Piezo-Technik u. Piezokeramik Katalog: Piezo Komponenten ... · PICeramicbietet Piezokeramische...

P I E Z O T E C H N O L O G Y

Piezokeramische Materialienund Bauelemente

GRUNDLAGEN, EIGENSCHAFTEN UND ANWENDUNGEN

WERKSTOFFE

KOMPONENTEN

INTEGRAT ION

Inhalt

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PI Ceramic – Führend in Piezotechnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Produktübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Grundlagen der PiezotechnologiePiezoeffekt und Piezotechnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Elektromechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Dynamisches Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Piezokeramik – Werkstoffe, Bauelemente, MaterialienMaterialeigenschaften und Klassifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Weiche und harte Piezokeramiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Bleifreie Werkstoffe und Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Werkstoffdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Temperaturabhängigkeit der Koeffizienten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

FertigungstechnologiePressverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22Cofiring, Folientechnik, Multilayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Flexibilität in der Formgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24PICMA® Multilayer-Aktoren mit hoher Lebensdauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Verbindungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Pieozokeramische Bauelemente: Abmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Prüfverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Integrierte Baugruppen, Sub-Assemblies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

ApplikationenAnwendungsbeispiele für Piezokeramiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Pump- und Dosiertechnik mit Piezoantrieben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Ultraschallanwendungen in der Medizintechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Ultraschall-Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Piezoelektrische Aktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Schwingungsdämpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Adaptronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Energie aus Vibration – Energy Harvesting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Materialbearbeitung mit Ultraschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Sonartechnik und Hydroakustik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

PI: Piezotechnologie und Precision Motion Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

W W W . P I C E R A M I C . D E

http://piezo.ws/piezo_products/Piezo-Stage/

PI CeramicFÜHREND IN P IEZOTECHNOLOG IE

Kernkompetenzenvon PI Ceramic

� Standard-Piezokom-ponenten für Aktor-,Ultraschall- und Sen-soranwendungen

� Systemlösungen

� Fertigung von piezo-elektrischen Bauele-menten bis zumehreren 1.000.000Stück pro Jahr

� Entwicklung kunden-spezifischer Lösungen

� Hohe Flexibilität imtechnologischenProzess, kurze Liefer-zeiten, Fertigung vonEinzelstücken undKleinstmengen

� Alle Schlüsseltech-nologien und mo-dernste Ausrüstungenfür die Keramikferti-gung im Haus

� Zertifiziert nachISO 9001, ISO 14001und OHSAS 18001

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Firmengebäude von PI Ceramicin Lederhose, Thüringen. ZumJahresende 2011, rechtzeitigzum 20-jährigen Firmenjubiläum,vergrößert ein Anbau dieGesamtfläche für Fertigung,Entwicklung, Vertrieb und Verwal-tung (links im Bild). Damiteinher geht eine Steigerung derFertigungskapazitäten um 150%.

PI Ceramic ist eines der weltweit führendenUnternehmen auf dem Gebiet aktorischerund sensorischer Piezoprodukte.

PI Ceramic, kurz PIC, bietet alles rund um diePiezokeramik, vom Werkstoff über Bau-elemente bis hin zur fertigen Integration. PICeramic bietet Systemlösungen für For-schung und Industrie in allen High-TechMärkten, wie z. B. der Medizintechnik, demMaschinen- und Automobilbau, oder derHalbleitertechnik.

Materialforschung und Entwicklung

PIC entwickelt alle piezokeramischen Mate-rialien selbst. Dafür unterhält PIC eigeneLaboratorien, Prototypenbau sowie Mess-und Prüfeinrichtung. Zudem arbeitet PIC imIn- und Ausland eng mit den führendenHochschulen und Forschungseinrichtungenauf dem Gebiet der Piezoelektrizität zusam-men.

Flexible Fertigung

Zusätzlich zum breiten Spektrum an Stan-dardprodukten nimmt die schnellstmöglicheUmsetzung kundenspezifischer Anforderun-gen einen wichtigen Stellenwert ein. DieFormgebung in Press- und Multilayer-Tech-nologie ist jederzeit kurzfristig möglich.Dabei können einzelne Prototypen wie auchgroße Serien gefertigt werden. Alle Prozess-schritte finden im Haus statt und unterliegenständigen Kontrollen, wodurch Qualität undTermintreue gesichert sind.

Zertifizierte Qualität

Bereits seit 1997 ist PI Ceramic nach derNorm ISO 9001 zertifiziert, bei der neben derProduktqualität vor allem die Erwartungenund Zufriedenheit des Kunden im Vorder-grund stehen. Außerdem ist PIC nach ISO14001 (Umweltmanagement) und OHSAS18001 (Arbeitssicherheit) zertifiziert, die zu-sammen ein Integriertes Management Sys-tem (IMS) bilden. PI Ceramic ist einTochterunternehmen von Physik Instru-mente (PI) und entwickelt und produziert allePiezoaktoren für die Nanopositioniersyste-me von PI. Auch die Antriebe fürPILine® Piezo-Ultraschallmotoren und NEX-LINE® Hochlast-Schreitantriebe stammenaus dem Hause PIC.


http://www.piezotechnology.net/

PI Ceramic bietet

� PiezokeramischeWerkstoffe (PZT)

� PiezokeramischeBauelemente

� Kunden-und anwen-dungsspezifischeUltraschallwandler /Transducer

� PICMA® MonolithischeMultilayer-Piezoaktoren

� Miniatur-Piezoaktoren

� PICMA® Multilayer-Biegeelemente

� PICA Hochlast-Piezoaktoren

� PT-Tube Piezorohre

� Vorgespannte Aktorenmit Gehäuse

� Piezokomposite –DuraActFlächenwandler

Unser Ziel ist die gleichbleibend hohe,geprüfte Qualität sowohl bei unseren Stan-dardprodukten als auch bei kundenspezi-fischen Bauelementen. Wir möchten, dassSie, unsere Kunden, mit der Leistung unse-rer Produkte zufrieden sind. Für uns beginntKundenservice mit dem ersten informativenVorgespräch und reicht weit über dieAuslieferung der Produkte hinaus.

Beratung durch die Piezo-Spezialisten

Sie möchten komplexe Probleme lösen – wirlassen Sie damit nicht allein. Mit unsererlangjährigen Erfahrung bei der Konzeption,Entwicklung, Konstruktion und Herstellungvon individuellen Lösungen begleiten wirSie von der Idee bis zur Serienreife.

Wir nehmen uns die Zeit, die für ein fundier-tes Verständnis der Thematik notwendigist, und erarbeiten frühzeitig einen um-fassenden und optimalen Lösungsweg,sei es mit bestehenden oder mit neuenTechnologien.

PI Ceramic liefert piezokeramische Lösun-gen für alle wichtigen High-Tech Märkte:

� Industrieautomation

� Halbleiterindustrie

� Medizintechnik

� Maschinenbau und Feinwerktechnik

� Luft- und Raumfahrt

� Automobilbereich

� Telekommunikation

After-Sales Service

Auch nach dem Verkauf stehen unsere Fach-leute für Sie bereit und beraten Sie, z. B.bei Systemerweiterungen oder technischenFragen.

Damit erreichen wir als PI Ceramic unser Ziel:Lang anhaltende Geschäftsbeziehungen undeine vertrauensvolle Kommunikation mitKunden und Lieferanten, die wichtiger sindals jeder kurzzeitige Erfolg.

