Team belyser overførsel af nanoskalabevægelse gennem mikroskalamaskine

Fra trykpressen til jetmotoren, mekaniske maskiner med bevægelige dele har været en grundpille i teknologien i århundreder. Efterhånden som amerikansk industri udvikler mindre mekaniske systemer, de står over for større udfordringer - mikroskopiske dele er mere tilbøjelige til at hænge sammen og slides, når de kommer i kontakt med hinanden.

For at hjælpe med at få mikroskopiske mekaniske (mikromekaniske) systemer til at fungere pålideligt for avancerede teknologier, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) er ved at komme tilbage til det grundlæggende, omhyggeligt at måle, hvordan dele bevæger sig og interagerer.

For første gang, NIST-forskerne har målt overførslen af ​​bevægelse gennem de berørende dele af et mikroelektromekanisk system på nanometer- og mikroradianskalaer. Deres testsystem bestod af en todelt forbindelse, med bevægelsen af ​​det ene led, der driver det andet. Holdet løste ikke kun bevægelsen med rekordpræcision, men studerede også dens ydeevne og pålidelighed.

Erfaringer fra undersøgelsen kan påvirke fremstillingen og driften af ​​forskellige mikromekaniske systemer, inklusive sikkerhedsafbrydere, robotinsekter og produktionsplatforme.

Bevægelsen af ​​mikromekaniske systemer er nogle gange for lille - forskydninger på kun nogle få nanometer, eller en milliardtedel af en meter, med tilsvarende små omdrejninger på nogle få mikroradianer - for at eksisterende målemetoder kan løses. En mikroradian er den vinkel, der svarer til længden af ​​en bue på omkring 10 meter langs jordens omkreds.

"Der har været et hul mellem fremstillingsteknologi og bevægelsesmetrologi - processerne eksisterer for at fremstille komplekse mekaniske systemer med mikroskopiske dele, men disse systemers ydeevne og pålidelighed afhænger af bevægelse, som har været svær at måle. Vi lukker det hul, sagde Samuel Stavis, en projektleder hos NIST.

"På trods af hvor enkelt dette system ser ud, ingen havde målt, hvordan den bevæger sig på de længde- og vinkelskalaer, som vi undersøgte, " sagde forsker Craig Copeland fra NIST og University of Maryland. "Før kommercielle producenter kan optimere designet af mere komplekse systemer såsom mikroskopiske kontakter eller motorer, det er nyttigt at forstå, hvordan relativt simple systemer fungerer under forskellige forhold."

Målingerne, som forskerne rapporterer i Mikrosystemer og nanoteknik , stole på optisk mikroskopi til at spore overfladeegenskaber på de bevægelige dele. Producenten kan indbygge overfladeegenskaberne under fremstillingsprocessen, så systemet er klar til måling lige ud af støberiet. Eller, forskerne kan anvende fluorescerende nanopartikler på systemet efter fremstillingen for at opnå forbedret præcision. NIST-forskere introducerede denne målemetode i en tidligere undersøgelse og har brugt relaterede metoder til at spore bevægelsen og interaktionen af ​​andre små systemer. Vigtigt, evnen til samtidig at spore bevægelsen af ​​flere dele i et mikromekanisk system tillod forskerne at studere detaljerne i interaktionen.

I deres eksperiment, forskerne studerede overførsel af bevægelse gennem en mekanisk forbindelse, som er et system af dele forbundet med henblik på at kontrollere kræfter og bevægelse i maskiner. Testsystemet havde to led, der for- og frakoblede gennem et led, hvilket er det punkt, hvor forbindelserne påfører hinanden kræfter. Den elektriske opvarmning og termiske udvidelse af det ene led drev rotationen af ​​det andet led rundt om et omdrejningspunkt. Forskerne udviklede en model for, hvordan systemet skulle bevæge sig under ideelle driftsforhold, og brugte den model til at forstå deres målinger af, hvordan systemet bevægede sig under praktiske driftsforhold. Holdet fandt ud af, at spil i leddene, som er nødvendigt for at tillade fremstillingstolerancer og forhindre, at delene sidder fast, havde en central rolle i systemets bevægelse. Specifikt, mængden af ​​spil var en vigtig faktor til at bestemme præcist, hvordan forbindelserne koblede og afkoblede, og hvor gentagelig denne overførsel af bevægelse kunne være.

Så længe den elektriske indgang, der drev systemet, var relativt fri for støj, systemet fungerede overraskende godt, overføre bevægelsen fra en del til en anden meget konsekvent i tusindvis af driftscyklusser. "Det var perfekt gentageligt inden for måleusikkerhed, " sagde Copeland, "og rimeligt i overensstemmelse med vores ideelle model."

Det er vigtigt, han bemærker, fordi nogle forskere forventer, at friktionen mellem små dele ville forringe ydelsen og pålideligheden af ​​et sådant system. Mange ingeniører har endda opgivet ideen om at lave mikromekaniske systemer ud af bevægelige dele, der får kontakt, skifte til mikromekaniske systemer med dele, der bevæger sig ved at bøje for at undgå at komme i kontakt med hinanden.

Resultaterne tyder på, at mikromekaniske systemer, der overfører bevægelse gennem kontaktende dele, "kan have underudforskede applikationer, sagde Stavis.

Imidlertid, fandt forskerne ud af, at når de tilføjede en normal mængde elektrisk støj til drivmekanismen, systemet blev mindre pålideligt og det lykkedes ikke altid at overføre bevægelse fra det ene led til det andet. Yderligere, udsættelse af systemet for atmosfærisk fugt i flere uger fik delene til at klæbe sammen, selvom forskerne kunne slå dem løs og få dem i gang igen.

Disse resultater indikerer, at mens mikromekaniske systemer har potentialet til at overføre bevægelse mellem berørende dele med uventet præcis ydeevne, køresignalet og driftsmiljøet er afgørende for det pålidelige output af bevægelse.

Holdet planlægger nu at forbedre deres målinger og udvide deres arbejde til mere komplekse systemer med mange bevægelige dele.

"Mikromekaniske systemer har mange potentielle kommercielle anvendelser, " sagde Stavis. "Vi tror, ​​at innovative målinger vil hjælpe med at realisere dette potentiale."