Motores eléctricos microscópicos

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

• Elektronika

Todos sabemos aproximadamente o pequeno que é o grosor dunha folla de papel ou dun pelo, que mide una décima ou dúas do milímetro. Por tanto, non é de crer que exista un motor eléctrico menor que o espesor dun cabelo. Os motores eléctricos que coñecemos até agora son de dimensións moi diferentes. Algunhas son impresionantes (4.500 kW, por exemplo, da máquina de tren) e outras duns poucos milímetros (por exemplo, reloxos de cuarzo).

Todos estes motores eléctricos están baseados na forza magnética. En definitiva, baséanse na capacidade dun imán (ou electroimán) paira atraer un anaco de ferro. Paira aumentar esta forza magnética, os electroimanes dispoñen dunha bobina pola que se pasa a corrente eléctrica e créase un campo magnético de alta intensidade. Na miniaturización, con todo, os fíos, illamentos e devanados presentan obstáculos insalvables.

Os motores máis pequenos que se utilizan actualmente en base a forza magnética son os de reloxo de cuarzo. Funcionan en corrente alterna e aínda que o rotor mide un ou dous milímetros, o estator adoita superar o centímetro coa súa bobina.

Pero a pesar dos obstáculos, na Universidade de California (Berkeley), Roger Howe e Richard Muller fabrican un motor eléctrico tan pequeno como o grosor do pelo. O motor non ten bobinado e só se pode ver co microscopio. Ademais, en principio non é un motor electromecánico senón un electrostático, xa que se aproveita da forza electrostática (e non electromagnética).

A forza electrostática é un fenómeno que podemos ver todos os días. Non hai máis que ver como a espuma de poliestireno expandido atrae aos plásticos ou como o disco musical atrae po. A forza de atracción entre dúas cargas eléctricas de signo contrario en electrostática é directamente proporcional aos valores das cargas e inversamente proporcional ao cadrado da distancia entre ambas. Por tanto, se a distancia entre cargas é a metade, a forza de atracción será catro veces maior e se a distancia é dez veces menor, a forza cen veces maior, etc. Por iso, aínda que as forzas electrostáticas son moi pequenas en si mesmas, hai que ter en conta que a distancia entre cargas é inferior ao milímetro. Nos circuítos integrados, por outra banda, a distancia entre os compoñentes é dun milésimo milleiro de milímetro, medidas nas que as forzas electrostáticas poden utilizarse como forza motriz.

Por tanto, neste novo motor eléctrico microscópico, as pezas pequenas deberán ser fabricadas cunha precisión enorme, do mesmo xeito que os compoñentes do circuíto integrado. Desde hai tempo están a introducirse miles de transistores nun cadrado de 5 mm de lonxitude de silicio.

O proceso de elaboración de circuítos integrados baséase na fotolitografía. O circuíto debuxado nun persoal proxéctase como diapositiva ao cadrado de silicio. Mellor devandito, proxectan ao revés da diapositiva, reducindo o tamaño e non aumentando. Proxectando a imaxe do persoal á capa de lacas sensibles situada sobre a placa de silicio, o tratamento posterior só permite manter na capa as zonas iluminadas (ou viceversa). Existen outros procedementos similares paira a realización de circuítos integrados.

Pola contra, estes procedementos, ademais dos transistores, inclúen detectores, captadores de presión, acelerómetros, etc. comezaron a utilizarse paira o seu deseño e os enxeñeiros conseguiron o motor eléctrico. O motor está construído nunha capa de silicio policristalino, que é tomado como sándwich polas outras dúas capas de sílice.

A forma exterior do motor é a que presentan estas capas. A sílice fai de molde ou carcasa. Una vez depositada no seu interior a capa suficiente paira formar as pezas móbiles, o molde exterior disólvese en ácido fluorhídrico, quedando ao descuberto as pezas do motor. O rotor é similar aos motores asíncronos. Adóptaselle a forma dun engrane de oito ou doce dentes cun diámetro de 6 ou 7 centésimas de milímetro, inferior ao espesor do pelo. O estator tállase directamente no soporte de silicio. Dispón dun orificio circular de entrada ao rotor e de muescas metalizadas ao redor paira xerar campo eléctrico rotativo mediante corrente alterna. A distancia entre o rotor e o estator (coñecido como entrehierro en motores normais, pero aquí habería que chamarlle silicio) é de 0,5 milímetros.

O motor microscópico funciona igual que o motor asíncrono normal. Cando nunha determinada dirección envíase a corrente aos desniveis do estator, o seu campo eléctrico extremo induce una electrización contraria nos dentes do rotor e, ao ser atraídos por cargas de signo contrario, o rotor xira achegándose ás muescas.

Con todo, antes de alcanzar o equilibrio, a dirección ou distribución da corrente da sangría cambia e os dentes do rotor empúxanse con forza de repulsión. Controlando a corrente do estator como campo magnético en motores asíncronos clásicos, o rotor xira continuamente. O microprocesador está paira controlar esta corrente do estator. O motor microscópico atópase dentro do microprocesador.

Doutra banda, este modesto motor xerará problemas diferentes aos anteriores, xa que descoñecen a influencia da fricción e o desgaste nesas dimensións. Como engrasar as pezas por exemplo?

Con todo, hai outra pregunta importante: paira que se utilizarán estes motores? E non é tan difícil responder. O microprocesador será o cerebro que goberne e o músculo que traballe o motor microscópico. Paira a microcirugía construiranse tesoiras ou serras circulares, como a retina do ollo ou o corte de pequenas células noutro órgano. Ou sacarán graxa das arterias ou mediante válvulas microscópicas expulsarán doses exactas de medicamentos a un momento e lugar determinado.

Por suposto, tamén na industria. Na aliñación de diodos láser, fibra óptica de telecomunicacións, etc. Tamén son de gran interese paira os satélites e sondas espaciais, xa que o seu tamaño e peso son de vital importancia neste campo.