titPríspevok sa venuje výskumu v oblasti výroby malých antén pre mikroelektrotechnický priemysel. Kmeňovou technológiou je navíjanie. Na úspešné zvládnutie vývoja novej výrobnej technológie bolo potrebné vyvinúť nový spôsob navíjania vzhľadom na unikátny charakter produktu.


Okrem technológie navíjania je potrebné zvládnuť viaceré technologické časti, ako sú tepelno-mechanické spájanie rôznych materiálov, bezkontaktné studené delenie materiálu a manipulácia s extrémne krehkým a tvrdým materiálom..
Implementácia elektronických komponentov do rôznych oblastí života zabezpečuje technologický pokrok rôznych produktov ako sú napríklad automobily, telekomunikácie, bankovníctvo atď. Malej slovenskej firme sa podarilo vynájsť unikátny produkt – špeciálnu anténu, ktorej výkon je vzhľadom na jej malé rozmery prinajmenšom pozoruhodný a vo svete sa jej nič nepribližuje. Na to, aby sa tento produkt mohol stať skutočným a využívaným vo svete, bolo potrebné vynájsť technológiu na jeho výrobu.
Tento zaujímavý produkt však bolo treba pretransformovať z teoretickej úrovne do reálneho produktu vo fyzickom svete.
Vzhľadom na unikátnosť produktu a fakt, že momentálne neexistuje technológia, ktorá by mohla byť použitá pri jeho výrobe, bude musieť byť aj jeho výrobná technológia unikátna. Množstvo technických prvkov tejto antény nebolo nikdy pred tým vymyslených, a preto nie je možné využiť existujúce výrobné technológie. V príspevku je opísaný výskumný proces, ktorý viedol k vývoju novej výrobnej technológie, overovanie jednotlivých nápadov laboratórnymi skúškami, analýza a optimalizácia procesov a komponentov použitých vo finálnom zariadení a výroba samotného zariadenia (1).

Základy konštrukcie vinutých elektromagnetických cievok

Technické vlastnosti produktu
Technické vlastnosti produktu sú jednou zo základných požiadaviek každého odberateľa ako napríklad odolnosť polotovarov voči mechanickému tlaku, rázom, treniu, ohybu. Z týchto požiadaviek sa vychádzalo pri výbere polotovarov, ktoré by spĺňali potrebné mechanické a elektrické vlastnosti hotového výrobku.

Realizácia výrobného zariadenia
Hlavným cieľom projektu, a teda aj jeho výstupom, je vývoj funkčnej výrobnej technológie schopnej vyrábať opakovateľne presné produkty a aplikovať ju v zariadení určenom do sériovej výroby.

Teoretické základy konštrukcie vinutých elektromagnetických cievok
Anténa
A51 (pracovný názov výrobku) je tvorená istou formou elektromagnetickej cievky. Cievky sa môžu využívať v podstate dvoma spôsobmi. Prvým je, keď cievke dodávame elektrickú energiu a cievka vyžaruje magnetické pole, a druhým je, keď vonkajšie v čase sa meniace magnetické pole pôsobí na vinutie cievky tak, že sa v ňom vytvára napätie (rozdiel potenciálov). Ampérov zákon popisuje, magnetické pole, ktoré sa vytvára pri toku elektrického prúdu cez akýkoľvek vodič. Tento jav je popísaný zovšeobecnenou Ampér-Maxwellovou rovnicou.
rov1