Zuverlässigkeit und KundennäheUNSER LE ITB ILD

4


FERT IGUNGSTECHNOLOG IE AUF NEUESTEM STAND

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Der Entwicklungs- und Herstellungsprozessvon piezokeramischen Komponenten istsehr komplex. Hier verfügt PI Ceramic überlangjährige Erfahrung und ausgereifte Ferti-gungsverfahren. Maschinen und Vorrichtun-gen entsprechen dem neuesten Stand derTechnik.

Rapid Prototyping

In enger Absprache mit dem Kunden werdendie Anforderungen schnell und flexibel um-gesetzt. Prototypen und Kleinserien kunden-spezifischer Piezobaugruppen stehen bereitsnach sehr kurzen Bearbeitungszeiten zur Ver-fügung. Die Produktionsbedingungen, wiez.B. die Materialkomposition oder die Sinter-temperatur, werden dabei individuell auf dasKeramikmaterial abgestimmt, um optimaleWerkstoffparameter zu erreichen.

Präzisions-Bearbeitungstechnologie

PIC setzt Bearbeitungstechniken aus derHalbleiterindustrie ein, um die empfindli-chen Piezokeramiken besonders präzise zu

bearbeiten. Bereits im „Grünzustand“,also noch vor dem Sintern, sorgen spezielleFräsmaschinen für exakte Formgebung. Ge-sinterte Keramikblöcke werden mit Präzisi-onssägen bearbeitet, wie sie auch für dieTrennung einzelner Wafer verwendetwerden. Feinste Bohrungen, strukturierteKeramikoberflächen, selbst komplexe, drei-dimensionale Konturen sind herstellbar.

Automatisierte Serienfertigung –Vorsprung für OEM Kunden

Die industrielle Anwendung erfordert häufighohe Stückzahlen kundenspezifischer Bau-elemente. Der Übergang zur Großserienfer-tigung ist bei PI Ceramic sicher undkostengünstig möglich, bei gleichzeitig kon-stant hoher Qualität der Produkte. PIC besitztdie Kapazitäten für die Herstellung und Be-arbeitung mittlerer und großer Serien inverketteten automatisierten Linien. Die Me-tallisierung der Keramikkörper übernehmendabei Siebdruckautomaten und modernstePVD-Anlagen.

Erfahrung und Know-how

Automatisierte Abläufe optimieren den Durchsatz


Piezokeramische Materialien undKomponenten

� Vielseitige Geometrien

� Große Auswahl an Materialien

� Längsaktoren und Scheraktoren

� Rohre, Scheiben und Biegeelemente

ProduktübersichtE IGENENTWICKLUNG UND -FERT IGUNG

6

OEM Sensorkomponenten

� Durchflussmessung

� Füllstandsmessung

� Kraft- und Beschleunigungsmessung

PICMA® Multilayer-Aktoren

� Hohe Lebensdauer, unempfindlichgegen Luftfeuchtigkeit

� Flexible Querschnitte und Auslenkungen

� Auflösung von unter einem Nanometer

� Ansprechzeit von unter einerMillisekunde

� Biegeelemente

Piezokeramische Stapelaktoren

� Vielseitige Geometrien

� Kräfte bis zu mehreren 10000 Newton

� Stellwege bis 300 µm

� Hohe Resonanzfrequenzen für schnelleAnsprechzeiten


7

Gehauste und geführte AktorenFür besseren Schutz und höhere Lebensdauer

� Einfache Integration in Bewegungs-systeme

� Vielseitige Querschnitte und Längen bzw.Stellwege

� Optional mit Positionssensoren

DuraAct Patch Flächenwandler /TransducerVielseitige Piezoelemente für die Adaptronik

� Laminierte Piezokeramik für mechanischeFlexibilität

� In verschiedenen Formen und Größenherstellbar

� Einsetzbar als Verbundwerkstoff oder zurApplikation

PiezomotorenÜber Millimeter präzise positionieren

� Piezoschreitantrieb NEXLINE® bis 600 NAntriebskraft

� Piezoschreitantriebe NEXACT® mit 10 NKraft und 10 mm/s Geschwindigkeit

Elektronik & ControllerHohe Auflösung und schnelles Ansprechen

� Hermetisch abgeschlossene Varianten

� Versionen mit Spülluftanschluss

� Geführte Aktoren mit Hebelübersetzungfür Stellwege bis 400 µm

� Hohe Resonanzfrequenzen für schnelleAnsprechzeiten

� Für hohe Lasten bis 4 Tonnen

� Verwendbar als Aktor für aktive Schwin-gungskompensation

� Verwendbar als Sensor z.B. für StructuralHealth Monitoring

� Verwendbar für Energy Harvesting;Umwandlung von Schwingung undDeformation in elektrische Energie

� PILine® Ultraschallantriebe mit bis zu400 mm/s

� Selbsthemmend im ausgeschaltetenZustand

� Für Handling und Automatisierung

� Stellwege bis 125 mm

� Ein- und mehrkanalig

� Kostengünstige OEM Elektronik und leis-tungsfähige Digitalcontroller

� Rauscharm und stabil

� Kundenspezifische Entwicklungen


http://www.piezo-motor.net/

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Piezoelektrische Materialien wandeln elektri-sche Energie in mechanische und umgekehrt.Der Piezoeffekt wird heute in vielen alltägli-chen Produkten angewendet, zum Beispiel inFeuerzeugen, Lautsprechern und Signalge-bern. Auch in der Kraftfahrzeugtechnik hat sichdie Piezoaktorik durchgesetzt, denn piezoge-triebene Einspritzventile in Verbrennungsmo-toren verkürzen die Stellzeiten und verbesserndie Laufruhe und Abgasqualität erheblich.

Vom physikalischen Effektzur industriellen Nutzung

Das Wort „Piezo“ ist vom griechischen Wortfür Druck abgeleitet. 1880 entdeckten Jacquesund Pierre Curie, dass Druck in verschiedenenKristallen wie Quarz und Turmalin elektrischeLadungen erzeugt; sie nannten dieses Phäno-men den „Piezoeffekt“. Später stellten siefest, dass elektrische Felder piezoelektrischeMaterialien verformen können. Dieser Effektheißt „inverser Piezoeffekt“.

Der industrielle Durchbruch kam mit denpiezoelektrischen Keramiken, als Wissen-schaftler entdeckten, dass Barium-Titanatdurch Anlegen eines elektrischen Feldespiezoelektrische Eigenschaften in nutzbarenGrößenordnungen annimmt.

Piezoelektrische Keramik …

Der Piezoeffekt natürlicher monokristallinerMaterialien wie z. B. Quarz, Turmalin undSeignette-Salz ist verhältnismäßig klein.Polykristalline ferroelektrische Keramikenwie z. B. Barium-Titanat (BaTiO3) und Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) zeigen höhere Auslen-kungen bzw. induzieren größere elektrischeSpannungen. PZT-Piezokeramik ist in vielenVariationen verfügbar und die am häufigstenverwendete Keramik für Aktor- oder Sensor-anwendungen. Spezielle Dotierungen derPZT-Keramiken z. B. mit Ni-, Bi-, Sb-, Nb-Ionen ermöglichen es, die piezoelektrischenund dielektrischen Parameter gezielt zuoptimieren.

…mit polykristalliner Struktur

Unterhalb der Curie-Temperatur TC wird dieGitterstruktur der PZT-Kristallite verzerrt undasymmetrisch. Es entstehen Dipole und diefür die Piezotechnologie interessanten rhom-boedrischen bzw. tetragonalen Kristallitpha-sen bilden sich heraus. Die Keramik weisteine spontane Polarisation auf (s. Abb. 1).Oberhalb der Curie-Temperatur verliert einePiezokeramik ihre piezoelektrischen Eigen-schaften.

