میکروموتورها

سیستم‌های مکانیکی هم مانند سیستم‌های الکترونیکی به دنیای میکروسکوپی وارد می‌شوند.
ریز موتورها یا میکرو‌موتورها، جزء مهم و شاید تعیین کننده‌ای در رشته‌ی جالبی از مهندسی به نام سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی هستند. سیستم های میکرو الکترومکانیکی یا به اختصار MEMS، ماشینهایی هستند که از اجزای فرعی متحرک کوچکی با ابعادی در حدود نیم تا 500 میکرون (میکرومتر ) ساخته شدهاند. (برای اینکه تصوری از این ابعاد پیدا کنید، باید گفت که اندازه‌ی قطر موی انسان تقریبا70 میکرون است.) اگر سیستم‌های با مقیاس کوچک، که تاکنون در میکروچیپ‌ها یا «ریز تراشه های الکترونیکی» به کار رفته است، در سیستم های مکانیکی با قسمتهای متحرک نیز به کار رود امتیاز بزرگی به دست آمده است . امکان یکپارچه شدن عملکرد اجزای الکتریکی مانند حسگر‌ها، مدارهای منطقی، و مدارهای کنترل با عملکرد اجزای مکانیکی مانند «ریز کار اندازها»ی شیرها، یا مدوله سازهای نوری را در یک سیستم فراهم می‌کند . اهمیت موضوع ناشی از این حقیقت است که هنوز در اولین مراحل رشد خود قرار دارد. کسی نمی‌داند این رشته‌ی مهندسی به کدام سو خواهد رفت و آیا روزی خواهد توانست انقلابی در طراحی ماشین به وجود آورد یا نه. واضح است که MEMS شرایطی را به وجود خواهد آورد که مهندسان خودشان را صرفاً مهندس مکانیک یا مهندس برق تلقی نکنند، بلکه مرزهای این دو رشته‌ی ‌مهندسی از میان برداشته شود . ماشینهایی که از تعداد زیادی از سیستمهای فرعی کوچک تشکیل شده اند (MEMS) نسبت به ماشینهای متداول مزایایی دارند، زیرا در طراحی این ماشینها، آزادی بیشتری وجود دارد. بدیهی‌ترین اثر، تغییر تأثیر نسبی خواص فیزیکی است که در عملکرد سیستم نقش دارند. برای مثال، سیستمی که مقیاسش کوچک می‌شود، قدرت مکانیکی آن (که به مساحت سطح مقطع بستگی دارد) به نسبت لختی سیستم (که به حجم بستگی دارد) کاهش نمی‌یابد. اتصال چند جزء فرعی کوچک به صورت ترکیبهای موازی و متوالی، امکان ایجاد سیستمهای بزرگتری (ساختارها، حسگرها، و کاراندازها) را با خواص مکانیکی مورد نظر (نیرو، سرعت، امپدانس مکانیکی) مخصوص آن سیستم فراهم می کند؛ در حالی که این خواص مکانیکی مخصوص سیستمهای مکانیکی متداول، یا احتیاج به مدارهای منطقی کنترل پیچیده‌ای دارند و یا اصلاً نمی توان به آنها دست یافت. این مورد، مشابه بافت ماهیچه‌ای انسان است که وظایف مختلفی را انجام می‌دهد: ماهیچه‌ی مخطط از واحدهایی با ابعاد میکرونی (سارکومرها) تشکیل می‌شود که به صورت ترکیبهای متوالی و موازی به همدیگر پیوسته‌اند و ترکیب لازم را به وجود می‌آورند، مانند ماهیچه‌های باریک برای انجام وظایف ظریف (ماهیچه‌های پلک چشم) و ماهیچه‌های بزرگ و حجیم برای مواردی که نیروی زیادی