Smer magnetického poľa cievky je možné určiť pravidlom pravej ruky. Stred vinutia je nazývaný jadro cievky, niekedy magnetická os. Vodiče používané na tvorbu vinutia musia byť povrchovo izolované, aby sa navzájom neskratovali. Najčastejšie sa používajú medené vodiče so smaltovou izoláciou. Výhodou použitia skrutkovicového vinutia cievok (viacero závitov) je to, že pri takomto usporiadaní vodiča sa zvyšuje sila magnetického poľa produkovaného pretekajúcim prúdom. Magnetické polia generované v každom závite cievky sa superponujú do strednej osi cievky kde vytvárajú silné magnetické pole. Čím viac závitov cievka bude mať, tým silnejšie magnetické pole sa v jej osi bude tvoriť.
Cievky, ktoré majú jadro uzatvorené do spojitej slučky niekedy tvorené tak, že jadro je prerušené a inokedy tak, že jadro je tvorené jediným kusom materiálu, poskytujú uzavretú cestu pre magnetické polia. Takéto cievky produkujú najsilnejšie magnetické polia a často ich možno pozorovať v toroidných transformátoroch. Tento typ cievky sa vyznačuje nízkymi stratami a minimálnym elektromagnetickým rušením.
Cievky, ktorých jadro je tvorené jednoduchým tvarom, ako je napríklad kváder alebo tyč, majú nižšiu vyžarovaciu schopnosť a indukčnosť, ale na druhej strane je tento tvar jadra dobrou prevenciou pred magnetickou saturáciou jadra cievky.
Elektromagnetické cievky sa delia podľa rôznych parametrov. Niektoré cievky operujú s jednosmerným prúdom, iné so striedavým. Konštrukčne odlišné sú cievky aj podľa toho, v akom frekvenčnom pásme vedia pracovať, alebo podľa toho, na aké účely sa používajú.

obr1
Obr. 1: Manuálne vyrobený prototyp antény A51

 

Charakteristické vlastnosti antény A51
Anténa A51 sa skladá z troch základných polotovarov: Jadro, vinutie a dielektrikum. Anténa A51 patrí do kategórie cievok s otvoreným jadrom. Vzhľadom na rozmerové požiadavky a rezonančnú frekvenciu je tento tvar jadra vhodný. Cievka je naladená na vysoké frekvencie v pásme medzi 10 až 20 MHz. Cievka používa jadro vytvorené zo špeciálneho materiálu, ktorého hlavnou zložkou je ferit. Z mechanického hľadiska je tento materiál veľmi krehký a tvrdý. Jeho lámavosť je podporená pórmi v celej štruktúre. Vinutie pozostáva z medeného vodiča s tenkým smaltom. Priemer vodiča je približne 45,5µm. Tento vodič je vinutý paralelne.
Anténa A51 je SMD súčiastka. Jej montáž do elektronického celku je teda realizovaná cínovou vlnou. Vonkajšie rozmery antény sú 8 000x600x800 µm.

Jadro antény
Jadro antény tvorí feritový hranol. Použitie feritového jadra má dve základné výhody: Feritové jadrá majú vysokú magnetickú permeabilitu v porovnaní s inými materiálmi používanými ako jadrá cievok a zároveň má nízku elektrickú vodivosť. Vďaka nízkej elektrickej vodivosti sa podstatne eliminujú straty vírivými prúdmi v jadre. Ferity sú keramické zlúčeniny zložené z kovov z d-bloku periodickej sústavy prvkov s kyslíkom. Tie sú feromagnetické ale zároveň nevodivé. Tieto ferity sa zvyknú nazývať aj mäkké ferity vďaka ich nízkej koercivite.
Najčastejšie sú tieto feritové jadrá tvorené z oxidov železa v kombinácii s niklom a zinkom. Niekedy sa pridáva do zmesi aj mangán. Dva najčastejšie sa vyskytujúce základné materiály sú:
• MnxZn(1-x)Fe2O4 – majú vyššiu permeabilitu a vyššiu saturačnú úroveň než NiZn ferity.
• NiaZn(1-a)Fe2O4 – vyznačujú sa vyššou rezistivitou než MnZn a z toho dôvodu sú vhodnejšie pre vyššie frekvencie.
Tieto dve základné materiálové vetvy sú vo väčšine prípadov modifikované pre jednotlivé aplikácie a výrobcovia do nich dopĺňajú rôzne prvky, ktoré ich robia vhodnejšie pre konkrétne použitie. Presné zloženie a pomer jednotlivých zložiek jadra antény A51 sú chránené tajomstvom.

