De la presse à imprimer au moteur à réaction, les machines mécaniques avec des pièces mobiles ont été un pilier de la technologie pendant des siècles. Alors que l'industrie américaine développe des systèmes mécaniques plus petits, ils sont confrontés à de plus grands défis :les pièces microscopiques sont plus susceptibles de se coller les unes aux autres et de s'user lorsqu'elles entrent en contact les unes avec les autres.

Pour aider à rendre les systèmes mécaniques microscopiques (micromécaniques) performants pour les technologies de pointe, les chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) reviennent à l'essentiel, mesurer soigneusement comment les pièces se déplacent et interagissent.

Pour la première fois, les chercheurs du NIST ont mesuré le transfert de mouvement à travers les pièces en contact d'un système microélectromécanique à l'échelle nanométrique et microradian. Leur système de test consistait en une liaison en deux parties, avec le mouvement d'un maillon entraînant l'autre. L'équipe a non seulement résolu le mouvement avec une précision record, mais a également étudié ses performances et sa fiabilité.

Les enseignements tirés de l'étude pourraient avoir un impact sur la fabrication et le fonctionnement de divers systèmes micromécaniques, y compris les interrupteurs de sécurité, insectes robotisés et plateformes de fabrication.

Le mouvement des systèmes micromécaniques est parfois trop faible - déplacements de quelques nanomètres seulement, ou un milliardième de mètre, avec de petites rotations correspondantes de quelques microradians - pour résoudre les méthodes de mesure existantes. Un microradian est l'angle correspondant à la longueur d'un arc d'environ 10 mètres le long de la circonférence de la terre.

"Il y a eu un fossé entre la technologie de fabrication et la métrologie du mouvement - les processus existent pour fabriquer des systèmes mécaniques complexes avec des pièces microscopiques, mais les performances et la fiabilité de ces systèmes dépendent d'un mouvement difficile à mesurer. Nous comblons cet écart, " a déclaré Samuel Stavis, un chef de projet au NIST.

"Malgré la simplicité de ce système, personne n'avait mesuré comment il se déplace aux échelles de longueur et d'angle que nous avons étudiées, " a déclaré le chercheur Craig Copeland du NIST et de l'Université du Maryland. " Avant que les fabricants commerciaux puissent optimiser la conception de systèmes plus complexes tels que des commutateurs ou des moteurs microscopiques, il est utile de comprendre comment des systèmes relativement simples fonctionnent dans diverses conditions."

Les mesures, que rapportent les chercheurs dans Microsystèmes et nano-ingénierie , compter sur la microscopie optique pour suivre les caractéristiques de surface sur les pièces mobiles. Le fabricant peut intégrer les caractéristiques de surface pendant le processus de fabrication afin que le système soit prêt à être mesuré dès la sortie de la fonderie. Ou, les chercheurs peuvent appliquer des nanoparticules fluorescentes au système après la fabrication pour une précision améliorée. Les chercheurs du NIST ont introduit cette méthode de mesure dans une étude précédente et ont utilisé des méthodes connexes pour suivre le mouvement et l'interaction d'autres petits systèmes. Surtout, la capacité de suivre simultanément le mouvement de plusieurs pièces dans un système micromécanique a permis aux chercheurs d'étudier les détails de l'interaction.

Dans leur expérience, les chercheurs ont étudié le transfert de mouvement à travers une liaison mécanique, qui est un système de pièces reliées afin de contrôler les forces et les mouvements dans les machines. Le système de test avait deux liens qui se connectaient et se déconnectaient par un joint, qui est le point auquel les liens s'appliquent des forces les uns aux autres. Le chauffage électrique et la dilatation thermique d'un maillon entraînent la rotation de l'autre maillon autour d'un pivot. Les chercheurs ont développé un modèle de la façon dont le système devrait se déplacer dans des conditions de fonctionnement idéales, et ont utilisé ce modèle pour comprendre leurs mesures de la façon dont le système se déplaçait dans des conditions de fonctionnement pratiques. L'équipe a trouvé que jouer dans l'articulation entre les maillons, ce qui est nécessaire pour tenir compte des tolérances de fabrication et éviter le coincement des pièces, avait un rôle central dans le mouvement du système. Spécifiquement, la quantité de jeu était un facteur important pour déterminer précisément comment les liens se sont couplés et découplés, et à quel point ce transfert de mouvement pourrait être reproductible.

Tant que l'entrée électrique entraînant le système était relativement exempte de bruit, le système fonctionnait étonnamment bien, transférer le mouvement d'une pièce à l'autre de manière très cohérente pendant des milliers de cycles de fonctionnement. "C'était parfaitement reproductible dans l'incertitude de mesure, " dit Copeland, "et raisonnablement cohérent avec notre modèle idéal."

C'est important, note-t-il, car certains chercheurs s'attendent à ce que la friction entre les petites pièces dégrade les performances et la fiabilité d'un tel système. De nombreux ingénieurs ont même abandonné l'idée de réaliser des systèmes micromécaniques à partir de pièces mobiles qui entrent en contact, passage à des systèmes micromécaniques avec des pièces qui se déplacent en fléchissant pour éviter tout contact entre elles.

Les résultats suggèrent que les systèmes micromécaniques qui transfèrent le mouvement à travers des pièces en contact " peuvent avoir des applications sous-explorées, " a déclaré Stavis.

Cependant, les chercheurs ont découvert que lorsqu'ils ajoutaient une quantité normale de bruit électrique au mécanisme d'entraînement, le système est devenu moins fiable et n'a pas toujours réussi à transférer le mouvement d'un maillon à l'autre. Plus loin, l'exposition du système à l'humidité atmosphérique pendant plusieurs semaines a provoqué le collage des pièces, bien que les chercheurs puissent les détacher et les faire bouger à nouveau.

Ces résultats indiquent que si les systèmes micromécaniques ont le potentiel de transférer le mouvement entre les pièces en contact avec des performances étonnamment précises, le signal de conduite et l'environnement d'exploitation sont essentiels à la fiabilité de la sortie de mouvement.

L'équipe prévoit désormais d'améliorer ses mesures et d'étendre ses travaux à des systèmes plus complexes comportant de nombreuses pièces mobiles.

"Les systèmes micromécaniques ont de nombreuses applications commerciales potentielles, " a déclaré Stavis. "Nous pensons que des mesures innovantes aideront à réaliser ce potentiel."