Direkter Piezoeffekt

Mechanische Spannungen durch Kraftein-wirkung von außen auf den piezoelektri-schen Körper induzieren Verschiebungender elektrischen Dipole. Dadurch entstehtein elektrisches Feld, das eine entspre-chende elektrische Spannung erzeugt. Derdirekte Piezoeffekt wird auch Sensor- oderGeneratoreffekt genannt.

Inverser Piezoeffekt

Das Anlegen einer elektrischen Spannungan ein ungeklemmtes piezoelektrisches

Bauteil bewirkt dessen geometrische Ver-formung. Die dabei erzielte Bewegung istabhängig von der Polarität der angelegtenSpannung und der Richtung der Polarisa-tion im Bauteil. Das Anlegen einer Wech-selspannung erzeugt eine Schwingung,also eine zyklische Änderung der Geome-trie, beispielsweise die Zunahme und Ver-ringerung des Durchmessers einerScheibe. Wird der Körper geklemmt, d. h.an einer freien Deformation gehindert,wird eine mechanische Spannung bzw.Kraft erzeugt. Dieser Effekt wird auchAktor- oder Motoreffekt genannt.

(1)

(2)

O2

Pb

Ti, Zr

Abb. 1.

(1) Elementarzelle mitsymmetrischer, kubischerPerowskit-Struktur, T>TC

(2) Tetragonal verzerrteZelle, T<TC

Piezoeffekt und Piezotechnologie


U

+

–

Abb. 2. Elektrische Dipole inden Domänen:

(1) unpolarisierte,ferroelektrische Keramik,

(2) während und

(3) nach der Polung(piezoelektrische Keramik).

9

Ferroelektrische Domänenstruktur

Eine Auswirkung der spontanen Polarisationist, dass die diskreten PZT-Kristallite piezo-elektrisch werden. Gruppen von Kristallitenmit gleicher Orientierung werden ferroelek-trische Domänen genannt. Durch die stati-stische Verteilung der Domänen in derKeramik entsteht jedoch nach außen einnicht-piezoelektrisches Verhalten. Wegen derferroelektrischen Natur des Materials ist esmöglich, unter Einwirkung starker elektri-scher Felder (Polung), die unterschiedlicheGitterausrichtung einzelner Domänen per-manent in Richtung des polenden Feldes zuändern (s. Abb. 2).

Polung der Piezokeramik

Der Polungsprozess resultiert in einer rema-nenten Polarisation, die mit einer Dehnungdes Materials einhergeht und bei Über-

schreiten der mechanischen, thermischenund elektrischen Grenzwerte des Materialswieder abgebaut wird (s. Abb. 3). Die Kera-mik besitzt jetzt piezoelektrische Eigenschaf-ten und verändert beim Anlegen einerelektrischen Spannung ihre Dimensionen.Für manche PZT Keramiken muss der Po-lungsprozess bei erhöhten Temperaturendurchgeführt werden.

Beim Überschreiten der zulässigen Betriebs-temperatur depolarisiert die polarisierteKeramik, wobei der Grad der Depolarisationvon der Curie-Temperatur des Materialsabhängt.

Ein ausreichend starkes elektrisches Feldkann die Polarisationsrichtung umkehren(s. Abb. 4). Die Kopplung zwischen mecha-nischen und elektrischen Größen ist vonentscheidender Bedeutung für die breitetechnische Nutzung von Piezokeramiken.

Abb. 3. Die Schmetterlingskurve zeigt die typischeDeformation einer „weichen“ Piezokeramik beimAnlegen einer bipolaren Spannung. Die Auslen-kung der Keramik beruht dabei ausschließlichauf Festkörpereffekten, wie der Ausrichtung derDipole. Daher ist die entstehende Bewegungreibungsfrei und verschleißfrei.

Abb. 4. Erst beim Erreichen der Koerzitivfeld-stärke Ec durch ein entgegengerichtetes elektri-sches Feld wird die remanente Polarisation Prwieder aufgehoben. Eine weitere Erhöhungdieses Gegenfeldes führt wieder zu einerPolarisation, aber mit umgekehrtem Vorzeichen.


(2)

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

(1)

+

–

+

–

+

–

+

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+

–

+

–

+

–

+

–

(3)

+

–

+

–

+

–

+

–+

–

+

–

+

–

+

–+

–

+

–

+

–

+

–

S

E

P

EEc

-Ec

Pr

-Pr

Ps

-Ps

Polarisierte piezoelektrische Materialien wer-den durch verschiedene Parameter und Zu-sammenhänge charakterisiert.

In vereinfachter Form sind die Grundzusam-menhänge der elektrischen und elastischenEigenschaften wie folgt darstellbar:

D = dT + εT ES = sET + dE

Diese Beziehungen gelten nur für kleine elek-trische und mechanische Amplituden, soge-nannte Kleinsignalwerte. In diesem Bereichsind die Zusammenhänge zwischen den ela-stischen Deformations- (S) bzw. Spannungs-(T) Komponenten und den Komponentendes elektrischen Feldes E bzw. der elektri-schen Flussdichte D linear.

Zuordnung der Achsen

Zur Festlegung der Richtungen werden dieAchsen 1, 2 und 3 eingeführt, analog zu denX-, Y- und Z-Achsen des kartesischen Koordi-natensystems. Die Drehachsen werden mit4, 5 und 6 bezeichnet. (s. Abb. 5).

Die Polarisationsrichtung (Achse 3) wird wäh-rend der Polung durch ein starkes Feld zwi-schen den Elektroden festgelegt.

Da das piezoelektrische Material anisotrop ist,werden die entsprechenden physikalischenGrößen durch Tensoren beschrieben. Diepiezoelektrischen Konstanten werden daherentsprechend indiziert.

Permittivitätszahl εεDie Permittivitätszahl ε bzw. die relative Dielektrizitätskonstante (DK) ist das Verhält-nis aus der absoluten Permittivität des Kera-mikmaterials und der Permittivität im Vakuum (ε0 = 8,85 x 10-12 F/m), wobei die absolute Permittivität ein Maß für die Polarisierbarkeitim elektrischen Feld darstellt. Die Abhängig-keit der DK von der Richtung des elektrischenFeldes und der dielektrischen Verschiebungwird durch entsprechende Indizes angezeigt.

Beispiele

ε33T DK-Wert in Polungsrichtung bei anlie-gendem elektrischem Feld in Polungs-richtung (3-Richtung) bei einerkonstanten mechanischen Spannung (T = 0: „freie“ Permittivität).

ε11S Elektrisches Feld und dielektrische Ver-schiebung in 1-Richtung, bei konstanterDeformation (S = 0: „geklem mte“ Per-mittivität).

Piezoelektrische Ladungskonstante, Piezomodul dij

Der Piezomodul ist das Verhältnis von indu-zierter elektrischer Ladung zu mechanischerSpannung bzw. von erzeugter mechanischerDehnung zu anliegendem elektrischem Feld(T = konstant).

Beispiel

d33 Erzeugte Dehnung pro Einheit angeleg-tem elektrischem Feld in V/m oder La-dungsdichte in C/m2 pro Einheit Druckin N/m2, jeweils in Polungsrichtung.

