Onderzoek in China heeft aangetoond dat een gemeenschappelijk hybride circuitcomponent potentieel heeft voor gebruik als micro-actuator. De geteste MLCC's van industriële kwaliteit vertonen verrassend weinig hysterese, wat suggereert dat ze van belang kunnen zijn in veel microactuatietoepassingen, waaronder nanopositie voor scanningsondemicroscopen.

Beperkte opties

Micro-actuatie die wordt gebruikt voor nanopositionering is belangrijk voor nanotechnologische hulpmiddelen zoals de scanning probe microscope (SPM), die gebruik maken van micro-actuator nanopositioneringssystemen met resoluties van minder dan een nanometer en verplaatsingsbereiken van enkele micrometers om onderzoekers in staat te stellen objecten op moleculair en atomair niveau te bestuderen.

Micro-actuators zijn normaal gesproken gemaakt van piëzokeramische of elektrostrictormaterialen. Een van de belangrijkste problemen met piëzo-elektrische eenheden is het hysteretische gedrag tussen de aangelegde spanning en de mechanische verplaatsing van de uitgang. Dit beperkt hun gebruik in toepassingen voor het volgen van verplaatsingen met hoge precisie. Er zijn controlestrategieën ontwikkeld om deze beperkingen te overwinnen, maar geen enkele heeft bevredigende resultaten opgeleverd met betrekking tot alle betrokken problemen, d.w.z. snelheid, oplossing, robuustheid en complexiteit. Elektrostrictieve apparaten, anderzijds, hebben veel minder last van hysterese, maar worden beperkt door een grote temperatuurgevoeligheid en een sterk niet-lineaire veld-rek-relatie.

Ongewoon gebruik

Een team van de University of Science and Technology of China (USTC) in Hefei gelooft dat ze een alternatieve oplossing hebben gevonden in een veelgebruikte elektronische component - de meerlaagse keramische condensator (MLCC). MLCC's zijn fundamentele elektronische componenten, meestal goed voor 30% van de elementen in een hybride printplaat. Ze bestaan ​​uit een monolithisch keramisch blok dat kamachtige gesinterde elektroden omgeeft, met een elektrisch contact gemaakt door ingebrande metalen lagen. Er zijn verschillende klassen, bepaald door het type keramisch diëlektrisch materiaal dat wordt gebruikt, en het zijn leden van de klasse II MLCC's die de aandacht van het USTC-team hebben getrokken, die bekend zijn onder de aanduiding X7R.

X7R MLCC's gebruiken voornamelijk ferro-elektrisch keramiek dat piëzo-elektrische effecten vertoont. Echter, wanneer ze als micro-actuator worden gebruikt, vertonen ze heel weinig van het hysteretische gedrag dat wordt geassocieerd met piëzo-elektrische materialen. "Het bijna hysterese-gedrag van de voorgestelde X7R MLCC-actuators maakt eenvoudige manipulaties in open-loop mogelijk, toepassingen voor het volgen van verplaatsingen met hoge precisie. Ze vereisen geen poling en hebben een veel betere lineaire verplaatsing en minder temperatuurgevoeligheid dan traditionele elektrostrictieve materialen. MLCC-actuatoren lijken de voordelen van traditionele piëzo-elektrische en elektrostrictieve actuatoren te combineren, " zei teamlid Dr Zhihua Feng .

Omdat MLCC's een gestapelde constructie delen met piëzo-elektrische stapelactuators, maar met veel dunnere diëlektrische lagen, het team vermoedde dat de elektrostatische kracht die in de condensatoren wordt gegenereerd, ze zou kunnen vervormen. Maar hun experimenten toonden aan dat alleen extensievervormingen werden gegenereerd, ongeacht de polariteit van de aangelegde spanning, en berekeningen toonden aan dat de elektrostatische krachten te zwak waren om de waargenomen spanning te produceren. Dus, ze theoretiseerden dat er een omgekeerd piëzo-elektrisch effect aan het werk zou kunnen zijn, maar experimenten toonden aan dat het piëzo-elektrische effect in de MLCC's nogal zwak was. "Aangezien de MLCC's niet gepoold waren, kan het de biasspanning zijn die de netto polarisatie in de MLCC's veroorzaakte en dit werd bevestigd door het aanzienlijk verbeterde piëzo-elektrische effect met een DC-bias toegepast op de MLCC's. Op dit punt, we nemen aan dat de netto polarisatie in de MLCC's te wijten is aan de DC-biasspanning en dat het omgekeerde piëzo-elektrische effect in die toestand bestaat, ' zei Feng.

Nuttige capaciteiten

In eerste instantie, het team is van mening dat de MLCC-micro-actuatorbenadering nuttig kan zijn voor individuele onderzoekers die hoge precisie nodig hebben, gemakkelijk te controleren, goedkope nano-positioneringsfasen om hun studies te ondersteunen. Omdat MLCC's zijn gemaakt voor gebruik als condensatoren, piëzo-elektriciteit is geen focus in hun productie, dus het kan per eenheid verschillen. Voor gebruik op grotere schaal, uitgebreide tests zouden nodig zijn om deze variabiliteit te bestuderen en voor een beter begrip van dit fenomeen en zijn mechanismen.

Omdat alleen ferro-elektrische keramische MLCC's met een hoge diëlektrische constante het vereiste gedrag vertonen, hoge capaciteiten zijn een noodzakelijk kenmerk van MLCC-actuatoren. Dit zou toepassingen beperken die een snelle bediening vereisen, omdat de aandrijfstroom te hoog kan zijn. Maar dat laat nog genoeg potentiële toepassingen over. Het USTC-team onderzoekt deze actuatoren voor de laterale scanfase van een commerciële atomic force-microscoop, en hebben de eerste experimentele beelden verkregen. "Direct, een van onze belangrijkste doelen is het verbeteren van de prestaties van een typische SPM. Maar MLCC's kunnen ook fungeren als krachtgevoelige elementen of zelfs componenten voor het oogsten van energie, evaluaties van het potentieel van de condensatoren moeten worden gedaan. We willen de mogelijkheid onderzoeken om MLCC's te gebruiken in elk gebied waar een traditioneel piëzo-element wordt gebruikt, om te profiteren van de lage rijspanning en kosten, ' zei Feng.

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan Elektronica Brieven . Voor extra Elektronica Brieven nieuws en functies bezoek theiet.org/eletters