Vinutie cievky
Vinutie antény je vytvorené zo smaltovaného medeného drôtu. Výraz smaltovaný drôt je používaný v dnešnej dobe len z obchodného dôvodu. Drôty, ktoré sa dnes používajú, sú ošetrené inými povrchovými úpravami, aby sa zabezpečila ich izolácia.
Ako vodič je najlepšie použiť čistý kov, najčastejšie meď. Keď sa zohľadňujú chemické, fyzikálne i mechanické vlastnosti materiálov vhodných na použitie ako vodič do vinutia, meď býva vo väčšine prípadov prvou voľbou. Pri výrobe takýchto medených vodičov sa eliminuje obsah oxidov, ktoré zhoršujú jej vlastnosti. Izolácia týchto vodičov býva nanášaná vo viacerých vrstvách, respektíve od jednej až po štyri vrstvy. Povlakové vrstvy majú dve hlavné úlohy – vytvoriť elektrickú izoláciu vodičov tak, aby sa vinutie neskratovalo medzi sebou a túto vlastnosť musia zabezpečiť aj pri mechanickom namáhaní vodiča. Pri jeho navíjaní totiž dochádza k viacerým ohybom a k treniu. Anténa A51 využíva vinutie s dvoma izolačnými vrstvami. Obe vrstvy fungujú ako izolant a spolu fungujú ako účinná mechanická ochrana pred skratovaním vinutia o jadro cievky. Zloženie použitých polymérov je tiež chránené tajomstvom.

Dielektrikum
m používané pri výrobe cievok má mnoho foriem. Niekedy sa používa plastová klietka, na ktorú sa navíja vodič, inokedy sa jadro obalí do dielektrického materiálu, alebo sa aplikuje povlak priamo na povrch jadra. V našom prípade je konštrukcia dielektrika špecifická a nebudeme ho uvádzať. Čo je možné opísať, je štruktúra dielektrického materiálu. Tento materiál sa vyrába, podobne ako kompozity, z uhlíkových vlákien, ale je obohatený o viaceré prvky, ktoré zlepšujú jeho vlastnosti. Zloženie je navrhnuté tak, aby permeabilita dielektrickej vrstvy bola rovnaká, ako permeabilita vzduchu. Štruktúra materiálu pod mikroskopom opticky pripomína tkanivo z uhlíkových vlákien. Navyše je toto tkanivo vytvrdzované pod tlakom a následne brúsené. Hrúbka dielektrika je 20 µm. Súčasťou tkaniva je aj kontaktná plôška, využívaná pri osadzovaní SMD súčiastky. Táto plôška sa vytvára nanesením zlata priamo na dielektrikum.

Elektrické vlastnosti antény
Anténa A51 má rezonančnú frekvenciu 16,3 MHz s toleranciou +/- 0,1 MHz. V tomto frekvenčnom pásme sa jedná o anténu vhodnú pre technológie s prenosom údajov na krátku vzdialenosť. Jej budiace napätie je na úrovni 1,5 V, čo znamená, že je vhodná na použitie prakticky v akejkoľvek modernej elektronike. Vďaka jej vysokej efektivite má minimálnu spotrebu energie.