Piezoelektrische Spannungskonstante gij

Die Spannungskonstante g ist das Verhältnisvon elektrischer Feldstärke E zur wirkendenmechanischen Spannung T. Dividiert man diejeweilige piezoelektrische Ladungskonstantedij durch die zugehörige Permit tivitätszahl er-hält man die entsprechende gij-Konstante.

Beispiel

g31 Induziertes elektrisches Feld in 3-Rich -tung pro in 1-Richtung wirkender me-chanischer Spannung = Kraft proFläche, nicht unbedingt orthogonal.

ElektromechanikGRUNDGLE ICHUNGEN UND P IEZOELEKTR ISCHE KONSTANTEN

10

D elektrische Flussdichte

T mechanische Spannung

E elektrisches Feld

S mechanische Dehnung

d piezoelektrische Ladungs konstante �

εT Permittivität(für T = konstant)

sE Nachgiebigkeits- bzw.Elastizitätskonstante (für E = konstant)

Abb. 5. OrthogonalesSystem zur Beschrei-bung der Eigenschafteneiner polarisierten Piezo-keramik. Achse 3 ist diePolarisationsrichtung


L + o

∆L

Polarisationaxis

C1

L1C0

Imp

end

anz

Z

Frequenz f

fm fn

∆ L

V0

(2)

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

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+

–

+

–

+

–

(3)

+

–

+

–

+

–

+

–+

–

+

–

+

–

+

–+

–

+

–

+

–

+

–

(1)

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

– U

+

–

P C/m2

E kV/cm

Ps

Ec

-Ec

Pr

-Pr-Ps

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–+

–

+

– +

–

+

–

3

1(r)

3

3(r)

Radialschwingung

Dickenschwingung

Radialschwingung

Dickenschwingung

Längsschwingung

Radialschwingung

Dickenschwingung

OD

IDTH P

(1)

(2)

O2

Pb

Ti, Zr

Längsschwingung

Dickenschwingung

3

1(r)

1

3

2

TH

5

6

3

1

2

3

2

TH5

6

1

PTH

W

L PTH

L

W

P

L

W

TH

PTH

W

L

L

L

P

D

PTH

OD

PL

ODID

ODTH TH

OD

(Z)3

2(Y)

(X)1

6

5

4

P

(Z)3

2(Y)

(X)1

6

5

4

P

PW THL

R1

P

W

Elastische Nachgiebigkeit sij

Die Nachgiebigkeits- oder Elastizitätskon-stante s ist das Verhältnis der relativen Deformation S zur mechanischen SpannungT. Mechanische und elektrische Energie bedingen einander gegenseitig, daher müssen die elektrischen Grenzbedingungenwie die elektrische Flussdichte D und die Feldstärke E berücksichtigt werden.

Beispiele

s33E Verhältnis der mechanischen Dehnungin 3-Richtung zu in 3-Richtung wirken-der mechanischer Spannung, bei kon-stantem elektrischem Feld (E = 0:Kurzschluss).

s55D Das Verhältnis einer Scherung zur wir-kenden Scherspannung bei konstanterdielektrischer Verschiebung (D = 0:Leerlauf).

Der häufig verwendete Elastizitäts- oderYoung-Modul Yij entspricht in erster Nähe-rung dem reziproken Wert der entsprechen-den Elastizitätskonstanten.

Frequenzkonstante Ni

Die Frequenzkonstante N beschreibt den Zu-sammenhang zwischen der Geometrie einesKörpers und der entsprechenden (Serien-)Resonanzfrequenz. Die Indizes bezeichnendie entsprechende Schwingungsrichtung, A = Abmessung; N = fsA.

Beispiele

N3 die Frequenzkonstante für die Longitu-dinalschwingung eines schlanken Stabes, welcher in der Längsrichtung-polarisiert ist.

N1 die Frequenzkonstante für die trans-versale Schwingung eines schlankenStabes, welcher in der 3-Richtung po-larisiert ist.

N5 die Frequenzkonstante der Dicken-scher schwingung einer dünnen Platte.

NP die Frequenzkonstante der planarenFlächenschwingung einer rundenScheibe.

Nt die Frequenzkonstante der Dicken-schwingung einer dünnen Scheibe, dieüber die Dicke polarisiert ist.

Mechanische Güte Qm

Die mechanische Güte Qm charakterisiert die„Resonanzschärfe“ eines piezoelektrischenKörpers oder Resonators und wird vorrangigaus der 3 dB-Bandbreite der Serienresonanzdes schwingfähigen Systems bestimmt (s.Abb. 7 Typischer Impedanzverlauf). Der rezi-proke Wert des mechanischen Gütefaktors istder mechanische Verlustfaktor, das Verhältnisaus Wirk- und Blindwiderstand im Ersatz-schaltbild eines piezoelektrischen Resonatorsim Resonanzfall.

Kopplungsfaktoren k

Der Kopplungsfaktor k ist ein Maß für dieAusprägung des piezoelektrischen Effektes (k e i nWirkungsgrad!). Er beschreibt das Ver-mögen eines piezoelektrischen Materials, auf-genommene elektrische in mechanischeEnergie umzuwandeln und umgekehrt. DerKopplungsfaktor berechnet sich aus der Quadratwurzel des Verhältnisses von gespei-cherter mechanischer Energie zur gesamtenaufgenommenen Energie. Unter dynami-schen Bedingungen (Resonanzfall) hängt kvon der entsprechenden Schwingungsformdes piezoelektrischen Körpers ab.

Beispiele

k33 Kopplungsfaktor der Longitudinal-schwingung.

k31 Kopplungsfaktor der transversalenLängsschwingung.

kP Kopplungsfaktor der planaren Radial-schwingung einer runden Scheibe.

kt Kopplungsfaktor der Dickenschwin-gung einer Platte.

k15 Kopplungsfaktor der Dickenscher-schwingung einer Platte.

11


Das elektromechanische Verhalten eines zu Schwingungen angeregten piezoelektri-schen Körpers lässt sich mit einem elektri-schen Ersatzschaltbild darstellen (s. Abb. 6).

C0 + C1 ist dabei die Kapazität des Dielektri-kums. Die Reihenschaltung aus C, L, und Rbeschreibt die Änderung der mechanischenEigenschaften, wie elastische Deformation,effektive Masse (Trägheit) und mechanischeVerluste, durch innere Reibung. DieseSchwingkreis-Beschreibung ist allerdingsnur für Frequenzen in der Nähe der tiefstenmechanischen Eigenresonanz anwendbar.

Die meisten piezoelektrischen Materialpara-meter werden über Impedanzmessungen anspeziellen Prüfkörpern nach der Norm EN 50324-2 im Resonanzfall bestimmt.

Dynamisches VerhaltenSCHWINGUNGSFORMEN VON P IEZOKERAMISCHEN KÖRPERN

Abb. 7. Typischer Impedanzverlauf

Abb. 6.

Ersatzschaltbild eines piezoelek-trischen Resonators

12

Scheibe

Platte

Stab

Scherplatte

Rohr

Radial

Dicke

Transversal

Longitudinal

Dickenscher

Transversal

Wanddicke

Geometrie Schwingungen Elektrisch Mechanischinduzierte induzierte elektr.

