Hoe lang kunnen kleine tandwielen en andere microscopisch kleine bewegende delen meegaan voordat ze verslijten? Wat zijn de waarschuwingssignalen dat deze componenten op het punt staan ​​te falen, wat in slechts een paar tienden van een seconde kan gebeuren? Streven naar duidelijke antwoorden op deze vragen, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een methode ontwikkeld om micro-elektromechanische systemen (MEMS) sneller te volgen terwijl ze werken en, net zo belangrijk, als ze stoppen met werken.

Door deze methode te gebruiken voor microscopische storingsanalyse, onderzoekers en fabrikanten de betrouwbaarheid van de MEMS-componenten die ze ontwikkelen kunnen verbeteren, variërend van miniatuurrobots en drones tot kleine pincetten voor oogchirurgie en sensoren om sporen van giftige chemicaliën te detecteren.

In het afgelopen decennium is onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben de beweging en interacties tussen MEMS-componenten gemeten. In hun nieuwste werk de wetenschappers zijn erin geslaagd deze metingen honderd keer sneller te doen, op de schaal van duizendsten, in plaats van tienden, van een seconde.

De snellere tijdschaal stelde de onderzoekers in staat om fijne details op te lossen van de voorbijgaande en grillige bewegingen die kunnen optreden voor en tijdens het falen van MEMS. Door de snellere metingen konden herhaalde tests, die nodig zijn om de duurzaamheid van de mechanische miniatuursystemen te beoordelen, sneller worden uitgevoerd. De NIST-onderzoekers, waaronder Samuel Stavis en Craig Copeland, beschreven hun werk in de Journal of micro-elektromechanische systemen .

Net als in hun eerdere werk, het team labelde de MEMS-componenten met fluorescerende deeltjes om hun beweging te volgen. Met behulp van optische microscopen en gevoelige camera's om de lichtgevende deeltjes te bekijken en af ​​te beelden, de onderzoekers volgden verplaatsingen zo klein als een paar miljardsten van een meter en rotaties zo klein als enkele miljoensten van een radiaal. Eén microradiaal is de hoek die overeenkomt met een boog van ongeveer 10 meter langs de omtrek van de aarde.

Een sneller beeldvormingssysteem en grotere fluorescerende deeltjes, die meer licht uitstralen, voorzag de wetenschappers van de tools om hun metingen van het volgen van deeltjes honderd keer sneller uit te voeren dan voorheen.

"Als je niet kunt meten hoe de componenten van een MEMS bewegen op de relevante lengte- en tijdschalen, dan is het moeilijk te begrijpen hoe ze werken en hoe ze te verbeteren, ' zei Copeland.

In hun testsysteem Stavis, Copeland en hun collega's testten een deel van een micro-elektromechanische motor. Het testgedeelte kraakte heen en weer, het draaien van een tandwiel door middel van een ratelmechanisme. Hoewel dit systeem een ​​van de betrouwbaardere MEMS is die beweging overbrengen door delen in glijdend contact, het kan niettemin problemen vertonen als onregelmatige prestaties en vroegtijdig falen.

Het team ontdekte dat het gedrang van contact met onderdelen in het systeem, of het contact tussen de onderdelen op slechts één punt plaatsvond of verschoven tussen verschillende punten, en slijtage van de contactoppervlakken, zouden allemaal een sleutelrol kunnen spelen in de duurzaamheid van MEMS.

"Onze volgmethode is breed toepasbaar om de beweging van microsystemen te bestuderen, en we blijven het bevorderen, ' zei Stavis.