Oblasti využitia Antény A51
Tento produkt nachádza rôznorodé využitie v komerčnej i priemyselnej sfére. Anténa A51 prináša novú úroveň bezpečnosti do platobných systémov. Vďaka jej malým rozmerom je možné ju implementovať do rôznych prvkov platobných systémov, ako sú napríklad pamäťové alebo multifunkčné karty či platobné čipy v mobilných zariadeniach, ako sú napríklad hodinky či mobilné telefóny.
Prenos a predovšetkým objem prenositeľných dát za jednotku času je v porovnaní s existujúcimi systémami niekoľkonásobný. To v praxi znamená, že minimalizované platobné systémy typu platobných kariet majú obmedzené šifrovanie pri bezkontaktnom platení. Z toho dôvodu sú bezkontaktné platby omnoho rizikovejšie než platby s použitím vstavaného čipu. Okrem šifrovania je to dané aj tým, že platobné karty využívajú takzvané pasívne čipy. Vďaka tomu je možné dáta z nich kopírovať v akomkoľvek čase. Ak by sme chceli s existujúcim systémom dosiahnuť bezpečné šifrované prenosy dát, bezkontaktná komunikácia by trvala omnoho dlhšie než samotné vsunutie karty do terminálu. Táto anténa poskytuje taký prenosový výkon, ktorý vysoko predstihuje potreby šifrovaných a niekoľkonásobných overovaní pri platbe. To znamená, že bezkontaktné platby by mohli byť oveľa bezpečnejšie, rýchlejšie a dostupné aj v regiónoch, kde dnes banky túto funkciu nemôžu poskytovať z dôvodu veľkého zneužití platobných kariet.
Anténa A51 spolu s jej riadiacim čipom získala najvyššiu certifikáciu bezpečnosti od spoločností VISA a Mastercard.

NFC systémy
Dnes už zabehnuté a fungujúce NFC systémy (Near Field Communication) využívajú pomerne rozmerné antény na to, aby dokázali plnohodnotne preniesť objem dát potrebný na ich funkciu. Nato aby používateľ nemusel čakať, je potrebné zabezpečiť vhodné prenosové rýchlosti.
Pri dnes existujúcich technológiách je potrebné využívať väčšie antény, ktoré výrobcovia implementujú do obalov a po obvode rôznych mobilných zariadení tak, aby čo najracionálnejšie využili priestor v nich. Anténa A51 prináša svojimi niekoľkonásobne menšími rozmermi revolúciu do tejto technológie. Priestor, ktorý bude v zariadení ušetrený vďaka použitiu tejto kompaktnej antény, môže zmenšiť jeho rozmery, alebo ho využiť na väčšiu kapacitu batérii atď. Okrem malých rozmerov má anténa A51 aj oveľa menšiu spotrebu energie, čo umožňuje technológii NFC byť ešte využiteľnejšou.

obr2
Obr. 2: Príklady použitia NFC technológie (2)

 

Priemyselné smart systémy
Anténa A51 prináša revolúciu do integrácie smart NFC systémov do priemyslu. Identifikácia produktov a rôznych dielov na vysokej úrovni umožňuje tvoriť inteligentné priemyselné riešenia. Vďaka nízkej cene možno túto anténu použiť ako identifikačný prvok na prvky priemyselnej automatizácie ale rovnako aj na identifikáciu jednotlivých sériových komponentov. Tento systém posúva riešenie Industry 4.0 míľovými krokmi vpred. Automatizované robotické systémy budú môcť autonómne a bez chyby identifikovať jednotlivé komponenty, tak isto aj v prípade reverznej identifikácie dielov pri servise. Komponenty budú v sebe môcť niesť okrem iného aj výrobné dáta, čím sa zjednoduší analýza porúch.
Okrem iného tento koncept produktu dopĺňa potreby pre rozvoj stratégie Internet of things (IoT).

obr3
Obr. 3: Identifikácia v priemysle (3)

 