لازم است (ماهیچه‌ی پا). مثال آشنای دیگری برای این مورد، عملکرد موفق سیستم برقی متشکل از مجموعه‌ی شبکه‌هایی است که از اتصال اجزای برقی به صورت ترکیب‌های متوالی و موازی به وجود می‌آید. بدیهی است که یکی از اجزای لازم ریز ماشینها یا میکروماشینها، کارانداز است. بسیاری از منابع کاراندازی (آلیاژهای حافظه دار)، مواد بارا برقی یا پیزو الکتریک، میدانهای مغناطیسی) برای عملکردهای مخصوص یا برای سیستم های نسبتا بزرگ (meso) به کار می‌روند. اما همگان پذیرفته‌اند که با نزدیک شدن ابعاد وسیله به مقیاس ریز، بهترین روش کاراندازی برق ایستایی یا الکتروستاتیکی خواهد بود. در ابعاد ماکروسکوپی کاراندازی الکتروستاتیکی خیلی کم به کار رفته است. میدانهای الکتریکی که به راحتی تولید می‌شود بسیار ضعیفتر از میدانهای مغناطیسی موجود در موتورها هستند . قدرت های زیاد میدان، ولتاژهای بالایی نیاز دارد که به تشکیل قوس الکتریکی و قطع مدارها منجر خواهد شد . اما در مورد ابعاد میکرونی، این اشکال دیگر وجود ندارد. میدانهای قوی الکتریکی، از ولتاژهای کم موجود در فواصل میکرونی- به دلیل پدیده‌ای میکروسکوپی - قوس الکتریکی تشکیل نمی‌شود، بنابراین قدرت میدان به ولتاژ 106×3 ولت بر متر که مربوط به نقطه‌ی تخلیه ی هاله دار هواست محدود نمی‌شود. وقتی مقیاس ابعاد کوچک می‌شود، نه تنها معایب الکتروستاتیکی کم‌اهمیت‌تر می‌شوند، بلکه مشکلات کاراندازی با مغناطیس نیز جدی‌تر و شاید غیر قابل حل می‌شود.
میدان‌های مغناطیسی قابل کنترل در مورد سیستمهای MEMS به جریانهای قابل اندازه‌گیری در «میکروسیم»ها نیاز دارند وناچار سبب افت مقاومت می‌شوند. دلیل دیگری هم وجود دارد که برای کار اندازی در ابعاد کوچک به الکتروستاتیک رو بیاوریم وآن نمونه‌ای است که در طبیعت وجود دارد: حرکت ماهیچه‌های انسان از نیروهای الکتروستاتیکی ناشی می‌شود ، با این تفاوت که در این مورد، پیوندهای شیمیایی نقش الکترودها را به عهده دارند. طراحی «ریز اندازهای» الکتروستاتیکی ممکن است چنین بنماید که طراحی نسبتاً ساده‌ای مانند موتور «دیسک-بر-یاتاقان» که برای نشان دادن مزایای ریزکاراندازهای الکتروستاتیکی کافی است. در این طرح، که با انجام تغییراتی در موتورهای مغناطیسی به دست آمده است، روتور روی یاتاقان خود به طرف ناحیه‌ای که قدرت میدان بین الکترودهای استاتور و قطبهای روتور افزایش می‌یابد حرکت می‌کند . با اعمال ولتاژی بین اولین جفت الکترودهای استاتور رو به روی هم و سپس به جفت بعدی و بعدی، روتور می‌تواند شروع به چرخش کند . استفاده از روش‌های دیگر تحریک که گشتاور ایجاد می‌کنند نیز امکان پذیر است‌. این طرح مقدماتی را در حقیقت اولین بار «فان» ، «تای» و «مولر» در میکروموتوری که از «میکروماشیکاری» پلی سیلسیوم درست شده بود