Los implantes médicos y las naves espaciales pueden morir repentinamente, a menudo por la misma razón: grietas en condensadores de cerámica, dispositivos que almacenan carga eléctrica en circuitos electrónicos. Estas grietas, al principio inofensivas y a menudo ocultas, pueden comenzar a conducir electricidad, agotar las baterías o cortocircuitosfuera de la electrónica.
Ahora, después de años de esfuerzo por parte de fabricantes e investigadores, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST y sus colaboradores han demostrado un enfoque no destructivo para detectar grietas en los condensadores de cerámica antes de que se deterioren.
En el estudio, el método prototipo condujo al rechazo de más del 90 por ciento de los condensadores de muestra con grietas visibles. Una vez que los estudios cuantifiquen y confirmen los niveles de detección, la nueva técnica puede ayudar a prevenir fallas en dispositivos médicos como marcapasos cardíacos y desfibriladoresy también evitar fallas electrónicas en satélites y otras naves espaciales. El nuevo método también puede detectar fallas estructurales en otros tipos de materiales, dicen los investigadores.
Los investigadores del NIST inventaron la técnica, y el estudio de los niveles de detección de grietas se llevó a cabo con colaboradores de la Universidad de Maryland, el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA y la Universidad Estatal de Colorado.
La investigación surgió de un grupo de trabajo del consorcio de la Iniciativa Internacional de Manufactura Electrónica iNEMI. Este grupo, que incluía al personal del NIST, se enfocó en mejorar la confiabilidad de los capacitores cerámicos multicapa para electrónica de misión crítica. El grupo concluyó que los métodos no destructivos deberíandesarrollado para detectar grietas en los condensadores antes de que evolucionen en vías conductoras de electricidad y causen fallas.
Debido a que pueden almacenar una gran cantidad de energía para su tamaño, los condensadores de cerámica multicapa se usan ampliamente y tienen un mercado anual de miles de millones de dólares. Pero sus tasas de falla, aunque bajas, han sido consideradas un problema en algunas aplicaciones.El estudio de la NASA señala que los condensadores son el componente electrónico con mayor probabilidad de fallar. Los condensadores pueden agrietarse durante la fabricación, el ensamblaje o el uso porque la cerámica es frágil y los dispositivos están expuestos al calor y al estrés mecánico. Detección industrial, como la inspección visual automatizada, X-Rayos y microscopía acústica: es posible que no encuentre grietas debajo de la superficie, especialmente cerca de las esquinas debajo de las tapas de los condensadores, donde la tensión puede ser mayor
Un estudio de los datos de la Administración de Alimentos y Medicamentos de varios millones de marcapasos y desfibriladores implantados en 1990-2002 encontró que aproximadamente uno de cada 150 falló, aproximadamente una cuarta parte de estos fallos fueron anormalidades de la batería / condensador, y 61 personas murieron debido a un mal funcionamiento del dispositivo.
El nuevo método de detección de grietas NIST se basa en mediciones acústicas a frecuencias mucho más altas de lo que los humanos pueden escuchar. Los investigadores aplican brevemente un campo eléctrico a través de los electrodos de un condensador, excitando una vibración a una frecuencia específica. Luego miden la descomposición con el tiempollamado ringdown de la señal. Estos datos se analizan para determinar ligeros cambios en la frecuencia frente a la magnitud de la vibración. Estos cambios son mayores cuando hay grietas presentes. Este enfoque no lineal - se centra en los cambios de frecuencia en relación con la intensidad de la señal en lugar de lalos cambios de frecuencia por sí solos son especialmente útiles porque no se ven afectados por ligeras variaciones en el tamaño de los condensadores.
Un ejemplo familiar de efectos acústicos no lineales es la forma en que cambia el tono de un violín cuando se tira del arco con más fuerza. Las cerámicas en el estudio NIST son altamente no lineales, lo que significa que los condensadores se vuelven menos rígidos y su frecuencia de resonancia disminuye cuando vibran más fuertementeEl nuevo método NIST mide patrones en cómo este tono cambia con el tiempo en relación con la fuerza de las vibraciones.
Los investigadores midieron 41 condensadores cerámicos multicapa de titanio de bario, cada uno de aproximadamente 2 por 3 milímetros de tamaño, antes y después de calentar a altas temperaturas 189 ° C y de enfriamiento rápido en agua con hielo. Este tratamiento térmico generó grietas en 27 superficies.Los resultados acústicos no lineales se correlacionaron fuertemente con la presencia de grietas visibles: las mediciones en 25 de los 27 condensadores visiblemente rotos arrojaron resultados que estaban fuera del rango de los condensadores sin grietas.
El estudio concluyó que las mediciones acústicas no lineales ofrecen un enfoque prometedor para la detección no destructiva de grietas en los condensadores antes de que ocurra una falla eléctrica, y que se debe seguir trabajando para cuantificar el nivel de detección. El personal del NIST continúa esta investigación en colaboración con un condensadorfabricante.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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