Des recherches en Chine ont montré qu'un composant de circuit hybride commun a le potentiel d'être utilisé comme micro-actionneur. Les MLCC de qualité industrielle testés affichent étonnamment peu d'hystérésis, suggérant qu'ils pourraient être intéressants dans de nombreuses applications de microactionnement, y compris la nanoposition pour les microscopes à sonde à balayage.

Options limitées

Le micro-actionnement utilisé pour le nanopositionnement est important pour les outils nanotechnologiques tels que le microscope à sonde à balayage (SPM), qui utilisent des systèmes de nanopositionnement à micro-actionneurs avec des résolutions inférieures au nanomètre et des distances de déplacement de plusieurs micromètres pour permettre aux chercheurs d'étudier des objets aux niveaux moléculaire et atomique.

Les micro-actionneurs sont normalement fabriqués à partir de matériaux piézocéramiques ou électrostrictifs. L'un des principaux problèmes des unités piézoélectriques est le comportement hystérétique entre la tension appliquée et le déplacement mécanique de sortie. Cela limite leur utilisation dans les applications de suivi de déplacement de haute précision. Des stratégies de contrôle ont été développées pour surmonter ces limitations mais aucune n'a fourni de performances satisfaisantes en ce qui concerne tous les problèmes impliqués, c'est-à-dire la vitesse, résolution, robustesse et complexité. Appareils électrostrictifs, d'autre part, souffrent beaucoup moins d'hystérésis mais sont limités par une grande sensibilité à la température et une relation champ-déformation hautement non linéaire.

Utilisation peu courante

Une équipe de l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC) à Hefei pense avoir trouvé une solution alternative dans un composant électronique couramment utilisé - le condensateur céramique multicouche (MLCC). Les MLCC sont des composants électroniques fondamentaux, constituant généralement 30% des éléments d'une carte de circuit hybride. Ils sont constitués d'un bloc céramique monolithique entourant des électrodes frittées en forme de peigne, avec un contact électrique fait par des couches métalliques brûlées. Il y a plusieurs classes, défini par le type de matériau diélectrique céramique utilisé, et ce sont les membres des MLCC de classe II qui ont retenu l'attention de l'équipe de l'USTC, ceux connus sous la désignation X7R.

Les MLCC X7R utilisent principalement des céramiques ferroélectriques qui présentent des effets piézoélectriques. Cependant, lorsqu'ils sont utilisés comme micro-actionneurs, ils présentent très peu le comportement hystérétique associé aux matériaux piézoélectriques. "Le comportement quasiment sans hystérésis des actionneurs X7R MLCC proposés permet des manipulations simples en boucle ouverte, applications de suivi de déplacement de haute précision. Ils ne nécessitent pas de polarisation et ont un bien meilleur déplacement linéaire et moins de sensibilité à la température que les matériaux électrostrictifs traditionnels. Les actionneurs MLCC semblent combiner les avantages des actionneurs piézoélectriques et électrostrictifs traditionnels, ", a déclaré le Dr Zhihua Feng, membre de l'équipe.

Comme les MLCC partagent une construction empilée avec des actionneurs à empilement piézoélectriques, mais avec des couches diélectriques beaucoup plus fines, l'équipe soupçonnait que la force électrostatique générée à l'intérieur des condensateurs pourrait les déformer. Mais leurs expériences ont montré que seules des déformations d'extension étaient générées, quelle que soit la polarité de la tension appliquée, et les calculs ont montré que les forces électrostatiques étaient trop faibles pour produire la déformation observée. Donc, ils ont théorisé qu'un effet piézoélectrique inverse pourrait être à l'œuvre, mais les expériences ont montré que l'effet piézoélectrique dans les MLCC était plutôt faible. « Comme les MLCC n'avaient pas été polarisés, il se pourrait que la tension de polarisation ait induit la polarisation nette dans les MLCC et cela a été confirmé par l'effet piézoélectrique considérablement amélioré avec une polarisation CC appliquée sur les MLCC. À ce stade, nous supposons que la polarisation nette dans les MLCC est due à la tension de polarisation continue et que l'effet piézoélectrique inverse existe à cet état, " dit Feng.

Capacités utiles

En premier lieu, l'équipe pense que l'approche du micro-actionneur MLCC peut être utile pour les chercheurs individuels ayant besoin d'une haute précision, facile à contrôler, étapes de nano-positionnement à faible coût pour aider leurs études. Comme les MLCC sont conçus pour être utilisés comme condensateurs, la piézoélectricité n'est pas un objectif dans leur fabrication, il peut donc varier d'une unité à l'autre. Pour une utilisation à plus grande échelle, des tests approfondis seraient nécessaires pour étudier cette variabilité et pour mieux comprendre ce phénomène et ses mécanismes.

Comme seuls les MLCC céramiques ferroélectriques à constante diélectrique élevée ont le comportement requis, des capacités élevées sont une caractéristique nécessaire des actionneurs MLCC. Cela limiterait les applications nécessitant un actionnement rapide, car le courant d'entraînement peut être trop élevé. Mais cela laisse beaucoup d'applications potentielles. L'équipe de l'USTC étudie ces actionneurs pour l'étage à balayage latéral d'un microscope à force atomique commercial, et ont obtenu des images expérimentales initiales. "À l'heure actuelle, l'un de nos principaux objectifs est d'améliorer les performances d'un SPM typique. Mais les MLCC pourraient également servir d'éléments de détection de force ou même de composants de récupération d'énergie, des évaluations sur le potentiel des condensateurs doivent être faites. Nous aimerions étudier la possibilité d'utiliser des MLCC dans tous les domaines où un élément piézo traditionnel est utilisé, pour bénéficier de la faible tension d'entraînement et du faible coût, " dit Feng.

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