāņu kopums — no augšas uz leju Lodalvas maska + sietspiede apdare Augšējais varš — signāls + SMD paliktņi maršrutēšana Dielektriskais kodols substrāts Zemējuma + barošanas plakne atsauce Apakšējais varš maršrutēšana metalizēts pārejas caurums

Skaitļošanas perifērija ar iegulto MI

Aparatūra, kas nes automatizāciju sevī.

Līdztekus biomedicīniskajam darbam es būvēju skaitļošanas perifēriju ar iegulto MI — aparatūru, kas ienes MI virzītu automatizāciju pašā ierīcē, nevis paļaujas uz saimniekmašīnu. Nolūks ir ergonomisks: ierīces, kas paredzētas, lai samazinātu atkarību no tastatūras un palielinātu ikdienas produktivitāti.

Tās tiek būvētas divos veidos. Dažas sākas uz komerciālām izstrādes platēm ātruma dēļ; citas darbojas uz manām paša izstrādes platēm, projektētām ap Nordic, Texas Instruments un Maxim Integrated nanodatoriem. Pielāgotais ceļš ir tur, kur korpuss sarūk un ierīce kļūst par savu paša autonomu sistēmu.

  • Iegultā MI automatizācija, uz ierīces
  • Ergonomisks nolūks — mazāk tastatūras, vairāk caurlaides
  • Nordic, Texas Instruments un Maxim Integrated nanodatori

Es nesūtu detaļu sarakstu uz rūpnīcu un negaidu. Plate tiek nofrēzēta, apdzīvota, salodēta, korpusēta un pārbaudīta uz darbgalda, kas man pieder.

Modulis, detalizēti

Kas atrodas 1,5 cm vitālo rādītāju čipa iekšienē.

Vitālo rādītāju modulis — komponenti

Formas faktors
≈ 1,5 × 1,5 cm
Skaitļošana
Mikrodators modulī
Uztveršana
MEMS — SF / Temp / SpO₂
Datu ceļš
Signāla koncentrators
Apstrāde
Algoritmu procesors
Bezvadu
Bluetooth antena
Barošana
Mikro LiPo baterijas
Uzlāde
Bezvadu uzlāde

Katra rinda ir apakšsistēma, kurai tas pats pusotrs kvadrātcentimetrs jādala ar pārējiem. Mikrodators darbina ierīci; MEMS bloks veic uztveršanu; koncentrators un algoritmu procesors pārvērš šo uztveršanu vitālajos rādītājos; Bluetooth antena tos iznes; LiPo elementi un bezvadu uzlādes spole uztur to dzīvu.

Inženierija nav neviena no šīm daļām atsevišķi — tā ir likt tām visām sadzīvot vienā mazā substrātā, ar tīru barošanu, izmantojamu RF savienojumu un vietu uzlādes spolei, korpusā, kas pietiekami mazs, lai to valkātu.

Instrumentu komplekts

Ko es ienesu aparatūras problēmā.

01

SMD / SMT mikromontāža

Smalka soļa virsmas montāžas izvietošana un pārkausēšana zem palielinājuma pasīvajiem komponentiem, SoC un sensoru korpusiem.

02

Mikrolodēšana

Maza ģeometrijas izmēra daļu manuāla lodēšana ar specializētu mikroskopijas un mikrolodēšanas aprīkojumu.

03

CNC PCB ražošana

Iekšēja plates substrātu frēzēšana, lai agrīnās revīzijas virzītos darbgalda, nevis rūpnīcas ātrumā.

04

FDM korpusi

3D drukāti plastmasas vāki, čaulas, pamatnes un stiprinājumi, pielāgoti katrai izstrādātajai ierīcei.

05

Iegultā SoC integrācija

Sistēmu-čipā ievešana gatavās ierīcēs fiziskajā slānī.

06

Sensoru sapludināšana

MEMS sirdsdarbības frekvences, temperatūras un SpO₂ signālu apvienošana vienā saskaņotā vitālo rādītāju plūsmā.

No vara līdz platei

Kā PCB tiek faktiski izgatavota uz darbgalda.

CNC izolācijas frēzēšana — šķērsgriezuma skats dielektriskais laminats vara celiņš vara celiņš izolācijas kanāls V veida frēze vārpsta ↓ urbts pārejas caurums

CNC PCB izgatavošana

Izolācijas frēzēšana, urbti caurumi un plate tajā pašā dienā.

