Hur länge kan små kugghjul och andra mikroskopiska rörliga delar hålla innan de slits ut? Vad är varningstecknen på att dessa komponenter är på väg att misslyckas, som kan hända på bara några tiondelar av en sekund? Strävar efter att ge tydliga svar på dessa frågor, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har utvecklat en metod för att snabbare spåra mikroelektromekaniska system (MEMS) när de fungerar och, lika viktigt, när de slutar arbeta.

Genom att använda denna metod för mikroskopisk felanalys, forskare och tillverkare kan förbättra tillförlitligheten hos de MEMS -komponenter som de utvecklar, allt från miniatyrrobotar och drönare till små pincett för ögonoperationer och sensorer för att upptäcka spårmängder av giftiga kemikalier.

Under det senaste decenniet har forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har mätt rörelse och interaktioner mellan MEMS -komponenter. I deras nyaste arbete, forskarna lyckades göra dessa mätningar hundra gånger snabbare, på tusendelars skala, snarare än tiondelar, av en sekund.

Den snabbare tidsskalan gjorde det möjligt för forskarna att lösa fina detaljer om de övergående och oregelbundna rörelser som kan inträffa före och under misslyckandet av MEMS. De snabbare mätningarna gjorde också att repetitiva tester - nödvändiga för att bedöma hållbarheten hos de miniatyrmekaniska systemen - kunde utföras snabbare. NIST -forskarna, inklusive Samuel Stavis och Craig Copeland, beskrev deras arbete i Journal of Microelectromechanical Systems .

Liksom i deras tidigare arbete, laget märkte MEMS -komponenterna med fluorescerande partiklar för att spåra deras rörelse. Med optiska mikroskop och känsliga kameror för att se och avbilda de ljusemitterande partiklarna, forskarna spårade förskjutningar så små som några miljarder av en meter och rotationer så små som flera miljoner av en radian. En mikroradian är vinkeln som motsvarar en båge på cirka 10 meter längs jordens omkrets.

Ett snabbare bildsystem och större fluorescerande partiklar, som avger mer ljus, gav forskarna verktygen för att utföra sina partikelspårningsmätningar hundra gånger snabbare än tidigare.

"Om du inte kan mäta hur komponenterna i ett MEMS rör sig i relevanta längd- och tidsskalor, då är det svårt att förstå hur de fungerar och hur man kan förbättra dem, "Sa Copeland.

I deras testsystem, Stavis, Copeland och deras kollegor testade en del av en mikroelektromekanisk motor. Testdelen knäppte fram och tillbaka, rotera ett kugghjul genom en spärrmekanism. Även om detta system är en av de mer pålitliga MEMS som överför rörelse genom delar i glidande kontakt, det kan ändå uppvisa sådana problem som oregelbunden prestanda och för tidigt misslyckande.

Teamet fann att jostling av kontaktande delar i systemet, om kontakten mellan delarna inträffade vid bara en punkt eller skiftade mellan flera punkter, och slitage på kontaktytorna, kan alla spela en nyckelroll i hållbarheten hos MEMS.

"Vår spårningsmetod är i stort sett tillämplig för att studera rörelsen hos mikrosystem, och vi fortsätter att främja det, sa Stavis.