Motors elèctrics microscòpics

1989/07/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Elektronika

Tots sabem aproximadament el petit que és el gruix d'un full de paper o d'un pèl, que mesura una dècima o dues del mil·límetre. Per tant, no és de creure que existeixi un motor elèctric menor que el gruix d'un cabell. Els motors elèctrics que hem conegut fins ara són de dimensions molt diferents. Algunes són impressionants (4.500 kW, per exemple, de la màquina de tren) i unes altres d'uns pocs mil·límetres (per exemple, rellotges de quars).

Tots aquests motors elèctrics estan basats en la força magnètica. En definitiva, es basen en la capacitat d'un imant (o electroimant) per a atreure un tros de ferro. Per a augmentar aquesta força magnètica, els electroimants disposen d'una bobina per la qual es passa el corrent elèctric i es crea un camp magnètic d'alta intensitat. En la miniaturització, no obstant això, els fils, aïllaments i debanaments presenten obstacles insalvables.

Els motors més petits que s'utilitzen actualment sobre la base de força magnètica són els de rellotge de quars. Funcionen en corrent altern i encara que el rotor mesura un o dos mil·límetres, l'estator sol superar el centímetre amb la seva bobina.

Però malgrat els obstacles, en la Universitat de Califòrnia (Berkeley), Roger Howe i Richard Muller fabriquen un motor elèctric tan petit com el gruix del pèl. El motor no té bobinatge i només es pot veure amb el microscopi. A més, en principi no és un motor electromecànic sinó un electroestàtic, ja que s'aprofita de la força electroestàtica (i no electromagnètica).

La força electroestàtica és un fenomen que podem veure tots els dies. No hi ha més que veure com l'escuma de poliestirè expandit atreu als plàstics o com el disc musical atreu pols. La força d'atracció entre dues càrregues elèctriques de signe contrari en electroestàtica és directament proporcional als valors de les càrregues i inversament proporcional al quadrat de la distància entre ambdues. Per tant, si la distància entre càrregues és la meitat, la força d'atracció serà quatre vegades major i si la distància és deu vegades menor, la força cent vegades major, etc. Per això, encara que les forces electroestàtiques són molt petites en si mateixes, cal tenir en compte que la distància entre càrregues és inferior al mil·límetre. En els circuits integrats, d'altra banda, la distància entre els components és d'un mil·lèsim miler de mil·límetre, mesures en les quals les forces electroestàtiques poden utilitzar-se com a força motriu.

Per tant, en aquest nou motor elèctric microscòpic, les peces petites hauran de ser fabricades amb una precisió enorme, igual que els components del circuit integrat. Des de fa temps s'estan introduint milers de transistors en un quadrat de 5 mm de longitud de silici.

El procés d'elaboració de circuits integrats es basa en la fotolitografia. El circuit dibuixat en una plantilla es projecta com a diapositiva al quadrat de silici. Més ben dit, projecten a l'inrevés de la diapositiva, reduint la grandària i no augmentant. Projectant la imatge de la plantilla a la capa de laques sensibles situada sobre la placa de silici, el tractament posterior només permet mantenir en la capa les zones il·luminades (o viceversa). Existeixen altres procediments similars per a la realització de circuits integrats.

Per contra, aquests procediments, a més dels transistors, inclouen detectors, captadors de pressió, acceleròmetres, etc. van començar a utilitzar-se per al seu disseny i els enginyers han aconseguit el motor elèctric. El motor està construït en una capa de silici policristalino, que és pres com a sandvitx per les altres dues capes de sílice.

La forma exterior del motor és la que presenten aquestes capes. La sílice fa de motlle o carcassa. Una vegada dipositada en el seu interior la capa suficient per a formar les peces mòbils, el motlle exterior es dissol en àcid fluorhídric, quedant al descobert les peces del motor. El rotor és similar als motors asíncrons. Se li adopta la forma d'un engrani de vuit o dotze dents amb un diàmetre de 6 o 7 centèsimes de mil·límetre, inferior al gruix del pèl. L'estator es talla directament en el suport de silici. Disposa d'un orifici circular d'entrada al rotor i d'osques metal·litzades al voltant per a generar camp elèctric rotatiu mitjançant corrent altern. La distància entre el rotor i l'estator (conegut com a entreferro en motors normals, però aquí caldria anomenar-li silici) és de 0,5 mil·límetres.

El motor microscòpic funciona igual que el motor asíncron normal. Quan en una determinada adreça s'envia el corrent als desnivells de l'estator, el seu camp elèctric extrem indueix una electrització contrària en les dents del rotor i, en ser atrets per càrregues de signe contrari, el rotor gira acostant-se a les osques.

No obstant això, abans d'aconseguir l'equilibri, la direcció o distribució del corrent de la sagnia canvia i les dents del rotor s'empenyen amb força de repulsió. Controlant el corrent de l'estator com a camp magnètic en motors asíncrons clàssics, el rotor gira contínuament. El microprocessador està per a controlar aquest corrent de l'estator. El motor microscòpic es troba dins del microprocessador.

D'altra banda, aquest modest motor generarà problemes diferents als anteriors, ja que desconeixen la influència de la fricció i el desgast en aquestes dimensions. Com greixar les peces per exemple?

No obstant això, hi ha una altra pregunta important: per a què s'utilitzaran aquests motors? I no és tan difícil respondre. El microprocessador serà el cervell que governi i el múscul que treballi el motor microscòpic. Per a la microcirugía es construiran tisores o serres circulars, com la retina de l'ull o el tall de petites cèl·lules en un altre òrgan. O trauran greix de les artèries o mitjançant vàlvules microscòpiques expulsaran dosis exactes de medicaments a un moment i lloc determinat.

Per descomptat, també en la indústria. En l'alineació de díodes làser, fibra òptica de telecomunicacions, etc. També són de gran interès per als satèl·lits i sondes espacials, ja que la seva grandària i pes són de vital importància en aquest camp.