Mentre l'elettroceramica come i materiali piezoelettrici con guide di flessione rimangono lo standard di riferimento per rompere la barriera della risoluzione nanometrica, ci sono molte altre soluzioni commerciali disponibili oggi che forniscono una risoluzione ripetibile a passo nanometrico a una cifra, inclusi motori lineari, azionamenti a bobina vocale e guide senza attrito come cuscinetti ad aria e cuscinetti magnetici.

Le guide di flessione sono impiegate anche nella stragrande maggioranza dei sistemi di nanoposizionamento piezo-guidati. Le tecnologie piezoelettriche svolgono un ruolo fondamentale nelle applicazioni di posizionamento con risoluzione nanometrica e requisiti inferiori. L'effetto piezoelettrico diretto è stato scoperto più di 100 anni fa e gli odierni dispositivi di nanoposizionamento sfruttano l'effetto inverso, utilizzando una tensione per fornire movimento tramite l'espansione del materiale. La maggior parte di questi dispositivi utilizza un materiale ceramico ferroelettrico polarizzato composto da piombo, zirconio e titanio. Di conseguenza, sono spesso chiamati trasduttori piezoelettrici o PZT - un acronimo che riflette i loro costituenti chimici. (vedere la barra laterale di seguito.) I vantaggi dei dispositivi basati su piezo includono: • Risoluzione illimitata: sono possibili incrementi di posizionamento ben al di sotto di 1 nm. Questo è di fondamentale importanza per applicazioni che vanno dalla litografia a semiconduttore alla microscopia a superrisoluzione e alle pinzette ottiche. Tuttavia, le prestazioni di precisione richiedono meccanismi progettati e realizzati con cura; in caso contrario, il movimento incrementale può essere limitato da effetti stick-slip, perdite meccaniche, errori di movimento parassiti e implementazione metrologica non ottimale. • Espansione e risposta veloci (costanti di tempo in microsecondi). • Costruzione allo stato solido esente da manutenzione che riduce l'usura ed elimina la manutenzione programmata, la lubrificazione o la regolazione anche con un uso intenso. • Alta efficienza: elettricamente, gli elementi piezoelettrici assomigliano ai condensatori, in quanto l'energia viene assorbita solo per eseguire il movimento, non per mantenere la posizione. • Intrinseca compatibilità con il vuoto (soprattutto per i più recenti stack piezo incapsulati in ceramica). • Costruzione non magnetica e insensibile ai magneti. Essendo dispositivi in ​​ceramica, gli elementi piezoelettrici sono impermeabili ai campi magnetici e non ne producono nessuno. Se abbinati a materiali e cuscinetti strutturali appropriati, è possibile costruire meccanismi virtualmente privi di campo e insensibili al campo. • Elevata produttività e precisione dinamica, soprattutto quando vengono sfruttate le nuove tecnologie di controllo. • Infine, la tecnologia piezoelettrica è stata applicata in nuovi meccanismi che forniscono molti millimetri di corsa pur mantenendo una risoluzione migliore del nanometro. Affidabilità industriale La maggior parte degli attuatori piezoceramici è costituita da molti strati inseriti tra gli elettrodi, simili ai condensatori ceramici e tradizionalmente realizzati utilizzando rivestimenti polimerici all'esterno come isolamento. Ma i rivestimenti polimerici intrappolano anche l'umidità, portando a una durata limitata. Quindi, con l'avvento delle applicazioni industriali ad alto ciclo di lavoro, ad alta dinamica e con tempi di attività critici, l'incapsulamento tradizionale ha iniziato a rivelarsi inadeguato per proteggere i meccanismi sensibili. Le applicazioni industriali ad alta dinamica spesso determinavano un riscaldamento che poteva essere problematico per i rivestimenti polimerici e il nanoposizionamento era sempre più importante nelle applicazioni sotto vuoto come la litografia a fascio elettronico e la microscopia.

Rendimento, velocità e precisione: l'elettroceramica Se sono necessari movimenti molto rapidi, i dispositivi piezoelettrici sono spesso l'unica soluzione. I dispositivi di posizionamento piezoceramici possono avere larghezze di banda di decine di kilohertz o più e non hanno l'inerzia che limita la reattività delle viti e di altri meccanismi convenzionali. Sfortunatamente, le crescenti esigenze di risoluzione nell'industria e nella ricerca sono fisicamente trasversali alle crescenti esigenze di velocità. In questo modo, la crescente esigenza di velocità delle applicazioni, unita alla continua pressione sulle capacità di risoluzione, ha messo in luce i limiti fisici fondamentali delle tecnologie di nanoposizionamento tradizionali, in particolare per i controlli: • Le larghezze di banda elettroniche, limitate da amplificatori, sensori e capacità di servoelaborazione, causano " arrotondamento degli angoli "nella generazione di forme d'onda di movimento, ritardi di fase e non linearità in applicazioni ad alta dinamica. • La rigidità meccanica, caratterizzata dalla più bassa frequenza di risonanza (Fres) del meccanismo, limita l'accurata controllabilità di un meccanismo in applicazioni ad alta dinamica. Gli approcci tradizionali per migliorare le cose includono l'uso di amplificatori di potenza più elevata, velocità di aggiornamento servo più veloci, materiali più rigidi e così via. Tuttavia, questi si limitano a spingere indietro i margini delle prestazioni del sistema in modo incrementale e talvolta con un rapporto costi/benefici molto scarso. Inoltre, le applicazioni che richiedono carichi variabili spesso costringono a compromessi, come le impostazioni dei servocomandi che sono sicure per tutti i carichi previsti ma ottimali per nessuno.

La maggior parte degli attuatori piezoelettrici è progettata per fornire intervalli di movimento da 5 a 300 μm. Questo intervallo è determinato dalla composizione, dalla lunghezza del materiale, dalla tensione massima applicata e da altri fattori. I tipici PZT presentano una deformazione dello 0,13%, il che significa che uno stack lungo 100 mm può espandersi fino a 130 μm quando viene applicata la tensione massima consentita. Lo stack di attuatori piezoelettrici di base è il cuore della fase di nanoposizionamento. I meccanismi di amplificazione e guida della leva di flessione ad alta precisione e privi di attrito consentono corse del tavolino fino a 1 mm. La rigidità, l'allentamento, le rigidità e la qualità della guida sono tutti fattori che incidono pesantemente sulle prestazioni complessive del dispositivo e richiedono capacità di progettazione e produzione meticolose e altamente specializzate. Per una precisione e affidabilità riproducibili su scala nanometrica nelle applicazioni di classe industriale, è necessario mantenere una qualità meccanica straordinaria in tutto il meccanismo. Tuttavia, la progettazione del palco e la qualità della costruzione possono variare notevolmente, in particolare nei progetti multiasse in cui le tradizionali tecniche di impilamento e annidamento possono compromettere le prestazioni e la produttività. Attenzione impone una stretta collaborazione tra tecnico e fornitore per valutare tutti gli aspetti delle prestazioni, come il movimento fuori piano, la risposta passo/passo e l'immunità EMI, piuttosto che fare affidamento solo sulle specifiche nominali. Gli attuatori piezo lineari sono generalmente realizzati con strati PZT sottili e impilati.