Wafer-bonded symmetric four-terminal PZT/insulator/PZT MEMS bimorph actuator with near-ideal displacement superposition

تصبح الآلات الدقيقة التي تتحرك بالكهرباء أدوات أساسية للتكنولوجيا الحديثة، من العدسات في كاميرات الهواتف الذكية إلى المستشعرات التي توجه الأدوات الطبية. وفي قلب العديد من هذه الأجهزة تكمن المشغلات الميكانيكية (actuators)، وهي مكونات تحول الإشارات الكهربائية إلى حركة فيزيائية. لعقود من الزمن، اعتمد المهندسون على نوع محدد من المواد يسمى زركونات تيتانات الرصاص، أو PZT، لإنشاء هذه الحركة. فعند تطبيق الكهرباء على طبقة رقيقة من هذه المادة، فإنها تتمدد أو تنكمش، وإذا كانت تلك الطبقة متصلة بظهر خامل، فإن الهيكل بأكمله ينحني. وهذا الفعل الانحنائي هو المحرك وراء عدد لا يحصى من الآلات الدقيقة. ومع ذلك، هناك حد لكيفية مقدار القوة التي يمكن أن تولدها هذه التصميمات أحادية الطبقة قبل أن تصبح صلبة للغاية أو غير مستقرة، مما دفع الباحثين للبحث عن طرق لجعلها أقوى وأكثر كفاءة دون جعلها أكبر حجماً.

قام فريق من الباحثين في جامعة توهوكو في اليابان بتطوير طريقة جديدة لبناء هذه المحركات الصغيرة التي تضاعف قوة الحركة مع الحفاظ على توازن الجهاز بشكل مثالي. فبدلاً من استخدام طبقة نشطة واحدة ملتصقة بطبقة خاملة، أنشأوا جهازاً تعمل فيه طبقتان نشطتان معاً، حيث تحصر بينهما طبقة عازلة رقيقة في المنتصف. وقد حققوا ذلك عبر أخذ رقائق منفصلة، تحتوي كل منها بالفعل على محرك عامل، ودمجهما وجهاً لوجه. وتنتج هذه العملية هيكلاً متماثلاً حيث تكون الطبقتان العلوية والسفلية نشطتين ويمكن التحكم فيهما بشكل مستقل. والنتيجة هي جهاز ينحني بقوة تقارب ضعف قوة التصميم القياسي، مما يوفر قفزة كبيرة في الأداء للآلات المجهرية.

بدأ الباحثون بتصميم هيكل يشبه لوح القفز الصغير، ولكن بدلاً من طبقة واحدة من المادة، كان يتكون من طبقتين من مادة PZT النشطة يفصل بينهما حاجز عازل رقيق مصنوع من نتريد السيليكون وثنائي أكسيد السيليكون. هذا الحاجز يبلغ سمكه 1.4 ميكرومتر فقط، ومع ذلك فهو قوي بما يكفي لتماسك الطبقتين مع إبقاء اتصالاتهما الكهربائية منفصلة تماماً. ومن خلال دمج رقائق جاهزة مسبقاً، ضمن الفريق أن الطبقتين العلوي والسفلية متماثلتان تماماً، وهو إنجاز يصعب تحقيقه عند بناء الطبقات واحدة فوق الأخرى. وهذا التماثل أمر بالغ الأهم_ية لأنه يوازن الضغوط الداخلية التي غالباً ما تسبب تشوه هذه الأجهزة الدقيقة أو كسرها حتى قبل تشغيلها.

ولاختبار مدى نجاح هذا التصميم الجديد، قام الفريق بمحاكاة سلوك الجهاز على الكمبيوتر قبل بنائه. وتوقعت عمليات المحاكاة أنه عند تطبيق جهد كهربائي على كلتا الطبقتين في اتجاهين متعاكسين، فإن طرف الشعاع الصغير سيتحرك مسافة 92.2 ميكرومتر. وهذا بالضبط ضعف الحركة الناتجة عن تنشيط الطبقة العلوية فقط، وهو أكبر بنحو 80 بالمائة من حركة أفضل التصميمات أحادية الطبقة المتاحة حالياً. وأشارت النماذج الحاسوبية إلى أنه باستخدام طبقتين نشطتين بدلاً من طبقة واحدة نشطة وأخرى خاملة، يمكن للجهاز توليد قوة انحناء أكبر بكثير دون الحاجة إلى هيكل أكثر سمكاً أو ثقلاً.