در مرکز حساسه‌ها و کاراندازهای برکلی واقع در دانشگاه کالیفرنیا در برکلی به کار گرفتند. این نخستین نمایش کارکرد میکروموتورهای پلی سیلیسیومی در 1988 بود. گرچه ساختن کاراندازهای بسیار کوچک الکتروستاتیکی از لحاظ تکنولوژیکی امکان پذیر است، برای غلبه بر ناپایداری و اصطکاک در محل یاتاقانها و سایر مشکلات، طراحی‌های جدید و ساخت مواد اولیه‌ی مناسب، لازم خواهد بود. پیش از هر چیز، مشکل ساخت سطوح صاف در مقیاس‌های اعشار میکرون مطرح است. از این جهت زبری نسبی سطوح در میکرو ماشینها خیلی مضرتر از موارد مشابه آن در مقیاس ماکروسکوپی است. زبری سطوح، مشکل غلبه بر نا پایداری الکتروستاتیکی و غلبه بر تمایل به جذب الکترود‌های با بار مخالف را بیشتر می‌کند، مگر اینکه نیروهای باز دارنده‌ی بسیار نیرومندی برای حفظ فاصله‌ی کوچک بین آنها اعمال شود. زبری سطوح همچنین حاکی از آن است که اصطکاک و سایش در مقیاس ریز نسبت به مقیاس‌های بزرگ مشکل آفرین‌تر نیز می‌شود. دوم اینکه طراحی و ساخت نمونه‌ی دقیق میکرو کار اندازهای الکتروستاتیکی کار ساده‌ای نیست. مدل سازی طرح کار اندازها در پیشبرد این تکنولوژی بسیار اهمیت دارد و به نوبه‌ی خود مستلزم درک درست و کشف آثار الکتروستاتیکی مربوطه است. همچنین شناخت رفتار مواد در مقابل برهمکنشهای الکتروستاتیکی و اثر آن بر سایر قطعات ماشین (یاتاقانها و غیره) ضروری است. آموخته‌ها و تجربه‌های جا افتاده‌ی «مغناطوستاتیکی» در این مورد به دلایل متعدد کاربرد زیادی ندارند: مواد مغناطیسی همواره یا بسیار تاثیر پذیرند (مانند فرو مغناطیسها)، یا اثر های مغناطیسی را در خود نگه نمی دارند؛ از طرف دیگر، مواد از نظر الکتروستاتیکی خنثی نیستند؛ ضریب دی الکتریکی نسبی جامدات در حدود 2 یا بیشتر است لذا هر جزء جامدی در ساختار الکتروستاتیکی به طور مشخص برمیدان موجود اثر خواهد داشت. همچنین، منابع تولید میدانهای مغناطیسی، جریانها یا القای مغناطیسی را با اطمینان بیشتری می توان تعیین کرد در حالی که برای تعیین منابع تولید میدانهای الکتروستاتیکی، بارهای الکتریکی و قطبش با مشکل بیشتر مواجهیم و این منابع دستخوش تغییرات زیادتری هستند. نوع اجزای الکتروستاتیکی و برهمکنش آنها (هادیها، دی الکتریکها، الکترتهای جبران شده و نشده، فرو الکتریکها، نیروهای دی الکترونورتیک و غیره) تغییر پذیرند (الکترت ماده‌ای الکتریکی است که اگر آن را گرم کنیم و در میدان مغناطیسی قرار دهیم آهن‌ربای دائمی می‌شود)، بنابراین شخص باید بتواند اهمیت هریک از اثرها را در طراحی یا مدل سازی به خوبی ارزیابی کند. گرچه تشابهی اصولی را می توان بین میکرو کار اندازهای مغناطیسی و الکتریکی بیان کرد، در عمل خیلی از ابداعات موتورهای مغناطیسی برای کاراندازهای الکتریکی مورد استفاده ندارند .
