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

Kleine machines die bewegen met elektriciteit worden essentiële instrumenten voor moderne technologie, van de lenzen in smartphonecamera's tot de sensoren die medische instrumenten sturen. In het hart van veel van deze apparaten zitten actuatoren, componenten die elektrische signalen omzetten in fysieke beweging. Decennialang hebben ingenieurs vertrouwd op een specif kind materiaal genaamd loodzirkonaattitanaat, of PZT, om deze beweging te creëren. Wanneer elektriciteit wordt toegepast op een dunne laag van dit materiaal, rekt het uit of krimpt het, en als die laag aan een passieve achterkant is bevestigd, buigt de hele structuur door. Deze buigende actie is de motor achter talloze micro-machines. Er is echter een limiet aan hoeveel kracht deze enkelvoudige laagontwerpen kunnen genereren voordat ze te stijf of instabiel worden, wat onderzoekers ertoe aanzet om manieren te zoeken om ze sterker en efficiënter te maken zonder ze groter te maken.

Een team onderzoekers aan de Tohoku Universiteit in Japan heeft een nieuwe manier ontwikkeld om deze kleine motoren te bouwen die de kracht van de beweging verdubbelt terwijl het apparaat perfect in balans blijft. In plaats van één actieve laag op één passieve laag te lijmen, creëerden zij een apparaat waarbij twee actieve lagen samenwerken, waarbij een dun isolerend vel in het midden wordt gesandwicht. Ze bereikten dit door twee afzonderlijke wafers te nemen, die elk al een werkende motor bevatten, en deze gezichts-aan-gezichts aan elkaar te binden. Dit proces creëert een symmetrische structuur waarbij zowel de bovenste als de onderste lagen actief zijn en onafhankelijk kunnen worden aangestuurd. Het resultaat is een apparaat dat met bijna twee keer de kracht van een standaardontwerp buigt, wat een significante sprong in prestaties betekent voor microscopische machines.

De onderzoekers begonnen met het ontwerpen van een structuur die leek op een kleine duikplank, maar in plaats van een enkele laag materiaal, bestond het uit twee lagen van het actieve PZT-materiaal, gescheiden door een zeer dun isolerend scherm van siliciumnitride en siliciumdioxide. Deze barrière is slechts 1,4 micrometer dik, maar is sterk genoeg om de twee lagen bij elkaar te houden terwijl ze hun elektrische verbindingen volledig gescheiden houden. Door twee vooraf gemaakte wafers aan elkaar te binden, zorgde het team ervoor dat de bovenste en onderste lagen perfect gespiegeld waren, een prestatie die moeilijk te bereiken is wanneer men lagen één voor één op elkaar bouwt. Deze symmetrie is cruciaal omdat het de interne spanningen balanceert die deze kleine apparaten vaak doen vervormen of breken nog voordat ze worden ingeschakeld.

Om te testen hoe goed dit nieuwe ontwerp werkte, simuleerde het team het gedrag van het apparaat op een computer voordat het werd gebouwd. De simulaties voorspelden dat wanneer ze spanning op beide lagen in tegengestelde richting zouden aanleggen, de punt van de kleine balk 92,2 micrometer zou bewegen. Dit is precies twee keer de beweging die wordt geproduceerd door alleen de bovenste laag te activeren, en het is ongeveer 80 procent meer beweging dan de beste enkelvoudige laagontwerpen die momenteel beschikbaar zijn. De computermodellen suggereerden dat door twee actieve lagen te gebruiken in plaats van één actieve en één passieve, het apparaat veel meer buigkracht kon generen zonder een dikker of zwaarder structureel onderdeel nodig te hebben.

Het team ging vervolgens van het computerscherm naar het laboratorium om het eigenlijke apparaat te bouwen. Ze begonnen met twee siliciumwafers, die elk gecoat waren met de noodzakelijke lagen metaal en PZT. Met behulp van een gespecialiseerd proces reinigden ze de oppervlakken en brachten ze de twee wafers samen, waardoor ze direct aan elkaar konden binden zonder enige lijm te gebruiken. Dit gezichts-aan-gezichts binden creëerde een enkele, solide eenheid waarbij de twee actieve lagen mechanisch verbonden maar elektrisch geïsoleerd waren. Nadat het bindproces voltooid was, verwijderden ze zorgvuldig de bulk silicium achterkant van de wafers, waardoor een vrijstaande cantilever overbleef die slechts 1,5 millimeter lang was. Toen ze het voltooide apparaat onder een microscoop onderzochten, ontdekten ze dat de binding bijna perfect was, met slechts een paar kleine, geïsoleerde defecten en geen grote gebieden waar de lagen van elkaar waren gescheiden.

Het meest opmerkelijke resultaat kwam toen ze testten hoe het apparaat bewoog. Ze pasten een klein elektrisch signaal toe op de bovenste laag en vervolgens op de onderste laag, waarbij ze mat hoe ver de punt van de balk bewoog in elk geval. De twee lagen presteerden bijna identiek, wat bevestigde dat het bindproces een perfect gebalanceerde structuur had gecreëerd. Wanneer ze beide lagen tegelijkertijd activeerden met tegengestelde signalen, telde de beweging bijna perfect op. Bij een spanning van 5 volt bewoog het apparaat 23,1 micrometer, wat 96 tot 99 procent was van de som van de bewegingen van de individuele lagen. Deze bijna perfecte optelling van beweging bewijst dat de twee actieve lagen harmonieus samenwerken, waarbij ze de balk in dezelfde richting duwen zonder elkaar tegen te werken of in de weg te zitten.

De onderzoekers vergeleken hun nieuwe apparaat ook met andere soorten piëzo-elektrische actuatoren om te zien hoe efficiënt het was in het omzetten van elektrische rek in fysieke buiging. Ze berekenden een specifieke factor die meet hoeveel kromming wordt gegenereerd voor een bepaalde hoeveelheid rek. Hun nieuwe ontwerp behaalde een waarde die 2,3 keer hoger was dan de beste enkelvoudige laagapparaten waarmee ze het vergeleken. Hoewel sommige oudere ontwerpen met dunnere lagen iets hogere efficiëntiewaarden lieten zien, misten die ontwerpen vaak de symmetrie en onafhankelijke controle van het nieuwe apparaat. De nieuwe actuator biedt een unieke combinatie van hoge beweging, structurele balans en de mogelijkheid om elke kant onafhankelijk aan te sturen, wat complexere en preciezere bewegingen mogelijk maakt.

Dit werk demonstreert dat het mogelijk is om microscopische motoren te bouwen die sterker en veelzijdiger zijn dan vorige generaties door simpelweg de manier waarop de lagen worden samengesteld te veranderen. Door twee volledige motoreenheden aan elkaar te binden, creëerden de onderzoekers een apparaat dat niet alleen krachtiger is, maar ook stabieler en gemakkelijker te besturen. Het vermogen om de punt van de balk met bijna 23 micrometer te bewegen met een kleine spanning suggereert dat deze apparaten gebruikt kunnen worden in toepassingen die een nauwkeurige positionering vereisen, zoals het aanpassen van de focus van kleine optische lenzen of het bewegen van microsensoren in medische instrumenten. Het succes van deze gezichts-aan-gezichts bindtechniek opent de deur naar het creëren van nog complexere en meer capabele micro-machines in de toekomst, wat bewijst dat de beste manier om iets sterker te maken soms is om het in twee perfect bij elkaar passende helften te bouwen.