Forskning i Kina har visat att en vanlig hybridkretskomponent har potential att användas som mikroaktuator. De testade MLCC:erna av industriell kvalitet visar förvånansvärt liten hysteres, vilket tyder på att de kan vara av intresse i många mikroaktiveringsapplikationer inklusive nanoposition för skanningsprobmikroskop.

Begränsade alternativ

Mikroaktivering som används för nanopositionering är viktig för nanoteknologiska verktyg som scanning probe microscope (SPM), som använder nanopositioneringssystem med mikroaktuatorer med upplösningar på mindre än en nanometer och rörelseområden på flera mikrometer för att tillåta forskare att studera objekt på molekylär och atomär nivå.

Mikroaktuatorer är normalt gjorda av piezokeramiska eller elektrostriktormaterial. En av huvudproblemen med piezoelektriska enheter är hysteretiskt beteende mellan pålagd spänning och utgående mekanisk förskjutning. Detta begränsar deras användning i högprecisionsförskjutningsspårningstillämpningar. Kontrollstrategier har utvecklats för att övervinna dessa begränsningar men ingen har gett tillfredsställande prestanda med hänsyn till alla inblandade frågor, dvs hastighet, upplösning, robusthet och komplexitet. Elektrostriktiva anordningar, å andra sidan, lider mycket mindre av hysteres men begränsas av stor temperaturkänslighet och ett mycket olinjärt fält-töjningsförhållande.

Mindre vanlig användning

Ett team från University of Science and Technology of China (USTC) i Hefei tror att de har hittat en alternativ lösning i en vanlig elektronisk komponent – ​​den flerskiktiga keramiska kondensatorn (MLCC). MLCC är grundläggande elektroniska komponenter, utgör vanligtvis 30 % av elementen i ett hybridkretskort. De består av ett monolitiskt keramiskt block som omger kamliknande sintrade elektroder, med en elektrisk kontakt gjord av inbrända metallskikt. Det finns flera klasser, definieras av typen av keramiskt dielektriskt material som används, och det är medlemmar av Class II MLCCs som har fångat USTC-teamets uppmärksamhet, de som är kända under beteckningen X7R.

X7R MLCC använder huvudsakligen ferroelektrisk keramik som uppvisar piezoelektriska effekter. Dock, när de används som mikromanöverdon uppvisar de mycket lite av det hysteretiska beteende som förknippas med piezoelektriska material. "Det nästan inga hysteresbeteende hos de föreslagna X7R MLCC-ställdonen tillåter enkla manipulationer i öppen loop, högprecisionsförskjutningsspårningstillämpningar. De kräver inte polning och har mycket bättre linjär förskjutning och mindre temperaturkänslighet än traditionella elektrostriktiva material. MLCC ställdon verkar kombinera fördelarna med traditionella piezoelektriska och elektrostriktiva ställdon, " sa teammedlemmen Dr Zhihua Feng.

Eftersom MLCC:er delar en staplad konstruktion med piezoelektriska stapelaktuatorer, men med mycket tunnare dielektriska lager, teamet misstänkte att den elektrostatiska kraften som genererades inuti kondensatorerna skulle kunna deformera dem. Men deras experiment visade att endast förlängningsdeformationer genererades, oavsett polariteten hos den pålagda spänningen, och beräkningar visade att de elektrostatiska krafterna var för svaga för att producera den observerade töjningen. Så, de teoretiserade att en omvänd piezoelektrisk effekt kan vara på väg, men experiment visade att den piezoelektriska effekten i MLCC var ganska svag. "Eftersom MLCC:erna inte hade polats kan det vara biasspänningen som inducerade nettopolariseringen i MLCC:erna och detta bekräftades av den avsevärt förbättrade piezoelektriska effekten med en DC-förspänning applicerad på MLCC:erna. Vid denna tidpunkt, vi antar att nettopolarisationen i MLCC beror på DC-förspänningen och att den omvända piezoelektriska effekten existerar i det tillståndet, sa Feng.

Användbara kapaciteter

I det första fallet, teamet tror att MLCC-mikroaktuatormetoden kan vara användbar för enskilda forskare som behöver hög precision, lätt att kontrollera, lågkostnadsstadier för nanopositionering för att underlätta deras studier. Eftersom MLCC är gjorda för användning som kondensatorer, piezoelektricitet är inte ett fokus i deras tillverkning, så det kan variera från en enhet till nästa. För användning i större skala, omfattande tester skulle behövas för att studera denna variation och för bättre förståelse av detta fenomen och dess mekanismer.

Eftersom endast ferroelektriska keramiska MLCC med hög dielektrisk konstant har det erforderliga beteendet, höga kapacitanser är en nödvändig egenskap hos MLCC-ställdon. Detta skulle begränsa tillämpningar som kräver snabb aktivering, eftersom drivströmmen kan vara för hög. Men det lämnar många potentiella applikationer kvar. USTC-teamet undersöker dessa ställdon för det laterala skanningssteget av ett kommersiellt atomkraftmikroskop, och har erhållit initiala experimentella bilder. "Just nu, ett av våra huvudmål är att förbättra prestandan för en typisk SPM. Men MLCC kan också fungera som kraftavkännande element eller till och med energiskördande komponenter, utvärderingar av kondensatorernas potential måste göras. Vi skulle vilja undersöka möjligheten att använda MLCC i alla områden där ett traditionellt piezoelement används, att dra nytta av den låga drivspänningen och kostnaderna, sa Feng.

Denna berättelse publiceras med tillstånd av Elektronik bokstäver . För ytterligare Elektronik bokstäver nyheter och funktioner besök theiet.org/eletters