Typ mechanische Serienresonanz- Auslenkung SpannungDeformation frequenz (Kleinsignal) (Kleinsignal)


L + o

∆L

Polarisationaxis

C1

L1C0

Imp

end

anz

Z

Frequenz f

fm fn

∆ L

V0

(2)

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

(3)

+

–

+

–

+

–

+

–+

–

+

–

+

–

+

–+

–

+

–

+

–

+

–

(1)

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

– U

+

–

P C/m2

E kV/cm

Ps

Ec

-Ec

Pr

-Pr-Ps

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–+

–

+

– +

–

+

–

3

1(r)

3

3(r)

Radialschwingung

Dickenschwingung

Radialschwingung

Dickenschwingung

Längsschwingung

Radialschwingung

Dickenschwingung

OD

IDTH P

(1)

(2)

O2

Pb

Ti, Zr

Längsschwingung

Dickenschwingung

3

1(r)

1

3

2

TH

5

6

3

1

2

3

2

TH5

6

1

PTH

W

L PTH

L

W

P

L

W

TH

PTH

W

L

L

P

L

P

D

PTH

OD

P

L

OD

ID

ODTH TH

OD

(Z)3

2(Y)

(X)1

6

5

4

P

(Z)3

2(Y)

(X)1

6

5

4

P

PW THL

R1

L + o

∆L

Polarisationaxis

C1

L1C0

Imp

end

anz

Z

Frequenz f

fm fn

∆ L

V0

(2)

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

(3)

+

–

+

–

+

–

+

–+

–

+

–

+

–

+

–+

–

+

–

+

–

+

–

(1)

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

– U

+

–

P C/m2

E kV/cm

Ps

Ec

-Ec

Pr

-Pr-Ps

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–+

–

+

– +

–

+

–

3

1(r)

3

3(r)

Radialschwingung

Dickenschwingung

Radialschwingung

Dickenschwingung

Längsschwingung

Radialschwingung

Dickenschwingung

OD

IDTH P

(1)

(2)

O2

Pb

Ti, Zr

Längsschwingung

Dickenschwingung

3

1(r)

1

3

2

TH

5

6

3

1

2

3

2

TH5

6

1

PTH

W

L PTH

L

W

P

L

W

TH

PTH

W

L

L

L

P

D

PTH

OD

PL

ODID

ODTH TH

OD

(Z)3

2(Y)

(X)1

6

5

4

P

(Z)3

2(Y)

(X)1

6

5

4

P

PW THL

R1

P

W

ƒs =NP

OD

ƒs =Nt

TH

ƒs =N1

L

ƒs =N3

L

ƒs =N5

TH

ƒs ≈Nt

TH

ƒs ≈N1

L

TH UOD

OD >> TH2

1

3

TH

W

LU

L >> W >> TH

2

1

3 L L ≈ W >> THL

WU

TH

2

1

3

TH

W

L U L >> W >> TH

2

1

3U

L >> OD >> THL

ODTH

ID

L

P

P2

1

3

P

P

P

TH UOD

OD >> TH2

1

3

TH

W

LU

L >> W >> TH

2

1

3 L L ≈ W >> THL

WU

TH

2

1

3

TH

W

L U L >> W >> TH

2

1

3U

L >> OD >> THL

ODTH

ID

L

P

P2

1

3

P

P

P

TH UOD

OD >> TH2

1

3

TH

W

LU

L >> W >> TH

2

1

3 L L ≈ W >> THL

WU

TH

2

1

3

TH

W

L U L >> W >> TH

2

1

3U

L >> OD >> THL

ODTH

ID

L

P

P2

1

3

P

P

P

TH UOD

OD >> TH2

1

3

TH

W

LU

L >> W >> TH

2

1

3 L L ≈ W >> THL

WU

TH

2

1

3

TH

W

L U L >> W >> TH

2

1

3U

L >> OD >> THL

ODTH

ID

L

P

P2

1

3

P

P

P

TH UOD

OD >> TH2

1

3

TH

W

LU

L >> W >> TH

2

1

3 L L ≈ W >> THL

WU

TH

2

1

3

TH

W

L U L >> W >> TH

2

1

3U

L >> OD >> THL

ODTH

ID

L

P

P2

1

3

P

P

P

TH UOD

OD >> TH2

1

3

TH

W

LU

L >> W >> TH

2

1

3 L L ≈ W >> THL

WU

TH

2

1

3

TH

W

L U L >> W >> TH

2

1

3U

L >> OD >> THL

ODTH

ID

L

P

P2

1

3

P

P

P

TH UOD

OD >> TH2

1

3

TH

W

LU

L >> W >> TH

2

1

3 L L ≈ W >> THL

WU

TH

2

1

3

TH

W

L U L >> W >> TH

2

1

3U

L >> OD >> THL

ODTH

ID

L

P

P2

1

3

P

P

P

TH UOD

OD >> TH2

1

3

TH

W

LU

L >> W >> TH

2

1

3 L L ≈ W >> THL

WU

TH

2

1

3

TH

W

L U L >> W >> TH

2

1

3U

L >> OD >> THL

ODTH

ID

L

P

P2

1

3

P

P

P

TH UOD

OD >> TH2

1

3

TH

W

LU

L >> W >> TH

2

1

3 L L ≈ W >> THL

WU

TH

2

1

3

TH

W

L U L >> W >> TH

2

1

3U

L >> OD >> THL

ODTH

ID

L

P

P2

1

3

P

P

P

TH UOD

OD >> TH2

1

3

TH

W

LU

L >> W >> TH

2

1

3 L L ≈ W >> THL

WU

TH

2

1

3

TH

W

L U L >> W >> TH

2

1

3U

L >> OD >> THL

ODTH

ID

L

P

P2

1

3

P

P

P

TH UOD

OD >> TH2

1

3

TH

W

LU

L >> W >> TH

2

1

3 L L ≈ W >> THL

WU

TH

2

1

3

TH

W

L U L >> W >> TH

2

1

3U

L >> OD >> THL

ODTH

ID

L

P

P2

1

3

P

P

P

TH UOD

OD >> TH2

1

3

TH

W

LU

L >> W >> TH

2

1

3 L L ≈ W >> THL

WU

TH

2

1

3

TH

W

L U L >> W >> TH

2

1

3U

L >> OD >> THL

ODTH

ID

L

P

P2

1

3

P

P

P

Abbildung 7 zeigt einen typischen Impe-danzverlauf. Für die Bestimmung der piezo -elektrischen Kennwerte werden die Serien-und Parallelresonanz fs und fp herangezogen.Diese entsprechen in guter Näherung demImpedanzminimum fm und -maximum fn.

Schwingungszustände piezoelektrischerKomponenten

Schwingungszustände bzw. -formen und De-formation werden maßgebend von der Geo-metrie des Körpers, mechano-elastischenEigenschaften und der Polarisationsrichtungbestimmt. Koeffizienten s. S. 10, spezifischeWerte s. S. 18, Abmessungen s. S. 27. DieFormeln dienen zur Berechnung von Nähe-rungswerten.

13

Geometrie Schwingungen Elektrisch Mechanischinduzierte induzierte elektr.

Typ mechanische Serienresonanz- Auslenkung SpannungDeformation frequenz (Kleinsignal) (Kleinsignal)


∆OD = Ud31OD TH

∆L = Ud31L TH

∆TH = d33U

∆L = Ud31L TH

∆TH = d33U

∆L = d33U

∆L = d15U

U = – F34g33THπOD2

U = – F3g33LW TH

U = – F3g15THLW

U = – F1g31W

PI Ceramic bietet eine breite Auswahl piezo-elektrischer Keramikmaterialien auf derBasis von Bleizirkonat-Bleititanat (PZT) undBariumtitanat an. Die Klassifizierung der Ma-terialeigenschaften erfolgt nach der europäi-schen Norm EN 50324.