Iekšēja PCB ražošana sākas no varu pārklāta laminata, nevis no rūpnīcas pasūtījuma. Izvietojums, ko es zīmēju, kļūst par instrumenta trajektoriju kopumu, kam CNC seko: smalka V veida frēze apvelk ap katru celiņu, lai to izolētu no apkārtējā vara, maza gala frēze attīra lielākos laukumus, un urbšanas cikli atver caurumus pārejas caurumiem un cauruļveida daļām.

Priekšrocība ir cikls, nevis apdare. Frēzētai platei nav lodalvas maskas un nav metalizētu mucu, tāpēc es alvoju celiņus un tiltoju pārejas caurumus ar roku — bet es varu turēt maršrutētu, urbtu plati stundas laikā pēc izvietojuma pabeigšanas, pēc tam to pārgriezt brīdī, kad projekts mainās. Tas ir tas, kas uztur agrīnās revīzijas darbgalda ātrumā.

  • Celiņu izolācijas maršrutēšana no varu pārklāta laminata
  • Vara laukumu attīrīšana ar gala frēzi un urbti pārejas caurumu un paliktņu caurumi
  • Ar roku alvoti celiņi un tiltoti pārejas caurumi metalizēta procesa vietā
Termiskais cikls

Pārkausēšana ir temperatūras profils, nevis mirklis.

Pārkausēšanas profils — temperatūra pret laiku laiks → temp → likviduss priekšsildīšana izturēšana virsotne atdzišana

SMD pārkausēšanas profils

Priekšsildīšana, izturēšana, pārkausēšana un kontrolēta atdzišana.

Virsmas montāžas lodēšanu pārvalda temperatūras pret laiku profils, nevis viena karstuma pieskāriena. Montāža tiek vesta cauri četrām stadijām — priekšsildīšana, izturēšana, pārkausēšana un atdzišana — un šīs līknes forma ir tas, kas izšķir, vai savienojumi iznāk stabili vai sasprindzināti.

Katra stadija veic konkrētu uzdevumu. Priekšsildīšana lēni paceļ daļas no istabas temperatūras, lai nekas neieplaisātu no termiskā šoka; izturēšana uztur plato, kas aktivizē kušņus un izlīdzina karstumu starp nesakritīgām termiskajām masām; pārkausēšanas virsotne šķērso lodalvas likviduspunktu, lai virsmas spraigums varētu pievilkt katru daļu taisni uz tās paliktņiem; atdzišana nostiprina gatavo savienojumu graudu struktūru.

Sekot līknei ir vissvarīgāk mazajā mērogā, kur sīks korpuss un liels zemējuma laukums uzkarst ļoti dažādos ātrumos. Cikla profilēšana ir veids, kā abi nonāk līdz temperatūrai vienlaikus.

Četras cikla stadijas

  1. 01 Priekšsildīšana Plate lēni uzsilst, lai montāža uzkarstu vienmērīgi un termiskais šoks uz daļām paliek zems.
  2. 02 Izturēšana Uzturēts plato ļauj kušņiem aktivizēties un temperatūrai izlīdzināties starp lieliem un maziem komponentiem vienlīdzīgi.
  3. 03 Pārkausēšana Virsotne šķērso lodalvas likviduspunktu; pasta izkūst un virsmas spraigums pievelk katru daļu uz tās paliktņiem.
  4. 04 Atdzišana Kontrolēta nolaišanās ļauj savienojumiem sacietēt stabilā graudu struktūrā, pirms plate tiek aiztikta.
Darbgalds, palielināts

Mikroskopijas un mikrolodēšanas iekārta.

Zem noteikta daļas izmēra mikroskops ir darbgalds — viss pārējais tiek sakārtots ap to, ko tas spēj redzēt.

Smalkais darbs tiek veikts zem stereomikroskopa, kas dod dziļumu un darba attālumu: pietiekami daudz vietas, lai laukā ienestu smalku lodāmura uzgali, karsto gaisu un pincetes, vienlaikus saglabājot fokusā abus daļas izvadus. Izvietošana, pārbaude un pārstrāde notiek visi caur to pašu optiku, tāpēc es nekad nestrādāju akli pie savienojuma, ko nevaru izšķirt ar aci.

Mikrolodēšana šajā mērogā ir par kontroli, nevis ātrumu. Smalks uzgalis un mazs, labi ar kušņiem apstrādāts lodalvas tilpums veic darbu; karstais gaiss tiek galā ar daļām, kurām jānoņemas, netraucējot to kaimiņus. Mikroskops pārvērš pārtiltu smalka soļa pāri no neredzamas kļūmes par kaut ko, ko es varu redzēt un novērst.

