Nano skala, mega omfang

Forskning i Kina har vist, at en almindelig hybridkredsløbskomponent har potentiale til brug som en mikroaktuator. De testede MLCC'er af industriel kvalitet viser overraskende lidt hysterese, tyder på, at de kunne være af interesse i mange mikroaktiveringsapplikationer, herunder nanoposition til scanning af probemikroskoper.

Begrænsede muligheder

Mikroaktivering brugt til nanopositionering er vigtig for nanoteknologiske værktøjer såsom scanning probe microscope (SPM), der gør brug af mikro-aktuator nanopositioneringssystemer med opløsninger på mindre end en nanometer og vandringsområder på flere mikrometer for at give forskere mulighed for at studere objekter på molekylært og atomært niveau.

Mikroaktuatorer er normalt lavet af piezokeramiske eller elektrostriktormaterialer. Et af hovedproblemerne med piezoelektriske enheder er hysteretisk adfærd mellem påført spænding og udgangsmekanisk forskydning. Dette begrænser deres anvendelse i højpræcisionsforskydningssporingsapplikationer. Der er udviklet kontrolstrategier for at overvinde disse begrænsninger, men ingen har givet tilfredsstillende ydeevne med hensyn til alle de involverede spørgsmål, dvs hastighed, løsning, robusthed og kompleksitet. Elektrostriktive enheder, på den anden side, lider langt mindre af hysterese, men er begrænset af stor temperaturfølsomhed og et meget ikke-lineært felt-belastningsforhold.

Usædvanlig brug

Et hold fra University of Science and Technology of China (USTC) i Hefei mener, at de har fundet en alternativ løsning i en almindeligt brugt elektronisk komponent - den flerlagede keramiske kondensator (MLCC). MLCC'er er grundlæggende elektroniske komponenter, udgør typisk 30 % af elementerne i et hybridt printkort. De består af en monolitisk keramisk blok, der omgiver kamlignende sintrede elektroder, med en elektrisk kontakt lavet af indbrændte metalliske lag. Der er flere klasser, defineret af typen af ​​anvendt keramisk dielektrisk materiale, og det er medlemmer af klasse II MLCC'erne, der har fanget USTC-holdets opmærksomhed, dem, der kendes under betegnelsen X7R.

X7R MLCC'er bruger hovedsageligt ferroelektrisk keramik, der udviser piezoelektriske effekter. Imidlertid, når de bruges som en mikroaktuator, viser de meget lidt af den hysteretiske adfærd forbundet med piezoelektriske materialer. "Den næsten ingen-hysterese-adfærd af de foreslåede X7R MLCC-aktuatorer tillader simple manipulationer i åben sløjfe, højpræcisions forskydningssporingsapplikationer. De kræver ikke polering og har meget bedre lineær forskydning og mindre temperaturfølsomhed end traditionelle elektrostriktive materialer. MLCC aktuatorer ser ud til at kombinere fordelene ved traditionelle piezoelektriske og elektrostriktive aktuatorer, " sagde teammedlem Dr Zhihua Feng .

Da MLCC'er deler en stablet konstruktion med piezoelektriske stakaktuatorer, men med meget tyndere dielektriske lag, holdet havde mistanke om, at den elektrostatiske kraft, der genereres inde i kondensatorerne, måske kunne deformere dem. Men deres eksperimenter viste, at kun forlængelsesdeformationer blev genereret, uanset polariteten af ​​den påførte spænding, og beregninger viste, at de elektrostatiske kræfter var for svage til at frembringe den observerede belastning. Så, de teoretiserede, at en omvendt piezoelektrisk effekt kunne virke, men eksperimenter viste, at den piezoelektriske effekt i MLCC'erne var ret svag. "Da MLCC'erne ikke var blevet polet, kunne det være bias-spændingen, der inducerede nettopolariseringen i MLCC'erne, og dette blev bekræftet af den betydeligt forbedrede piezoelektriske effekt med en DC-bias påført MLCC'erne. På dette tidspunkt, vi antager, at nettopolariseringen i MLCC'erne skyldes DC-forspændingen, og at den omvendte piezoelektriske effekt eksisterer i den tilstand, " sagde Feng.

Nyttige kapaciteter

I første omgang holdet mener, at MLCC-mikroaktuatortilgangen kan være nyttig for individuelle forskere, der har brug for høj præcision, let at kontrollere, billige nano-positioneringstrin for at hjælpe deres studier. Da MLCC'er er lavet til brug som kondensatorer, piezoelektricitet er ikke et fokus i deres fremstilling, så det kan variere fra en enhed til den næste. Til brug i større skala, omfattende testning ville være nødvendig for at studere denne variabilitet og for bedre forståelse af dette fænomen og dets mekanismer.

Da kun ferroelektriske keramiske MLCC'er med høj dielektrisk konstant har den krævede adfærd, høje kapacitanser er en nødvendig funktion af MLCC aktuatorer. Dette ville begrænse applikationer, der kræver hurtig aktivering, da kørestrømmen kan være for høj. Men det efterlader masser af potentielle applikationer. USTC-teamet undersøger disse aktuatorer til den laterale scanningsfase af et kommercielt atomkraftmikroskop, og har fået indledende eksperimentelle billeder. "Lige nu, et af vores hovedmål er at forbedre ydeevnen af ​​en typisk SPM. Men MLCC'er kan også fungere som kraftfølende elementer eller endda komponenter til energihøst, der skal foretages evalueringer af kondensatorernes potentiale. Vi vil gerne undersøge muligheden for at bruge MLCC'er på alle områder, hvor et traditionelt piezoelement anvendes, at drage fordel af den lave kørespænding og lave omkostninger, " sagde Feng.

Denne historie er udgivet høflighed af Elektronik breve . For yderligere Elektronik breve nyheder og funktioner besøg theiet.org/eletters