Zdravotníctvo
Vývoj v zdravotníckom priemysle postupuje spolu s technologickým pokrokom dnešnej doby. Anténa A51 nachádza využitie v troch hlavných odvetviach tohto priemyslu.
Rehabilitácia zranení športovcov, ale aj bežných ľudí, je kľúčová pri dosiahnutí čo najlepších výsledkov po rôznych zákrokoch a operáciách. Implementácia senzoriky a komunikačného modulu do rôznych ortéz a iných prvkov umožní kontrolovať stav pacienta on-line a prenos dát medzi cvičiacim zariadením a lekárom umožní presné monitorovanie a predikciu problémov počas rehabilitácie. Včasnou identifikáciou je možné predísť rôznym ťažkostiam, ak dané cvičenie nevyhovuje zranenému a podobne.
Ďalšou dôležitou možnosťou na využitie komunikácie cez túto anténu je používanie inteligentných protéz alebo doplnkových zariadení, ako je napríklad inzulínová pumpa a podobne. Ľudia využívajúci inteligentné protézy často využívajú možnosti na preprogramovanie pohybu a monitorovanie stavu.
V krajinách tretieho sveta je archivácia zdravotných záznamov a všeobecne diagnostika lekárov často prakticky nemožná. Je to dané neusporiadanosťou života, veľkou migráciou a nevyspelým zdravotným systémom. Implementácia antény do identifikačnej karty alebo akéhokoľvek osobného predmetu by umožnila ukladanie informácii o zdravotnom stave a tieto informácie by boli tým pádom dostupné akémukoľvek zdravotnému personálu kdekoľvek a kedykoľvek.

obr4
Obr. 4: Schéma využitia bezdrôtového prenosu v zdravotníctve (4)

 

Záver
Predložený príspevok o výskume výrobnej technológie, konštrukcie a výrobe zariadenia, Unikátny charakter produktu, antény A51, vyžaduje nekonvenčný prístup k vývoju nových princípov v produkcii elektrotechnických súčiastok, hlavne vinutých cievok a antén, aj keď viaceré technologické časti môžu nájsť uplatnenie aj v iných oblastiach.
V tomto momente sú navrhnuté viaceré koncepty technológií, ktoré by mohli a mali viesť k úspešnému zvládnutiu výroby.
Viaceré koncepty, vrátane polotovarov, podstúpili úvodné laboratórne skúšky, ktoré podstatne napomôžu ďalšiemu smerovaniu výskumu. Konštrukcia prototypov jednotlivých častí by mala odhaliť použiteľnosť daných technológií vo výrobe a ukázať, akú stabilitu procesu bude možné dosiahnuť. Môže sa stať, že niektoré koncepty nebude možné použiť a bude potrebné skúmať ďalšie možnosti.
Prezentácia antény A51 pred potenciálnymi záujemcami vyvolala veľký záujem a zároveň upriamila pozornosť veľkých spoločností na tento projekt. Z toho dôvodu bolo potrebné veľké množstvo technických detailov chrániť zmluvami o mlčanlivosti a tajomstvom.
Vzhľadom na obmedzený rozsah príspevku sa nebudeme venovať niektorým výrobným technológiám, ktoré boli využité pri výrobe antény. Rovnako aj popis výrobných zariadení, kontrola kvality vyrobených produktov a pod. nebudú súčasťou nášho príspevku.

TEXT/FOTO Michael Paštéka, Marian Králik, Peter Hladiš, STU, SjF

Príspevok bol vytvorený aj s podporou Kultúrnej a edukačnej grantovej agentúry MŠVVaŠ SR KEGA 027STU-4/2019.

Zoznam bibliografických odkazov
(1) Paštéka, M.: H. Vývoj a realizácia výrobnej technológie SMD antény. Projekt dizertačnej práce. SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE, Strojnícka fakulta, školiteľ: doc. Ing. M. Králik, CSc., 2018.
(2) Príklady použitia NFC technológie. https://www.mera.com/media/attachments/2016/05/31/competences_nfc.jpg [26.1.2018]
(3) Identifikácia v priemysle. https://www.pepperl fuchs.com/usa/images_inet_lowres_USA/MC7522_110307_07_480px_rdax_100.jpg [26.1.2018]
(4) Schéma využitia bezdrôtového prenosu. http://wrm5sysfkg-flywheel.netdna-ssl.com/wp-content/uploads/2015/09/sensiumvitals-1.png [26. 1. 2018]