Motores eléctricos microscópicos

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

• Elektronika

Todos sabemos aproximadamente lo pequeño que es el grosor de una hoja de papel o de un pelo, que mide una décima o dos del milímetro. Por lo tanto, no es de creer que exista un motor eléctrico menor que el espesor de un cabello. Los motores eléctricos que hemos conocido hasta ahora son de dimensiones muy diferentes. Algunas son impresionantes (4.500 kW, por ejemplo, de la máquina de tren) y otras de unos pocos milímetros (por ejemplo, relojes de cuarzo).

Todos estos motores eléctricos están basados en la fuerza magnética. En definitiva, se basan en la capacidad de un imán (o electroimán) para atraer un trozo de hierro. Para aumentar esta fuerza magnética, los electroimanes disponen de una bobina por la que se pasa la corriente eléctrica y se crea un campo magnético de alta intensidad. En la miniaturización, sin embargo, los hilos, aislamientos y devanados presentan obstáculos insalvables.

Los motores más pequeños que se utilizan actualmente en base a fuerza magnética son los de reloj de cuarzo. Funcionan en corriente alterna y aunque el rotor mide uno o dos milímetros, el estator suele superar el centímetro con su bobina.

Pero a pesar de los obstáculos, en la Universidad de California (Berkeley), Roger Howe y Richard Muller fabrican un motor eléctrico tan pequeño como el grosor del pelo. El motor no tiene bobinado y sólo se puede ver con el microscopio. Además, en principio no es un motor electromecánico sino un electrostático, ya que se aprovecha de la fuerza electrostática (y no electromagnética).

La fuerza electrostática es un fenómeno que podemos ver todos los días. No hay más que ver cómo la espuma de poliestireno expandido atrae a los plásticos o cómo el disco musical atrae polvo. La fuerza de atracción entre dos cargas eléctricas de signo contrario en electrostática es directamente proporcional a los valores de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ambas. Por tanto, si la distancia entre cargas es la mitad, la fuerza de atracción será cuatro veces mayor y si la distancia es diez veces menor, la fuerza cien veces mayor, etc. Por ello, aunque las fuerzas electrostáticas son muy pequeñas en sí mismas, hay que tener en cuenta que la distancia entre cargas es inferior al milímetro. En los circuitos integrados, por otra parte, la distancia entre los componentes es de un milésimo millar de milímetro, medidas en las que las fuerzas electrostáticas pueden utilizarse como fuerza motriz.

Por tanto, en este nuevo motor eléctrico microscópico, las piezas pequeñas deberán ser fabricadas con una precisión enorme, al igual que los componentes del circuito integrado. Desde hace tiempo se están introduciendo miles de transistores en un cuadrado de 5 mm de longitud de silicio.

El proceso de elaboración de circuitos integrados se basa en la fotolitografía. El circuito dibujado en una plantilla se proyecta como diapositiva al cuadrado de silicio. Mejor dicho, proyectan al revés de la diapositiva, reduciendo el tamaño y no aumentando. Proyectando la imagen de la plantilla a la capa de lacas sensibles situada sobre la placa de silicio, el tratamiento posterior sólo permite mantener en la capa las zonas iluminadas (o viceversa). Existen otros procedimientos similares para la realización de circuitos integrados.

Por el contrario, estos procedimientos, además de los transistores, incluyen detectores, captadores de presión, acelerómetros, etc. comenzaron a utilizarse para su diseño y los ingenieros han conseguido el motor eléctrico. El motor está construido en una capa de silicio policristalino, que es tomado como sándwich por las otras dos capas de sílice.

La forma exterior del motor es la que presentan estas capas. La sílice hace de molde o carcasa. Una vez depositada en su interior la capa suficiente para formar las piezas móviles, el molde exterior se disuelve en ácido fluorhídrico, quedando al descubierto las piezas del motor. El rotor es similar a los motores asíncronos. Se le adopta la forma de un engrane de ocho o doce dientes con un diámetro de 6 o 7 centésimas de milímetro, inferior al espesor del pelo. El estator se talla directamente en el soporte de silicio. Dispone de un orificio circular de entrada al rotor y de muescas metalizadas alrededor para generar campo eléctrico rotativo mediante corriente alterna. La distancia entre el rotor y el estator (conocido como entrehierro en motores normales, pero aquí habría que llamarle silicio) es de 0,5 milímetros.

El motor microscópico funciona igual que el motor asíncrono normal. Cuando en una determinada dirección se envía la corriente a los desniveles del estator, su campo eléctrico extremo induce una electrización contraria en los dientes del rotor y, al ser atraídos por cargas de signo contrario, el rotor gira acercándose a las muescas.

Sin embargo, antes de alcanzar el equilibrio, la dirección o distribución de la corriente de la sangría cambia y los dientes del rotor se empujan con fuerza de repulsión. Controlando la corriente del estator como campo magnético en motores asíncronos clásicos, el rotor gira continuamente. El microprocesador está para controlar esta corriente del estator. El motor microscópico se encuentra dentro del microprocesador.

Por otro lado, este modesto motor generará problemas diferentes a los anteriores, ya que desconocen la influencia de la fricción y el desgaste en esas dimensiones. ¿Cómo engrasar las piezas por ejemplo?

Sin embargo, hay otra pregunta importante: ¿para qué se utilizarán estos motores? Y no es tan difícil responder. El microprocesador será el cerebro que gobierne y el músculo que trabaje el motor microscópico. Para la microcirugía se construirán tijeras o sierras circulares, como la retina del ojo o el corte de pequeñas células en otro órgano. O sacarán grasa de las arterias o mediante válvulas microscópicas expulsarán dosis exactas de medicamentos a un momento y lugar determinado.

Por supuesto, también en la industria. En la alineación de diodos láser, fibra óptica de telecomunicaciones, etc. También son de gran interés para los satélites y sondas espaciales, ya que su tamaño y peso son de vital importancia en este campo.