Tā pati iekārta ir vieta, kur sākas validācija. Pirms revīzija tiek atzīta par pabeigtu, tā iziet cauri ieslēgšanai, signāla uztveršanai no sensoriem un Bluetooth savienojuma pārbaudei — uztverta agri, zem optikas, kamēr plate vēl ir viegli pārstrādājama.

Ražošanas darbgalds

Optika
Stereomikroskops
Mikrolodēšana
Smalks uzgalis + karstais gaiss
PCB izgatavošana
CNC frēze, uz vietas
Korpusi
FDM 3D printeris
Izvietošana
Manuāla, zem palielinājuma
Pārkausēšana
Profilēts termiskais cikls
Validācija
Ieslēgšana + signāla uztveršana
Savienojuma pārbaude
Bluetooth verifikācija
No sensoriem līdz skaitlim

Ko sensoru sapludināšana patiešām dara.

Sensoru sapludināšana — trīs kanāli iekšā, viena plūsma ārā Sirdsdarbības frekvence Temperatūra SpO₂ Koncentrators saskaņot + sapludināt Algoritms vitālie rādītāji ārā

Sensoru sapludināšana — signāla ceļš

Trīs neapstrādāti signāli, viena saskaņota vitālo rādītāju plūsma.

Sensoru sapludināšana vitālo rādītāju modulī ir solis starp neapstrādātu pārveidošanu un izmantojamu nolasījumu. MEMS priekšgali katrs ražo trokšņainu, daļēju ainu: optisks kanāls sirdsdarbības frekvencei un SpO₂, termiskais kanāls temperatūrai. Neviens no tiem pats par sevi nav pabeigts mērījums.

Signāla koncentrators apkopo šos kanālus vienā tīrā, laikā saskaņotā plūsmā, un algoritmu procesors pārvērš šo plūsmu vitālajos rādītājos — noraidot kustības artefaktus, uzturot stabilu frekvenci un ražojot SpO₂ skaitli no optisko kanālu attiecības. Sapludināšana ir tas, kas liek modulim ziņot skaitli, kam cilvēks var uzticēties, nevis viļņu formu, kas cilvēkam jāinterpretē.

  • Optiskie un termiskie MEMS kanāli iegūti paralēli
  • Koncentrēšana vienā laikā saskaņotā plūsmā pirms apstrādes
  • Artefaktu noraidīšana un uz attiecību balstīta SpO₂ algoritmu stadijā
Uzturēt to dzīvu

Bezvadu uzlāde, uzzīmēta kā divas savienotas spoles.

Bezvadu uzlāde — induktīvs savienojums maiņstrāvas dzinis TX spole gaisa sprauga · lauks RX spole taisng + regul LiPo

Bezvadu uzlāde — spoļu savienojums

Lauks pāri spraugai, taisngriezts atpakaļ elementos.

Bezvadu uzlāde valkājamā modulī ir induktīva: raidīšanas spole pamatnē vai pad nes maiņstrāvu, šī strāva izveido mainīgu magnētisko lauku, un uztveršanas spole modulī pārvērš lauku atpakaļ strāvā. Abas spoles ir vāji savienots transformators ar gaisu vidū kodola vietā.

Moduļa pusē inducētā strāva tiek taisngriezta un regulēta, pirms tā sasniedz mikro LiPo elementus, un uztveršanas spolei nepieciešama sava zona substrātā, lai tās lauks nesavienotos ar analogajiem priekšgaliem vai Bluetooth sekciju. Šī laukuma rezervēšana ir izvietojuma lēmums, pieņemts agri, jo nav vietas to pārvietot vēlāk uz 1,5 cm plates.

  • Induktīvs savienojums starp raidīšanas un uztveršanas spoli
  • Taisngriešana un regulēšana pirms mikro LiPo elementiem
  • Rezervēta spoles zona, atturēta no analogajām un RF sekcijām
Korpusa iekšienē

SoC ir sistēma, pirms tas ir čips.

Sistēmas-čipā kristāla makro, kas parāda integrēta izkārtojuma plāna regulārus blokus.

Iegultā SoC integrācija

Kodolu, atmiņas, radio un analogā izkārtojuma plāns — vienā kristālā.

