微观机器如何在眨眼间失效

微小齿轮和其他微小运动部件在磨损之前能持续多久?这些组件即将失效的警告信号有哪些，这可能只在十分之几秒内发生?国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员努力为这些问题提供明确的答案，他们已经开发出一种方法，可以更快速地跟踪微电子机械系统(MEMS)的工作情况，同样重要的是，他们停止工作。

通过使用这种方法进行微观故障分析，研究人员和制造商可以提高他们正在开发的MEMS组件的可靠性，从微型机器人和无人机到用于眼科手术的微小钳子和用于检测痕量有毒化学品的传感器。

在过去的十年中，美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员测量了MEMS组件之间的运动和相互作用。在他们的最新作品中，科学家成功地将这些测量速度提高了一百倍，而不是十分之一秒，而不是十分之一秒。

更快的时间尺度使研究人员能够解决在MEMS失效之前和期间可能发生的瞬态和不稳定运动的精细细节。更快的测量还允许重复测试 - 这是评估微型机械系统耐久性所必需的 - 可以更快地进行。NIST的研究人员，包括Samuel Stavis和Craig Copeland，在“微电子机械系统杂志”中描述了他们的工作。

与之前的工作一样，该团队使用荧光颗粒标记MEMS组件以跟踪其运动。研究人员利用光学显微镜和敏感摄像机对发光粒子进行观察和成像，研究人员可以追踪小到几十亿分之一米的位移和几百万分之一弧度的旋转。一个微弧度是对应于沿地球圆周约10米的弧的角度。

更快的成像系统和更大的荧光粒子，发出更多的光，为科学家提供了比以前快几百倍的粒子跟踪测量工具。

“如果你无法测量MEMS的组件如何在相关的长度和时间尺度上移动，那么就很难理解它们是如何工作的以及如何改进它们，”Copeland说。

在他们的测试系统中，Stavis，Copeland和他们的同事测试了微机电马达的一部分。测试部件来回折叠，通过棘轮机构旋转齿轮。尽管该系统是通过滑动接触部件传递运动的更可靠的MEMS之一，但它仍然可能表现出诸如不稳定的性能和不合时宜的故障之类的问题。

该团队发现，系统中接触零件的碰撞，无论零件之间的接触是仅发生在一个点还是在几个点之间移动，以及接触表面的磨损，都可能在MEMS的耐久性中起关键作用。

“我们的跟踪方法广泛适用于研究微系统的运动，我们继续推进它，”Stavis说。

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