موتور وُبل (WM یاا موتور غلتشی که در مرکز طراحی مهندسی دانشگاه یوتا ساخته شده است و «تریمر» و «جبنز» نیز مستقلاً در آزمایشگاه آن را (به نام «موتور هماهنگ») ساختند، مثال مناسبی است از اینکه چگونه با طراحی هوشمندانه می‌توان بر بعضی از مسائل موجود در راه ساخت MEMS چیره شد. گروه های دیگری شامل گروه دانشگاه ام آی تی با به کار گیری پلی سیلیسیوم، و کورنل با استفاده از تنگستن، روش‌های فنا شونده را برای ساخت موتور وبل به قطر 100 میکرون به کار گرفتند. تحول و تکامل مستمر ماشینهایی از قبیل کاراندازها، شیرها و مدوله‌سازهای نوری، پیدایش دیدگاهی نوین در مواد، ساخت و روش‌های تحلیلی را سرعت خواهد بخشید. میکروموتوری که در مرکز طراحی مهندسی یوتا ساخته شد، از روتور کوچکی تشکیل می‌شود که توسط استاتور چند پارچه‌ای احاطه شده است (مرکز طراحی مهندسی‌، موتورهای وبل را با روتورهایی به قطر200 میکرون ساخته و به کار گرفته است)، در این موتورها محور چرخش روتور در حقیقت بر روی دایره‌ای دور محور استاتور می‌گردد و یاتاقانی به عنوان تکیه گاه وجود ندارد، در موتور وبل، به ترتیب به هر یک از تکه های استاتور ولتاژ اعمال می شود تا به روتور هادی جریان برق، نیروهای فرضی الکتریکی القا کند. روتور با لایه‌ی نازکی از عایق پوشانیده شده است که از اتصال با الکترودها جلوگیری می‌کند. سرعت موتور را می توان با تعداد «غلتش بر دقیقه » (WPM) بیان کرد و آن سرعت چرخش محور روتور بر روی دایرهای حول محور محفظهی مرکزی استاتور است. حرکت دورانی روتور و درنتیجه سرعت آن، در حالی که از روتور به عنوان محور محرک استفاده می شود، ممکن است با سرعت «غلتش» اختلاف زیادی داشته باشد؛ نسبت این دو سرعت به یکدیگر بستگی به شعاع نسبی روتور و استاتور دارد. در موتورهای وُبل CED که در آنها قطر روتور 95 درصد قطر استاتور است، دوران تقریبا به دور یک محور صورت میگیرد و سرعت دورانی موتور یک بیستم (5 درصد) سرعت غلتش است. این موضوع اهمیت زیادی دارد زیرا نیاز به چرخ دنده برای کاهش سرعت را، که خود مشکلات جدیدی به دنبال دارد، برطرف میکند. خارج از مرکز بودن حرکت حاصل از موتورهای وبل را، که در خیلی از کاربردها مقدار ناچیزی است، در صورت لزوم می توان با اضافه کردن کوپلینگ انعطاف پذیر ارزان قیمتی از بین برد. در طراحی موتور وبل معایب ناشی از کاراندازی نوع الکتروستاتیکی به محاسن تبدیل می شود. باید دانست که فاصله ی موثر الکتروستاتیکی موجود در موتور (فاصله ی بین روتور و استاتور) در حقیقت همان ضخامت پوشش عایق روی روتور است. لذا این فاصله می‌تواند خیلی کوچک و ثابت باشد و چون با عایق پر شده است، در برابر اتصال کوتاه بسیار مقاوم باشد. اساس این طراحی طوری است که در آن، مشکل ناپایداری الکتروستاتیکی وجود ندارد. ممکن است به نظر برسد که ناپایداری الکتروستاتیکی (تمایل الکترودها با ولتاژهای مختلف برای جذب یکدیگر) است که باعث اعمال نیرو به موتور وبل و حرکت آن می شود! همچنین به نظر می رسد سایش (که از اصطکاک ناشی می شود) در این مورد وجود ندارد. دست کم می‌توان گفت که در قیاس با وسایل ماکروسکوپی، هیچ نوع سایشی وجود ندارد. سینماتیک روتور چنان است که هیچ گونه حرکت نسبی در نقطه‌ی تماس آن وجود ندارد، بنابراین فاقد اصطکاک لغزشی است. درست است که سطحی بر روی سطح دیگری می‌غلتد، ولی هردو سطح اصولاً دارای انحنای یکسانی هستند. بنابراین، با توجه به تصور ماکروسکوپی ما از اصطکاک غلتشی (تغییر شکل یک سطح که ناشی از سایش سطح دیگری بر روی آن است؛ بستگی به شعاع دارد)، این اصطکاک ناچیز و چشم پوشیدنی است. البته در اینجا اصطکاک استاتیکی وجود دارد. عدم علائم آشکار سایش ناشی از اصطکاک، به سادگی بر فقدان درک ما از وسایل مکانیکی در این ابعاد صحه می گذارد. در حقیقت سایش وجود دارد اما مقدار آن بسیار اندک است. فقط پس از 14میلیارد «غلتش» ضخامت پوشش عایق، بر اثرسایش به اندازه‌ای رسید که باعث اتصال کوتاه برقی شد. انتظار می‌رود با دقت بیشتر در آماده سازی سطوح، سایش در موتور وبل بسیار بسیار کاهش یابد.