Sistēma-čipā nav viena funkcija korpusā; tas ir izkārtojuma plāns. Procesora kodols, kristālā iebūvēta atmiņa, radio bloks bezvadu savienojumam, analogie priekšgali sensoriem un barošanas pārvaldība visi atrodas uz tā paša silīcija, izkārtoti tā, lai trokšņainās un jutīgās daļas paliktu šķirtas.

Integrēt vienu nozīmē strādāt ar šo iekšējo struktūru, nevis pret to: uzturēt radio atsauci tīru, dot analogajām jomām klusu barošanu un maršrutēt plati tā, lai paša SoC ierobežojumi tiktu ievēroti pie korpusa kontaktiem. Nanodatori, ap kuriem es būvēju — no Nordic, Texas Instruments un Maxim Integrated — ir tieši šie integrētie izkārtojuma plāni, sarauti līdz 1 mm² klasei, kas ļauj gatavai ierīcei kļūt par savu paša autonomu sistēmu.

  • Kodols, atmiņa, radio un analogais kā bloki vienā izkārtojuma plānā
  • Plates maršrutēšana, kas ievēro SoC iekšējos ierobežojumus pie kontaktiem
  • Nordic, Texas Instruments un Maxim Integrated kā silīcija bāze
Viens pavediens cauri visam

No apstrādātas daļas līdz vadības plaknei mašīnā.

Darbs ir nepārtraukta sarukšana. Tas sākas plates līmenī, kur daļas tiek apstrādātas ar roku un izvietojuma disciplīna tiek nostiprināta. Tas sašaurinās mikroelektronikā, kur mikroskops kļūst par darbgaldu. Tas sasniedz nanoelektronikas mērogu, kur 1 mm² nanodators ir lielākā daļa ierīces un plate tiek reducēta uz nesēju. Un tas atgriežas atpakaļ caur integrāciju, kur šis silīcijs kļūst par gatavas ierīces vai mašīnas vadības plakni.

Lasīt to kā vienu līniju ir būtība. Tās pašas rokas, kas izvieto smalka soļa daļu, ir tās, kas daudz vēlāk izlemj, kā mikročips komandē robotizētas sistēmas mehāniku. Darbgalds, silīcijs un integrācija nav trīs darbi — tas ir viens ceļš, izstaigāts no sākuma līdz beigām.

  1. Plates līmenis Diskrēta elektronika un korpusētas IS Daļas apstrādātas ar roku, paliktņi redzami, izvietojuma disciplīna nostiprināta cilvēka mērogā.
  2. Mikroelektronika Smalka soļa SMD zem mikroskopa Mikroskops kļūst par galveno instrumentu izvietošanai, pārbaudei un pārstrādei.
  3. Nanoelektronika Kailais kristāls un 1 mm² nanodatori Čips kļūst par lielāko daļu ierīces; plate tiek reducēta uz nesēju un savienojumu.
  4. Integrācija Ierīcēs un mašīnās Iegultā SoC un robotizēto sistēmu integrācija, ar mikročipu kā vadības plakni.
Mēroga izvēle

Plate, mikro vai nano — kur problēma patiešām atrodas.

Kur dzīvo lielākā daļa elektronikas, un kur es sāku.

Darbs plates līmenī ir pazīstamais mērogs: diskrēti pasīvie komponenti, savienotāji un korpusētas integrālās shēmas, izvietotas uz maršrutēta substrāta. Daļas ir pietiekami lielas, lai tās apstrādātu, paliktņi ir redzami, un kļūmes veidi ir tie, ko katrs elektronikas inženieris apgūst vispirms — aukstie savienojumi, tilti un apgriezta polaritāte.

Es izturos pret šo mērogu kā pret pamatu, nevis griestiem. Tā pati izvietojuma disciplīna, kas uztur plates līmeņa projektu tīru — īsi atgriešanās ceļi, apzināts zemējums, atdalītas analogās un digitālās jomas — ir tā, kas pārceļas uz augšu, kad daļas sarūk un rezerves pazūd.

  • Diskrēti pasīvie komponenti, savienotāji un korpusētas IS uz maršrutēta substrāta
  • Tīra zemējuma un atgriešanās ceļu plānošana kā pamata ieradums
  • Mērogs, kurā izvietojuma disciplīna tiek nostiprināta, pirms tā tiek pārbaudīta

Open to the right work

Ja jūsu ierīcei nepieciešama plate, silīcijs un darbgalds zem viena jumta — tas ir darbs, ko es daru.

If you are holding a problem that doesn't fit inside one field, that is the conversation I want.

NextNanotechnology