Hvordan mikroskopiske maskiner kan mislykkes på et øjeblik

Hvor lang tid kan små gear og andre mikroskopiske bevægelige dele vare, før de slides? Hvad er advarselstegnene på, at disse komponenter er ved at mislykkes, som kan ske på bare et par tiendedele af et sekund? Stræber efter at give klare svar på disse spørgsmål, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har udviklet en metode til hurtigere at spore mikroelektromekaniske systemer (MEMS), mens de arbejder, og lige så vigtigt, da de holder op med at arbejde.

Ved at bruge denne metode til mikroskopisk fejlanalyse, forskere og producenter kunne forbedre pålideligheden af ​​de MEMS -komponenter, de udvikler, lige fra miniaturerobotter og droner til bittesmå tang til øjenoperationer og sensorer til at detektere spormængder af giftige kemikalier.

I løbet af det sidste årti, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har målt bevægelsen og interaktionerne mellem MEMS -komponenter. I deres nyeste arbejde, det lykkedes forskerne at foretage disse målinger hundrede gange hurtigere, på tusindedels skala, frem for tiendedele, af et sekund.

Den hurtigere tidsskala gjorde det muligt for forskerne at løse fine detaljer om de forbigående og uregelmæssige bevægelser, der kan opstå før og under fejltagelsen af ​​MEMS. De hurtigere målinger tillod også, at gentagne tests - nødvendige for at vurdere holdbarheden af ​​miniaturemekaniske systemer - kunne udføres hurtigere. NIST -forskerne, herunder Samuel Stavis og Craig Copeland, beskrev deres arbejde i Journal of Microelectromechanical Systems .

Som i deres tidligere arbejde, holdet mærket MEMS -komponenterne med fluorescerende partikler for at spore deres bevægelse. Brug af optiske mikroskoper og følsomme kameraer til at se og billedgøre de lysemitterende partikler, forskerne sporede forskydninger så små som et par milliarddeler af en meter og rotationer så små som flere milliontedele af en radian. En mikroradian er den vinkel, der svarer til en bue på cirka 10 meter langs jordens omkreds.

Et hurtigere billeddannelsessystem og større fluorescerende partikler, som udsender mere lys, gav forskerne værktøjerne til at udføre deres partikelsporingsmålinger hundrede gange hurtigere end før.

"Hvis du ikke kan måle, hvordan komponenterne i et MEMS bevæger sig i de relevante længde- og tidsskalaer, så er det svært at forstå, hvordan de fungerer, og hvordan de kan forbedres, "Sagde Copeland.

I deres testsystem, Stavis, Copeland og deres kolleger testede en del af en mikroelektromekanisk motor. Testdelen knækkede frem og tilbage, dreje et gear gennem en skraldemekanisme. Selvom dette system er et af de mere pålidelige MEMS, der overfører bevægelse gennem dele i glidende kontakt, det kan ikke desto mindre udvise problemer som uregelmæssig ydeevne og utidig fejl.

Teamet fandt ud af, at støden af ​​kontaktende dele i systemet, om kontakten mellem delene kun skete på et tidspunkt eller skiftede mellem flere punkter, og slid på kontaktfladerne kunne alle spille en nøglerolle i holdbarheden af ​​MEMS.

"Vores sporingsmetode er stort set anvendelig til at studere mikrosystemers bevægelse, og vi fortsætter med at fremme det, sagde Stavis.