پژوهشگران مرکز طراحی مهندسی (CDE) برای اندازه گیری مشخصههای موتور وبلی که ساخته اند به طور متمرکز مشغول به کارند. آزمایشهای استاندارد بر روی ماکروموتورها وقتی انجام شد که تجهیزات مخصوص آزمون میکروسکوپی طراحی و ساخته شد. ابزار دقیق میکروالکترومکانیکی مناسب برای اندازه گیری میکرونی میکروموتورها در بازار وجود ندارد. گشتاور منجر به توقف در موتور وبل با نصب موتور، به صورتی که محور آن در حالت افقی قرار گیرد، و نصب یک تار شیشه‌ای سفت به روتور با زاویه ی قائم نسبت به محور آن اندازه گیری شده است. با اعمال یک ولتاژ محرک، تار شیشه ای با حالت تعادل عمودی‌اش زاویه ای می‌سازد که اندازه‌ی گشتاور الکتروستاتیکی را نشان می‌دهد. نتایج نشان می‌دهد که کاهش ضخامت لایه‌ی عایق، گشتاورهای بالاتری را به دست می دهد. در حین عملیات بدون توقف، موتور وبل به صورت پله ای کاراندازی شد. سرعت‌های آزاد از 300 غلتش در دقیقه تا 120 هزار غلتش در دقیقه، با روش های اندازه گیری استروبوسکوپی ملاحظه شد. منحنی سرعت روتور که به صورت پله‌ای تغییر می‌کرد با استفاده از پدیده‌ی انحراف نور لیزری اندازه‌گیری شد. نتایج نشان داد که حتی در سرعت های بالا، لختی روتور به هنگام حرکت به راحتی تحت تأثیر نیروهای الکتریکی قرار می‌گیرد. روتور، حتی وقتی که به نظر می‌رسد به صورت مدام در حال کار است، در حقیقت عمل «حرکت و توقف» یک موتور پله‌ای را انجام می‌دهد که به سرعت به طرف الکترود فعال حرکت می‌کند و در آنجا متوقف می شود تا الکترود بعدی فعال شود. این نتایج با شبیه سازی دینامیکی مربوط به دینامیک روتور تطابق بسیار خوبی دارد. پژوهشگران مرکز طراحی مهندسی، برای اندازه‌گیری مشخصه‌های گشتاور-سرعت موتورکه در مورد کلیه‌ی موتورهای میکروسکوپی انجام شده است، میکرودینامومتری با حساسیت کسری از دین-سانتیمتر ساخته‌اند. برای به دست اوردن منحنی های گشتاور-سرعت با میکرو دینامومتر، از روغن‌هایی با غلظت یا وسکوزیته‌ی مختلف، برای دستیابی به قدرت‌های کوپلینگ متفاوت استفاده می‌شود. در مورد هر روغن وقتی سرعت روتور افزایش می‌یابد، گشتاور نیز افزایش می‌یابد تا به مقدار ماکزیممی می رسد و بعد از آن با بیشتر شدن سرعت جا به جایی قطبها، سرعت روتور دیگر افزایش نمی‌یابد. و بنابراین قادر به افزایش گشتاور اندازه گیری شده توسط میکرو دینامومتر نیز نیست. با ترسیم این نقاط گشتاور ماکزیمم می توان دید که به ازای توان ماکزیمم موتور، که 2 میکرووات تخمین زده شده است، گشتاور با افزایش سرعت کاهش پیدا می‌کند. باید دانست که این موضوع بیشتر مشخصه‌ی حالت پله‌ای است تا خاصیت ذاتی