Från tryckpressen till jetmotorn, mekaniska maskiner med rörliga delar har varit en grundpelare i teknik i århundraden. När amerikansk industri utvecklar mindre mekaniska system, de står inför större utmaningar - mikroskopiska delar är mer benägna att hålla ihop och slits ut när de kommer i kontakt med varandra.

För att få mikroskopiska mekaniska (mikromekaniska) system att fungera pålitligt för avancerad teknik, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) kommer tillbaka till grunderna, noggrant mäta hur delar rör sig och interagerar.

För första gången, NIST -forskarna har mätt överföring av rörelse genom de kontaktande delarna av ett mikroelektromekaniskt system vid nanometer- och mikroradiska skalor. Deras testsystem bestod av en tvådelad länk, med rörelsen från en länk som driver den andra. Teamet löste inte bara rörelsen med rekordprecision utan studerade också dess prestanda och tillförlitlighet.

Lärdomar från studien kan påverka tillverkningen och driften av olika mikromekaniska system, inklusive säkerhetsbrytare, robotinsekter och tillverkningsplattformar.

Rörelsen hos mikromekaniska system är ibland för liten - förskjutningar på bara några nanometer, eller en miljarddels meter, med motsvarande små rotationer av några mikroradianer - för befintliga mätmetoder att lösa. En mikroradian är vinkeln som motsvarar längden på en båge på cirka 10 meter längs jordens omkrets.

"Det har funnits ett gap mellan tillverkningsteknik och rörelsemätning - processerna finns för att tillverka komplexa mekaniska system med mikroskopiska delar, men prestandan och tillförlitligheten för dessa system beror på rörelse som har varit svår att mäta. Vi täcker det gapet, sa Samuel Stavis, en projektledare på NIST.

"Trots hur enkelt detta system ser ut, ingen hade mätt hur den rör sig vid de längd- och vinkelskalor som vi undersökt, "sa forskaren Craig Copeland från NIST och University of Maryland." Innan kommersiella tillverkare kan optimera konstruktionen av mer komplexa system som mikroskopiska omkopplare eller motorer, det är till hjälp att förstå hur relativt enkla system fungerar under olika förhållanden. "

Mätningarna, som forskarna rapporterar i Mikrosystem och nanoteknik , lita på optisk mikroskopi för att spåra ytfunktioner på de rörliga delarna. Tillverkaren kan bygga in ytfunktionerna under tillverkningsprocessen så att systemet är klart för mätning direkt från gjuteriet. Eller, forskarna kan applicera fluorescerande nanopartiklar på systemet efter tillverkning för förbättrad precision. NIST -forskare introducerade denna mätmetod i en tidigare studie och har använt relaterade metoder för att spåra rörelse och interaktion mellan andra små system. Viktigt, förmågan att samtidigt spåra rörelsen av flera delar i ett mikromekaniskt system gjorde det möjligt för forskarna att studera detaljerna i interaktionen.

I deras experiment, forskarna studerade rörelseöverföringen genom en mekanisk koppling, som är ett system med delar anslutna för att kontrollera krafter och rörelse i maskiner. Testsystemet hade två länkar som kopplade och kopplade genom en led, som är den punkt där länkarna applicerar krafter på varandra. Den elektriska uppvärmningen och termiska expansionen av en länk drev rotationen av den andra länken runt en sväng. Forskarna utvecklade en modell för hur systemet ska röra sig under idealiska driftförhållanden, och använde den modellen för att förstå deras mätningar av hur systemet rörde sig under praktiska driftförhållanden. Laget fann att spelet i leden mellan länkarna, som är nödvändig för att tillåta tillverkningstoleranser och förhindra att delarna fastnar, hade en central roll i systemets rörelse. Specifikt, spelmängden var en viktig faktor för att bestämma exakt hur länkarna kopplade och frånkopplade, och hur repeterbar denna rörelseöverföring kan vara.

Så länge den elektriska ingången som driver systemet var relativt ljudfri, systemet fungerade förvånansvärt bra, överföra rörelsen från en del till en annan mycket konsekvent i tusentals driftcykler. "Det var helt repeterbart inom mätosäkerhet, "sa Copeland, "och rimligen överensstämmande med vår idealmodell."

Det är viktigt, han noterar, eftersom vissa forskare förväntar sig att friktionen mellan små delar skulle försämra prestandan och tillförlitligheten hos ett sådant system. Många ingenjörer har till och med övergivit tanken på att göra mikromekaniska system av rörliga delar som tar kontakt, växla till mikromekaniska system med delar som rör sig genom att böja för att undvika att komma i kontakt med varandra.

Resultaten tyder på att mikromekaniska system som överför rörelse genom kontaktande delar "kan ha underexplorerade applikationer, sa Stavis.

Dock, forskarna fann att när de tillsatte en normal mängd elektrisk buller till drivmekanismen, systemet blev mindre tillförlitligt och lyckades inte alltid överföra rörelse från en länk till den andra. Ytterligare, exponering av systemet för luftfuktighet i flera veckor fick delarna att hålla ihop, även om forskarna kan bryta loss dem och få dem att röra på sig igen.

Dessa fynd indikerar att medan mikromekaniska system har potential att överföra rörelse mellan kontaktande delar med oväntat exakt prestanda, drivsignalen och driftsmiljön är avgörande för den pålitliga rörelsen.

Teamet planerar nu att förbättra sina mätningar och utöka sitt arbete till mer komplexa system med många rörliga delar.

"Mikromekaniska system har många potentiella kommersiella tillämpningar, "sa Stavis." Vi tror att innovativa mätningar hjälper till att förverkliga den potentialen. "