Termografia w badaniach mikro siłowników dla nanotechnologii

Systemy mikroelektromechaniczne (MEMS) oferują szeroką gamę możliwego zastosowania w zakresie nanotechnologii. Codziennymi przykładami są np. rozpoznawanie lokalizacji telefonów komórkowych oraz użycie w poduszkach powietrznych, aparatach cyfrowych lub rozrusznikach serca. Inne aplikacje można znaleźć przede wszystkim w zakresie zminiaturyzowanej diagnostyki medycznej. Rosnące wymagania dotyczące miniaturyzacji wpływają zarówno na wymagane rozwiązania systemowe, jak i na czujniki oraz elementy sterujące konieczne do opracowania.

Mikromechanika jako wsparcie dla przyszłych zastosowań nanotechnologii

Wydział Mikrosystemów i Inżynierii Biomedycznej na Politechnice w Chemnitz pracuje nad mikro siłownikami opartymi na MEMS, które mają służyć jako platforma kontrolna do analiz nanokomponentów i mają wielkość tylko kilku mikrometrów. Podobnie do konwencjonalnych elektromechanicznych stołów pozycjonujących z trzema stopniami swobody, celem jest umożliwienie wysokiej precyzji ruchu poziomego lub pionowego nanokomponentów.

Kamera ImageIR® 9300 i termografia na zminiaturyzowanych siłownikach

Wydziałowi udało się przenieść 20 - letnie doświadczenie zdobyte w dziedzinie siłowników elektrostatycznych do siłowników sterowanych termicznie. Pozwalają one na użycie mikroskopów elektronowych do analizy MEMS, która nie byłaby możliwa z siłownikami elektrostatycznymi. Prototypy termiczne siłowniki zostały już opracowane w Chemnitz Politechnika umożliwiająca sterowanie ruchem z dokładność do 2 µm i 0,3°.

Osiągnięcie takiej precyzji wymaga dokładnej analizy parametrów zastosowanych materiałów na siłowniki. Jak oczekiwano z siłownikami termicznymi, najważniejszym czynnikiem jest pomiar temperatury elementu jak najdokładniej. Ze względu na bardzo małe wymiary i właściwości mechaniczne mierzonych obiektów, tylko najbardziej wyrafinowane kamery na podczerwień mogą być brane pod uwagę. Została wybrana soczewka mikroskopowa, a następnie połączono ją z dużą kamerą termowizyjną ImageIR® 9300 z (1280 × 1,024) pikseli w podczerwieni, aby osiągnąć rozdzielczość o zasięgu µm i duże pole widzenia, aby uchwycić elementy peryferyjne wokół siłowników.

Rozdzielczość ograniczona dyfrakcją

Na Politechnice Chemnitz jest używana kamera ImageIR® 9300 z soczewką mikroskopu M=8,0x. Z zakres widmowym (1,5 ... 5,5) µm, system ten osiąga granicę zdolności rozdzielczej możliwą fizycznie. Z powodu eksperymentalne wyznaczonej emisyjności poszczególnych materiałów testowych, uzyskane zmierzone wartości umożliwiają: wyznaczanie współczynników przenikania ciepła i innych parametrów materiałowych. Ocena jest przeprowadzana z profesjonalnym oprogramowaniem do termografii IRBIS® 3. Dodatkowo stanowisko do badań termograficznych typu lock-in z InfraTec IRBIS® służy do aktywnej termografii w czasie rzeczywistym. W związku z faktem, że materiałem wykonywanych pomiarów jest krzem i aluminium, współczynniki emisyjności są bardzo niskie i wymagają starannego zastosowania specjalnych modeli korekcyjnych, to cecha używanego oprogramowania IRBIS®.

Wyniki:

Przedstawione wyniki bardzo wyraźnie ilustrują procesy termiczne zachodzące w strukturach MEMS. Niemniej jednak pozostają szczegóły, które wymagają wyjaśnienia:

  • Praca nad przeprojektowaniem siłowników w celu zmniejszenia przesłuchów termicznych komponentów.

  • Poszukiwanie metody pomiarowej do holistycznej detekcji ruchu na podstawie automatycznej oceny obrazów termicznych.

Planowana jest również próba ilościowego określenia termosprężystości tłumienie w sprężynach MEMS przy częstotliwościach wzbudzenia do ok. 10 kHz. Badania te wymagają również wysokiej precyzji interfejsu wyzwalania kamery ImageIR® 9300, aby móc szybko i precyzyjnie podążać za pomocą aktywnej termografii. Na tym etapie użycie termografii do wyświetlania jak najmniejszych różnic temperatur będzie coraz bardziej możliwa.

Przyszłe możliwe zastosowania będą jeszcze lepiej wykorzystywać elementy nanotechnologiczne, zwłaszcza z zakresu zminiaturyzowanej diagnostyki medycznej i analityki. Zaprezentowane analizy oraz wykorzystanie kamery ImageIR® 9300 zapewnia wgląd w wydajność komponentów MEMS wymaganych do tego cel, aby przyspieszyć ich rozwoju.

Źródło: InfraTec GmbH

Zgoda na pliki cookie