Außer den hier im Detail beschriebenenStandardtypen steht eine Vielzahl von Modi-fikationen zur Verfügung, die auf die ver-schiedensten Anwendungen zugeschnittensind.

International gebräuchlich werden Piezoke-ramiken in zwei Gruppen eingeteilt; die Bezeichnungen „weiche“ und „harte“ PZT-Keramiken beziehen sich auf die Dipol- bzw.Domänenbeweglichkeit und damit auch aufdas Polarisations- und Depolarisationsver-halten.

„Weiche“ Piezokeramiken

Kennzeichen sind eine vergleichsweise hoheDomänenbeweglichkeit und ein daraus resultierendes „ferroelektrisch weiches” Ver-halten, das bedeutet eine relativ leichte Polarisierbarkeit. Die Vorteile der „weichen“PZT-Materialien liegen im großen Piezo-

modul, in mittleren Permittivitäten undhohen Kopplungsfaktoren.

Wichtige Einsatzgebiete für „weiche” Piezo-keramiken sind Aktoren für die Mikro- und Nanopositionierung, Sensoren wie klassische Schwingungsaufnehmer, Ultra-schallsender und -empfänger z. B. zur Durchfluss- oder Füllstandsmessung, Ob-jekt identifikation bzw. -überwachung sowieelektroakustische Anwendungen als Schall-geber und Mikrofone, bis hin zum Einsatz alsTonabnehmer an Musikinstrumenten.

„Harte“ Piezokeramiken

Ferroelektrische „Hart“-PZT-Materialien kön-nen hohen elektrischen und mechanischenBelastungen standhalten. Ihre Eigenschaftenändern sich dabei nur wenig, was sie vorallem für Leistungsanwendungen prädesti-niert. Die Vorteile dieser PZT-Materialien liegen in der moderaten Permittivität, großen piezoelektrischen Kopplungsfakto-ren, hohen Güten und sehr guter Stabilitätbei hohen mechanischen Belastungen und Betriebsfeldstärken. Niedrige dielektrischeVerluste ermöglichen den Dauereinsatz imResonanzbetrieb mit nur geringer Eigener-wärmung des Bauteiles. Diese Piezoele-mente werden z. B. eingesetzt in derUltraschallreinigung (typischerweise kHz-Frequenzbereich), der Materialbearbeitung(Ultraschallschweißen, -bonden, -bohren,usw.), für Ultraschallprozessoren (z. B. zum Dispergieren flüssiger Medien), im medizini-schen Bereich (Ultraschall-Zahnstein Entfer-nung, chirurgische Instrumente usw.) undauch in der Sonartechnik.

Materialeigenschaften und Klassifizierung

14


Piezoelektrische Keramiken, die heute zumgroßen Teil auf Bleizirkonat-Bleititanat-Verbindungen basieren, unterliegen einerAusnahmeregelung der EU-Richtlinie zurVerringerung von Gefahrstoffen (RoHS) undkönnen daher unbedenklich eingesetzt werden. PI Ceramic ist dennoch bestrebt, leistungsfähige, bleifreie Piezomaterialienbe reitzustellen und so Zukunftssicherheit zubieten. Derzeit qualifiziert PI Ceramic Tech-nologien, um bleifreie Keramikkomponentenzuverlässig in Serie zu fertigen.

Erste Schritte zum industriellen Einsatzmit PIC 700

PI Ceramic stellt mit dem Werkstoff PIC 700eine erste bleifreie Piezokeramik aus der Laborfertigung zur Verfügung.

PIC 700 basiert auf Bismut-Natrium-Titanat(BNT) und zeigt sehr ähnliche Eigenschaftenwie Bariumtitanat-Werkstoffe. PIC 700 ist geeignet für Ultraschallwandler im MHz-Be-reich sowie für Sonar- und Hy dro fon an wen -dungen.

Eigenschaften der bleifreien Piezokeramik

Die maximale Einsatztemperatur der BNT-basierten Keramik liegt bei ca. 200 °C. Im Vergleich zu klassischen, bleihaltigenWerkstoffen sind Permittivität und piezo-elektrische Kopplungsfaktoren von BNT-Komponen ten geringer. Wenngleich PIC 700für verschiedene Applikationen gut geeignetist, ist ein genereller Ersatz von bleihaltigenPZT-Piezoelementen in technischen Anwen-dungen derzeit nicht abzusehen.

15


Bleifreie Werkstoffe und Materialien

Bleifrei und mit hoher Linearität

Piezokeramische Aktoren zeigen ein nicht-lineares Verhalten der Auslenkung: Die an-gelegte Spannung ist daher kein wiederhol-bares Maß für die erreichte Position. FürAnwendungen, in denen die Position rele-vant ist, müssen daher Sensoren eingesetztwerden.

Das kristalline Material PIC 050 zeigt dem-gegenüber eine deutlich um den Faktor 10verbesserte Linearität, so dass auf den Posi-tionssensor verzichtet werden kann.

PIC 050 wird verwendet für Aktoren und Na-nopositioniersysteme mit dem Handelsna-men Picoactuator®. Sie weisen ebenso hoheSteifigkeit und Dynamik wie Aktoren ausPZT-Material auf, allerdings ist die Auslen-kung beschränkt: Bei einer maximalen Bau-höhe von 20 mm ergibt sich ein Stellweg biszu +/-3 µm.

Picoactuator® in der Nanopositionierung

In der Präzisions-Positioniertechnik setztPhysik Instrumente (PI) diese Aktoren genaudort ein, wo diese geringe Auslenkung mithoher Dynamik und Genauigkeit erforderlichist. Die hohe Linearität ermöglicht den Be-

trieb ohne Positionsregelung, die aufgrundder beschränkten Regelbandbreite die Dyna-mik des Systems nach oben begrenzt.

Aufgrund seiner Verwendung in Positionier-systemen wird der Werkstoff PIC 050 nur alsTranslations- oder Scheraktor in vorgegebe-nen Formen angeboten. Die Standard-Ab-messungen orientieren sich an denen derPICA-Shear-Aktoren (s. www.piceramic.de).

Kristalliner Piezowerkstoff für Aktoren

Der Kristall PIC 050 bildet durchscheinende Schichten im Picoactuator®.

Hochdynamisches Nanopositioniersystem mit Picoactuator® Technologie

Typische Maße aktueller PIC 700Komponenten liegen bei Durch-messern bis 20 mm und Dickenbis 2 mm

http://www.piceramic.de

Werkstoff- Allgemeine Eigenschaften der Werkstoffe Klassifizierung nach MIL-Standardbezeichnung „Weich”-PZT EN 50324-1 DOD-STD-1376A

Material:modifizierter Bleizirkonat-Bleititanat-WerkstoffEigenschaften: hohe Permittivität, hoher Kopplungsfaktor, hohe pie-zoelektrische LadungskonstanteGeeignet für: Aktorik, Ultraschallwandler geringer Leistung, nieder-frequente SchallwandlerStandardmaterial für Aktoren der PICA Serie: PICA Stack, PICA Thru

Material:modifizierter Bleizirkonat-Bleititanat-WerkstoffEigenschaften: sehr hohe Curie-Temperatur, hohe Permittivität,hoher Kopplungsfaktor, hohe Ladungskonstante, niedriger mechani-scher Gütefaktor, niedriger TemperaturkoeffizientGeeignet für: Aktoranwendungen bei dynamischen Einsatzbedin-gungen und hohen Umgebungstemperaturen (PICA Power Serie), Ultraschallwandler mit geringer Lei stung, nichtresonante Breitband- systeme, Kraft- und Schallsensoren, DuraAct Patch Trans ducer, PICA Shear Scheraktoren