انتقل الفريق بعد ذلك من شاشة الكمبيوتر إلى المختبر لبناء الجهاز الفعلي. بدأوا برقائق السيليكون، حيث كانت كل منها مغطاة بالطبقات اللازمة من المعدن وPZT. وباستخدام عملية متخصصة، قاموا بتنظيف الأسطح وجمع الرقاقتين معاً، مما سمح لهما بالالتحام مباشرة دون أي غراء. وقد خلق هذا الالتحام وجهاً لوجه وحدة واحدة صلبة حيث ترتبط الطبقتان النشطتان ميكانيكياً ولكن يتم عزلهما كهربائياً. وبعد اكتمال عملية الالتحام، أزالوا بعناية الظهر السيليكوني الضخم من الرقائق، تاركين وراءهم "كابولاً" (cantilever) حراً طوله 1.5 مليمتر فقط. وعندما فحصوا الجهاز النهائي تحت المجهر، وجدوا أن الالتحام كان مثالياً تقريباً، مع وجود بعض العيوب الصغيرة والمعزولة فقط، ولا توجد مناطق كبيرة انفصلت فيها الطبقات.

جاءت النتيجة الأكثر لفتاً للنظر عندما اختبروا كيفية حركة الجهاز. طبقوا إشارة كهربائية صغيرة على الطبقة العلوية ثم على الطبقة السفلية، وقاسوا المسافة التي تحرك فيها طرف الشعاع في كل حالة. أدت الطبقتان وظائفهما بشكل متطابق تقريباً، مما أكد أن عملية الالتحام قد خلقت هيكلاً متوازناً تماماً. وعندما قاموا بتنشيط كلتا الطبقتين في وقت واحد بإشارات متعاكسة، تجمعت الحركة بشكل مثالي تقريباً. فعند جهد قدره 5 فولت، تحرك الجهاز مسافة 23.1 ميكرومتر، وهو ما يمثل 96 إلى 99 بالمائة من مجموع حركات الطبقات الفردية. وهذا الجمع شبه المثالي للحركة يثبت أن الطبقتين النشطتين تعملان معاً في انسجام، حيث تدفعان الشعاع في نفس الاتجاه دون أن تلغيا بعضهما البعض أو تعيقا بعضهما البعض.

كما قارن الباحثون جهازهم الجديد بأنواع أخرى من مشغلات البيزو-كهربائية (piezoelectric actuators) لمعرفة مدى كفاءته في تحويل الإجهاد الكهربائي إلى انحناء فيزيائي. وحسبوا عاملاً محدداً يقيس مقدار الانحناء الناتج عن مقدار معين من الإجهاد. حقق تصميمهم الجديد قيمة أعلى بـ 2.3 مرة من أفضل الأجهزة أحادية الطبقة التي قارنوها بها. وبينما أظهرت بعض التصميمات القديمة ذات الطبقات الأرق كفاءة أعلى قليلاً، إلا أن تلك التصميمات كانت تفتقر غالباً إلى التماثل والتحكم المستقل الذي يتميز به الجهاز الجديد. ويقدم المشغل الجديد مزيجاً فريداً من الحركة العالية، والتوازن الهيكلي، والقدرة على التحكم في كل جانب بشكل مستقل، مما يسمح بحركات أكثر تعقيداً ودقة.

يوضح هذا العمل أنه من الممكن بناء محركات مجهرية أقوى وأكثر تنوعاً من الأجيال السابقة ببساطة عن طريق تغيير كيفية تجميع الطبقات. فمن خلال دمج وحدتي محرك كاملتين، أنشأ الباحثون جهازاً ليس فقط أكثر قوة، بل أيضاً أكثر استقراراً وسهولة في التحكم. إن القدرة على تحريك طرف الشعاع بمقدار 23 ميكرومتراً تقريباً بجهد كهربائي صغير تشير إلى أن هذه الأجهزة يمكن استخدامها في تطبيقات تتطلب دقة في تحديد المواقع، مثل ضبط تركيز العدسات البصرية الصغيرة أو تحريك المستشعرات الدقيقة في الأدوات الطبية. إن نجاح تقنية الالتحام "وجهاً لوجه" هذه يفتح الباب أمام إنشاء آلات مجهرية أكثر تعقيداً وقدرة في المستقبل، مما يثبت أنه في بعض الأحيان، أفضل طريقة لجعل الشيء أقوى هي بناؤه في نصفين متطابقين تماماً.