موتور. آزمونهای پایداری موتور وبل نشان می‌دهد که این طرح اصولاً دارای سایش کمی است. موتور وبل EDM مرکز طراحی مهندسی به مدت 9 ماه به طور مداوم به کار گرفته شد. در ظرف این مدت موتور 14میلیارد غلتش با سرعت میانگین بیش از 35 هزار غلتش در دقیقه کار کرد. این کار معادل کار لازم برای غلتش در طول یک بزرگراه 25 هزار کیلومتری است. نمونهی کار تقریباً میکروسکوپی نشان می‌دهد که موتور وبل چقدر می‌تواند مفید باشد. بدین ترتیب پروژه‌ی موتور وبل در ساخت و طراحی میکروموتورهایی با ظرفیت کار طولانی مدت، کاربرد بیشتری یافته است. اما بازده این موتور از مقدار بهینه خیلی فاصله دارد. با مدل سازی ریاضی می‌توان دید که افزایش زیاد گشتاور با به کاربردن عایق نازکتر و روتور استاتوری که کاملا با هم جفت و کیپ باشند حاصل می شود. موتورهای نوع پله‌ای سرعت بیشتری دارند که با گشتاور الکتروستاتیکی موجود محدود می‌شود. تغییر قطبهای واقعی به موتور وبل امکان می‌دهد با سرعت بالایی کار کند که فقط با اتلاف انرژی داخلی (که منشا آن هنوز نامعلوم است) محدود می‌شود. حتی بدون اصلاح گشتاور با سرعت نیز می توان نسبت توان به وزن موتور وبل را در مقایسه با مقدار آن در نمونه‌ی آزمایشی که امروزه ساخته می‌شود، تا حد قابل ملاحظه‌ای افزایش داد. می‌توان روتورها را توخالی و استاتورها را با دیواره‌ی نازک ساخت. به نظر می‌رسد که با این ترتیب، ساختاری بسیار انعطاف‌پذیر به وجود آید، اما موتور وبل- بر خلاف طرح‌های استاندارد- حتی اگر خیلی هم صلب نباشد می‌بایست خوب کار کند.
موتورهای وبل ساده و بسیار کوچک را می‌توان در مواردی مانند جراحی میکروسکوپی و اپتیک به کار برد. به نظر می‌رسد فرستادن موتور به داخل بدن انسان توسط میل جراحی به منظور تامین نیروی مکانیکی لازم برای جراحی امکان‌پذیر باشد، بدون اینکه به استفاده از اتصالهایی که عبور میل را مشکل می سازند نیاز باشد. اصل موتور وبل در کاربردهایی مانند کاراندازی کنترل کننده‌های امتداد باریکه‌ی نوری با یک و دو درجه‌ی آزادی، ابزار ماشینکاری میکروسکوپی، و در هرنوع کاراندازیی که محدودیتهای اندازه و وزن مهم باشد، با ارزش است. نمونه‌ی این گونه کاربردها، هواپیماها، ماهواره‌ها، دوربینهای عکاسی، ابزار پزشکی و میکروروبوتهاست. موارد کاربرد این گونه میکرو کاراندازها و سایر انواع آن در حال حاضر به قوه‌ی تخیل وتمایل ما به اینکه چگونه از آنها برای حل مسائل موجود استفاده کنیم محدود می‌شود. لازم است عرصه‌ی جدیدی برای کاربرد این موتور باز شود. در این مورد نیز همچون طراحی خود میکرو کاراندازها به تفکر نویی نیاز است.