Material:modifizierter Bleizirkonat-Bleititanat-WerkstoffEigenschaften: sehr hohe Curie-Temperatur, niedriger mecha-nischer Gütefaktor, nie drige Permittivität, hohe Empfindlichkeit (g-Konstanten)Geeignet für: Anwendungen, die eine hohe g-Konstante (piezo-elektrische Spannungskonstante) erfordern, z.B. für Mikrophone und Schwingungsaufnehmer mit Vorverstärker, Schwingungs-messungen bei tiefen Frequenzen

Material:modifizierter Bleizirkonat-Bleititanat-WerkstoffEigenschaften: extrem hohe Werte für Permittivität, Kopplungs-faktor, hohe Ladungskonstante, Curie-Temperatur ca. 185 °CGeeignet für: Hydrophone, Wandler in der medizinischen Diagnostik, Aktorik

Material:modifizierter Bleizirkonat-Bleititanat-WerkstoffEigenschaften: speziell niedriger Temperaturkoeffizient der PermittivitätGeeignet für: Kraft- und Beschleunigungsaufnehmer

PIC151

PIC255

PIC155

PIC153

PIC152

600

200

200

600

200

II

II

II

VI

II

16

Materialeigenschaften und Klassifizierung


Bleifreie Werkstoffe

Material: kristalliner SpezialwerkstoffEigenschaften: hervorragende Stabilität, Curie-Temperatur > 500 °CGeeignet für: Hochgenaue, hysteresefreie Positionierung im offenen Regelkreis, Picoactuator®

Material:modifizierter Bismut-Natrium-Titanat-WerkstoffEigenschaften:Maximale Einsatztemperatur 200 °C, niedrigeDichte, hoher Kopplungsfaktor der Dickenschwingung, niedriger planarer KopplungsfaktorGeeignet für: Ultraschallwandler > 1MHz

PIC050

PIC700

Werkstoff- Allgemeine Eigenschaften der Werkstoffe Klassifizierung nach MIL-Standardbezeichnung „Hart”-PZT EN 50324-1 DOD-STD-1376A

Material:modifizierter Bleizirkonat-Bleititanat-WerkstoffEigenschaften: extrem hoher mechanischer Gütefaktor, gute Temperatur- und Zeitkonstanz der dielektrischen und elastischen WerteGeeignet für: Leistungsschallanwendungen, Anwendungen im Resonanzbetrieb

Material:modifizierter Bleizirkonat-Bleititanat-WerkstoffEigenschaften: hoher mechanischer Gütefaktor, Permittivität liegtzwischen PIC181 und PIC241 (austauschbar für Vergleichstypen)Geeignet für: Leistungsschallanwendungen, u. a. Verneblung vonMedikamenten

Material:modifizierter Bleizirkonat-Bleititanat-WerkstoffEigenschaften: hoher mechanischer Gütefaktor, höhere Per-mittivität im Vergleich zu PIC181Geeignet für: Leistungsschallanwendungen, Piezomotor-Antriebe

Material:modifizierter Bleizirkonat-Bleititanat-WerkstoffEigenschaften: sehr hohe Curie-TemperaturGeeignet für: Anwendungen bei Temperaturen bis 250 °C (kurzzeitig bis 300 °C)

PIC181

PIC141

PIC241

PIC300

100

100

100

100

I

I

I

I

Barium - Bleititanat

Material:modifizierter Bariumtitanat-WerkstoffEigenschaften: Curie-Temperatur 150 °C, niedrige akustische ImpedanzGeeignet für: Sonar- und Hydrophonapplikationen

PIC110 400 IV

17


WerkstoffdatenSTANDARDMATER IAL IEN

18

10-3 Vm /N

10-12 C /N

1010 N /m2

10-12 m2 /N

Hz ·m

10-3 / K

%

„Weich”

Einheit PIC151 PIC255 PIC155 PIC153 PIC152

Physikalische und dielektrische Eigenschaften

Dichte ρ g / cm3 7,80 7,80 7,80 7,60 7,70

Curie-Temperatur Tc °C 250 350 345 185 340

Relative Permittivitätszahl in Polungsrichtung ε33Τ / ε0 2400 1750 1450 4200 1350

zur Polung ε11Τ / ε0 1980 1650 1400

Dielektrischer Verlustfaktor tan δ 10-3 20 20 20 30 15

Elektromechanische Eigenschaften

Kopplungsfaktor kp 0,62 0,62 0,62 0,62 0,48

kt 0,53 0,47 0,48

k31 0,38 0,35 0,35

k33 0,69 0,69 0,69 0,58

k15 0,66

Piezoelektrische Ladungskonstante d31 -210 -180 -165

d33 500 400 360 600 300

d15 550

Piezoelektrische Spannungskonstante g31 -11,5 -11,3 -12,9

g33 22 25 27 16 25

Akustomechanische Eigenschaften

Frequenzkonstante Np 1950 2000 1960 1960 2250

der Serienresonanzfrequenz N1 1500 1420 1500

N3 1750 1780

Nt 1950 2000 1990 1960 1920

Elastische Nachgiebigkeitskonstante S11E 15,0 16,1 15,6

S33E 19,0 20,7 19,7

Elastische Steifigkeitskonstante C33D 10,0 11,1

Mechanischer Gütefaktor Qm 100 80 80 50 100

Temperaturstabilität

Temperaturkoeffizient von εΤ33(im Bereich -20 °C bis +125 °C) TK ε33 6 4 6 5 2

Zeitstabilität (relative Änderung des Parameters pro Zeitdekade in %)

Relative Dielektrizitätszahl Cε -1,0 -2,0

Kopplungsfaktor CK -1,0 -2,0


19

Empfohlene Einsatztemperatur: 50% der Cu rie-Temperatur. 1) kristalliner Werkstoff2) vorläufigeDaten, Änderungen vorbehalten3) maximale Einsatztemperatur

Folgende Werte gelten näherungsweise füralle PZT-Materialien von PI Ceramic:

Spezifische Wärmekapazität:WK = ca. 350 J kg-1 K-1

Spezifische Wärmeleitfähigkeit: WL = ca. 1,1 W m-1 K-1

Poisson'sche Querkontraktion:σ = ca. 0,34Thermische Ausdehnungskoeffizienten:α3 = ca. -4 bis -6 x 10-6 K-1

(in Polungsrichtung, kurzgeschlossen)α1 = ca. 4 bis 8 x 10-6 K-1(orthogonal zur Polungsrichtung,kurz ge schlos sen)

Statische Druckfestigkeit: größer 600 MPa

Die Daten wurden an Prüfkörpern mit dennach der Norm EN 50324-2 festgelegtengeometrischen Abmessungen bestimmt undsind typische Werte.

Alle angegebenen Daten werden 24 h bis 48 h nach dem Zeitpunkt der Polarisation beieiner Umgebungstempe ratur von 23±2 °Cbestimmt.

Eine vollständige Koeffizientenmatrix dereinzelnen Werkstoffe ist auf Anfrage erhältlich. Bei Fragen zur Interpretation der Materialkennwerte wenden Sie sich an PI Ceramic ([email protected]).

