Как долго могут быть крошечные шестерни и другие микроскопические движущиеся части до того, как они изнашиваются? Каковы предупредительные признаки того, что эти компоненты вот-вот потерпят неудачу, что может произойти всего за несколько десятых секунды? Стремясь дать четкие ответы на эти вопросы, исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали метод более быстрого отслеживания микроэлектромеханических систем (MEMS) по мере их работы и, что не менее важно, поскольку они перестают работать.

Используя этот метод для анализа микроскопических отказов, исследователи и производители могут повысить надежность разрабатываемых ими компонентов MEMS, начиная от миниатюрных роботов и дронов до крошечных щипцов для глазной хирургии и датчиков для обнаружения следовых количеств токсичных химических веществ.

За последнее десятилетие исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) измерили движение и взаимодействие между компонентами MEMS. В своей новейшей работе ученым удалось сделать эти измерения в сотни раз быстрее, в масштабе тысячных, а не десятых, секунды.

Более быстрая шкала времени позволила исследователям разрешить мелкие детали переходных и неустойчивых движений, которые могут произойти до и во время сбоя MEMS. Более быстрые измерения также позволили проводить более быстрые повторные испытания, необходимые для оценки долговечности миниатюрных механических систем. Исследователи NIST, включая Сэмюэля Стависа и Крейга Коупленда, рассказали о своей работе в журнале «Микроэлектромеханические системы» .

Как и в их предыдущей работе, команда маркировала компоненты MEMS флуоресцентными частицами для отслеживания их движения. Используя оптические микроскопы и чувствительные камеры для просмотра и изображения светоизлучающих частиц, исследователи отслеживали перемещения всего лишь в несколько миллиардов до нескольких метров, а вращения — до нескольких миллионов радианов. Один микрорадиан — это угол, соответствующий дуге около 10 метров по окружности Земли.

Реальные изображения микроскопа и привода в устройстве MEMS (микроэлектромеханическая система). Крошечный привод перемещается вперед и назад в движении с трещоткой, которое управляет вращением микроскопического зубчатого колеса. Для отслеживания движения привода исследователи прикрепили к приводу флуоресцентные частицы. Используя светоизлучающие частицы, исследователи смогли отслеживать смещения как миллионные доли метра, а вращения — как несколько миллионных долей радия со скоростью 1000 раз в секунду. Фото: Дженнифер Лорен Ли / NIST. Музыка Фото: Kevin MacLeod. Музыка, лицензированная в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Источник: incompetech.com/music/royalty-free/index.html?isrc=USUAN1200003.

Более быстрая система обработки изображений и большие флуоресцентные частицы, которые излучают больше света, предоставили ученым инструменты для проведения измерений частиц в сто раз быстрее, чем раньше.

«Если вы не можете измерить, как компоненты MEMS перемещаются в соответствующих масштабах времени и времени, тогда трудно понять, как они работают и как их улучшить», — сказал Коупленд.

В своей тестовой системе Ставис, Коупленд и их коллеги протестировали часть микроэлектромеханического двигателя. Испытательная часть защелкнулась вперед и назад, вращая шестерню через храповой механизм. Хотя эта система является одной из наиболее надежных MEMS, которые передают движение по частям в скользящем контакте, тем не менее они могут проявлять такие проблемы, как неустойчивая производительность и несвоевременный отказ.

Команда обнаружила, что толчок контактирующих частей в системе, будь то контакт между деталями, имевшими место только в одной точке или сдвинутый между несколькими точками, и износ контактных поверхностей, могут сыграть ключевую роль в долговечности MEMS.

«Наш метод отслеживания широко применим для изучения движения микросистем, и мы продолжаем его продвигать», — сказал Ставис.

По материалам phys.org