La investigación en China ha demostrado que un componente de circuito híbrido común tiene potencial para usarse como microaccionador. Los MLCC de grado industrial probados muestran sorprendentemente poca histéresis, sugiriendo que podrían ser de interés en muchas aplicaciones de microactivación, incluida la nanoposición para microscopios de sonda de barrido.

Opciones limitadas

La microactivación utilizada para el nanoposicionamiento es importante para herramientas de nanotecnología como el microscopio de sonda de barrido (SPM), que hacen uso de sistemas de nanoposicionamiento de microactuadores con resoluciones inferiores a un nanómetro y rangos de recorrido de varios micrómetros para permitir a los investigadores estudiar objetos a nivel molecular y atómico.

Los microactuadores normalmente están hechos de materiales piezocerámicos o electroestrictores. Uno de los principales problemas con las unidades piezoeléctricas es el comportamiento histerético entre el voltaje aplicado y el desplazamiento mecánico de salida. Esto limita su uso en aplicaciones de seguimiento de desplazamiento de alta precisión. Se han desarrollado estrategias de control para superar estas limitaciones, pero ninguna ha proporcionado un desempeño satisfactorio con respecto a todos los aspectos involucrados. es decir, velocidad, resolución, robustez y complejidad. Dispositivos electroestrictivos, por otra parte, sufren mucho menos de histéresis, pero están limitados por una gran sensibilidad a la temperatura y una relación campo-deformación altamente no lineal.

Uso infrecuente

Un equipo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) en Hefei cree haber encontrado una solución alternativa en un componente electrónico de uso común:el condensador cerámico multicapa (MLCC). Los MLCC son componentes electrónicos fundamentales, normalmente constituyen el 30% de los elementos de una placa de circuito híbrido. Consisten en un bloque cerámico monolítico que rodea electrodos sinterizados en forma de peine, con un contacto eléctrico formado por capas metálicas quemadas. Hay varias clases, definido por el tipo de material dieléctrico cerámico utilizado, y son los miembros de los MLCC de Clase II los que han llamado la atención del equipo de la USTC, los conocidos con la designación X7R.

Los MLCC X7R utilizan principalmente cerámicas ferroeléctricas que exhiben efectos piezoeléctricos. Sin embargo, cuando se utilizan como microaccionador, muestran muy poco del comportamiento histerético asociado con los materiales piezoeléctricos. "El comportamiento casi sin histéresis de los actuadores X7R MLCC propuestos permite manipulaciones simples en bucle abierto, aplicaciones de seguimiento de desplazamiento de alta precisión. No requieren pulido y tienen un desplazamiento lineal mucho mejor y menos sensibilidad a la temperatura que los materiales electroestrictivos tradicionales. Los actuadores MLCC parecen combinar los beneficios de los actuadores piezoeléctricos y electroestrictivos tradicionales, ", dijo el miembro del equipo, el Dr. Zhihua Feng.

Como los MLCC comparten una construcción apilada con actuadores de pila piezoeléctricos, pero con capas dieléctricas mucho más delgadas, el equipo sospechaba que la fuerza electrostática generada dentro de los condensadores podría deformarlos. Pero sus experimentos mostraron que solo se generaron deformaciones de extensión, independientemente de la polaridad del voltaje aplicado, y los cálculos mostraron que las fuerzas electrostáticas eran demasiado débiles para producir la deformación observada. Entonces, Teorizaron que un efecto piezoeléctrico inverso podría estar funcionando, pero los experimentos mostraron que el efecto piezoeléctrico en los MLCC era bastante débil. "Dado que los MLCC no se habían polarizado, podría ser el voltaje de polarización lo que indujo la polarización neta en los MLCC y esto fue confirmado por el efecto piezoeléctrico significativamente mejorado con una polarización de CC aplicada en los MLCC. En este punto, asumimos que la polarización neta en los MLCC se debe al voltaje de polarización de CC y que el efecto piezoeléctrico inverso existe en ese estado, "dijo Feng.

Capacidades útiles

En la primera instancia, el equipo cree que el enfoque de microaccionador MLCC puede ser útil para investigadores individuales que necesitan alta precisión, fácil de controlar, Etapas de nanoposicionamiento de bajo costo para facilitar sus estudios. Como los MLCC están hechos para su uso como condensadores, la piezoelectricidad no es un foco en su fabricación, por lo que puede variar de una unidad a otra. Para uso a mayor escala, Se necesitarían pruebas exhaustivas para estudiar esta variabilidad y para comprender mejor este fenómeno y sus mecanismos.

Como solo los MLCC cerámicos ferroeléctricos de alta constante dieléctrica tienen el comportamiento requerido, las altas capacitancias son una característica necesaria de los actuadores MLCC. Esto limitaría las aplicaciones que requieren una actuación rápida, ya que la corriente de conducción puede ser demasiado alta. Pero eso deja muchas aplicaciones potenciales. El equipo de la USTC está investigando estos actuadores para la etapa de barrido lateral de un microscopio de fuerza atómica comercial. y han obtenido imágenes experimentales iniciales. "Ahora, Uno de nuestros principales objetivos es mejorar el rendimiento de un SPM típico. Pero los MLCC también podrían actuar como elementos de detección de fuerza o incluso componentes de recolección de energía, Es necesario realizar evaluaciones sobre el potencial de los condensadores. Nos gustaría investigar la posibilidad de usar MLCC en todas las áreas donde se usa un piezoelemento tradicional, para beneficiarse del bajo voltaje y el costo de conducción, "dijo Feng.

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