荧光颗粒标记MEMS组件，让“MEMS失效”无所遁形
2018-12-22 13:41:31 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
麦姆斯咨询：NIST研究人员使用了荧光颗粒标记MEMS组件以追踪其运动。利用光学显微镜和高灵敏度摄像机对发光粒子进行观察和成像，研究人员可以跟踪小到几十亿分之一米的位移，以及几百万分之一弧度的旋转，这相当于地球圆周仅约10米长度所对应的角度。
微型齿轮及其它微型运动部件在磨损之前能持续运行多久？这些组件在失效的一瞬间会给出哪些警告信号？据麦姆斯咨询介绍，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员一直在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，可以更快速地追踪微机电系统（MEMS）的工作状况，以及同样重要的，它们是如何停止工作的。
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，包括从微型机器人和无人机到用于眼科手术的微型镊子以及用于痕量有毒化学品检测的传感器。
过去十年来，NIST研究人员测量了MEMS组件之间的运动和相互作用。在他们的最新研究中，科学家们成功地将这些测量速度提高了一百倍，达到了千分之一秒量级，而不是十分之一秒。
更快的测量速度，使研究人员能够应对MEMS器件失效之前和期间可能发生的瞬态和不稳定运动的细微细节。此外，更快的测量，还可以实现更快的重复测试（对于评估MEMS器件的耐久性很有必要）。NIST研究人员Samuel Stavis和Craig Copeland等，将他们的研究成果发表在了Journal of Microelectromechanical Systems杂志。
与他们之前的研究一样，该团队使用了荧光颗粒标记MEMS组件以追踪其运动。利用光学显微镜和高灵敏度摄像机对发光粒子进行观察和成像，研究人员可以跟踪小到几十亿分之一米的位移，以及几百万分之一弧度的旋转，这相当于地球圆周仅约10米长度所对应的角度。
MEMS器件中微型齿轮和执行器的实物图像。微型执行器以棘轮运动来回移动，驱动微型齿环的旋转。为了跟踪执行器的运动，研究人员将荧光颗粒附着在执行器上。利用发光颗粒，研究人员能够追踪小到十亿分之一米的位移，并以每秒1000次的速度跟踪几百万分之一弧度的旋转。
更快的成像系统和更大的荧光颗粒（可以发出更多的光），为科学家提供了比以前快几百倍的跟踪测量工具。
“如果无法测量MEMS组件在相关距离和时间尺度上的运动，那么就很难了解它们是如何工作的，也就很难改进它们，”Copeland说。
在他们的测试系统中，Stavis、Copeland及同事测试了MEMS马达。所测试部件来回往复，通过棘轮机构旋转微齿轮。尽管该MEMS器件是通过滑动接触部件传递运动的高可靠MEMS之一，但它仍然不可避免地表现出不稳定的性能和故障之类的问题。
该团队发现，系统中接触部件的碰撞，无论部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器件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，我们将继续深入研究，”Stavis说。
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