2270 2250 2190 2350 3150

1640 1610 1590 1700 2300

2010 1925 1550 1700 2500

2110 2060 2140 2100

11,8 12,4 12,6 11,1

14,2 13,0 14,3 11,8

16,6 15,8 13,8 16,4

2000 1500 1200 1400 250

3 5 2

-4,0 -5,0

-2,0 -8,0

„Hart” Bleifreie Materialien

PIC181 PIC141 PIC241 PIC300 PIC110 PIC0501) PIC7002)

7,80 7,80 7,80 7,80 5,50 4,7 5,6

330 295 270 370 150 >500 2003)

1200 1250 1650 1050 950 60 700

1500 1500 1550 950 85

3 5 5 3 15 <1 30

0,56 0,55 0,50 0,48 0,30 0,15

0,46 0,48 0,46 0,43 0,42 0,40

0,32 0,31 0,32 0,25 0,18

0,66 0,66 0,64 0,46

0,63 0,67 0,63 0,32

-120 -140 -130 -80 -50

265 310 290 155 120 40 120

475 475 265 155 80

-11,2 -13,1 -9,8 -9,5

25 29 21 16 -11,9


mailto:[email protected]

Temperaturabhängigkeit der Koeffizienten

20

∆ C/C (%) ∆ C/C (%)

∆ k31/ k31 (%)

�

�

∆ fs / fs (%)

Temperaturgang der Kapazität C

�Werkstoffe: PIC151,PIC255 und PIC155


Temperaturgang der Resonanzfrequenz der Längsschwingung fs



Temperaturgang des Kopplungsfaktorsder Längsschwingung k31



�

∆ fs / fs (%)�

� �∆ k31/ k31 (%)


21

∆ d31/ d31 (%)

�

∆ d31/ d31 (%)

∆ d31/ d31 (%)

Thermische Dehnung in Polungsrichtung

∆ L / L (%)

Thermische Dehnung senkrecht zur Polung

Spezifische Eigenschaften

Thermische Eigenschaften am Beispiel derPZT-Keramik PIC 255

� Die thermische Dehnung zeigt in Polungs-richtung und senkrecht zur Polungsachseunterschiedliches Verhalten.

� Die Vorzugsorientierung der Domänen ineinem gepolten PZT-Körper führt zur An-isotropie und ist Ursache für das unter-schiedliche Wärme-Ausdehnungsverhal-ten.

� Nicht gepolte Piezokeramik ist isotrop.Der Ausdehnungskoeffizient ist annä-hernd linear mit einem TK von ca. 2 · 10-6 / K.

� Der Einfluss von aufeinander folgendenTemperatureinwirkungen ist insbeson-dere in der Anwendung zu beachten. Spe-ziell im ersten Temperaturzyklus könnengroße Änderungen im Verlauf auftreten.

� Abhängig vom Werkstoff können die Ver-läufe stark von den dargestellten abwei-chen.

Temperaturgang der piezoelektrischen Ladungskonstanten d31


Werkstoffe: PIC181,PIC241 und PIC300


Piezokomponenten in Presstechnologie

Die Basis für die Herstellung von piezokera-mischen Formkörpern ist das Sprühgranulat.Mechanisch-hydraulische Pressen stellendaraus Formkörper her. Die Presslinge wer-den entweder maßgenau unter Berücksich-tigung der Sinterschwindung geformt, odermit Bearbeitungsaufmaßen für eine Präzi-sionsnachbearbeitung gepresst.

Die gesinterte Keramik ist hart und kann bei Bedarf gesägt und mechanisch nach-bearbeitet werden. Die Metallisierung der Piezoelemente erfolgt mithilfe von Siebdruckverfahren oder, für dünne Me-tallisierungsschichten, mit Sputter- (PVD-)Verfahren. Anschließend werden die Bau-elemente polarisiert.

Stapelaufbau für Aktoren

Piezoaktoren werden durch Aufstapeln meh-rerer piezokeramischer Elemente aufgebaut,mit Kontaktelektroden und einer äußerenIsolierschicht aus Polymermaterial versehen.

FertigungstechnologieEFF IZ IENTE VERFAHREN FÜR KLE INE , M ITTLERE UND GROSSE SER IEN

Endprüfung

Herstellung von Piezokomponenten durch Pressverfahren

22

Polarisieren

Aufbringen der Elektroden: Siebdruck,PVD-Verfahren, z. B. Sputtertechnik

Läppen, Schleifen, Planschleifen,Diamant-Trennsägen

Thermische ProzesseSintern bei bis zu 1300 °C

Pressen und Formgebung

Sprühgranulierung

Mahlen

Vorsintern (Kalzinieren)

Mischen und Mahlender Rohstoffe

Piezokeramische Scheiben mit Innenbohrung

Aufbau- und Verbindungstechnik für Aktoren, Schallwandler, Transducer


23

Folientechnik für dünne Keramiken

Dünne keramische Schichten werden durchFoliengießen hergestellt. Mit diesem Verfah-ren können minimale Einzelfolien-Stärkenvon nur 50 µm erreicht werden.

Anschließend werden die Elektroden mitspeziellen Siebdruck- bzw. PVD-Verfahrenaufgebracht.

Multilayer-Piezoaktoren: PICMA®

Ein besonders innovatives Herstellungs-verfahren ist die Multilayer-Cofiring-Tech-nologie. Hier werden zunächst Folien aus Piezokeramikmaterial gegossen, die an-schließend noch im Grünzustand mit Elek-troden versehen werden. Das Bauelementwird anschließend aus Einzelfolien laminiert,und Elektroden und Keramik werden ge-meinsam in einem einzigen Prozessschrittgesintert.

Das patentierte Design dieses Aufbaus be-wirkt eine vollkeramische Außenschicht desAktors, die isolierend wirkt. Auf weitere Um-mantelungen durch z.B. Polymermaterialienkann dadurch verzichtet werden. Damit blei-ben PICMA® Piezoaktoren stabil auch unterhoher dynamischer Belastung. Sie erreicheneine höhere Zuverlässigkeit und um einenFaktor 10 längere Lebensdauer als her-kömmliche Multilayer-Piezoaktoren.

Erst nach der mechanischen Nachbearbei-tung werden die Multilayer-Aktoren mit An-schlusselektroden versehen und polarisiert.

PICMA® Aktoren mit patentierten,mäanderförmigen Außenelek-troden für bis zu 20 A Ladestrom

Cofiring-Verfahren / Multilayer-Technik / Piezokomponenten in Folientechnik

Polarisieren

Aufbringen der Anschlusselektroden,Termination

Schleifen

Thermische Prozesse Binder-BurnOut und Sintern

bei bis zu 1100 °C

Isostatisches Verpressen

Laminieren

Aufbringen der Elektroden durch Siebdruckverfahren

Foliengießen

Verschlickern

Endprüfung

Feinstmahlen der Rohstoffe


Formgebung von Presskörpern

Komponenten wie Scheiben oder Platten sindbereits ab einer minimalen Dicke von 0,2 mmkostengünstig herstellbar. Innenboard-Trennsägeautomaten erzeugen die entspre-chenden Körper in großen Stückzahlen.

Durch moderne CNC-Technik ist die Bearbei-tung der gesinterten Keramikelemente mit höchster Präzision möglich. Damit sind Bohrungen mit Durchmessern bis zu 0,3 mm herstellbar. Nahezu beliebige Kontu-ren können bis auf den Zehntelmillimetergenau geformt werden. Oberflächen lassensich strukturieren und die Komponentenkönnen dreidimensional passend gefrästwerden.

Dünnwandige Rohre mit Wandstärken von0,5 mm werden mit Ultraschallbearbeitungs -verfahren hergestellt.

Roboterunterstützte Serienfertigung

Automatisierte Montage- und Fertigungs-strecken beinhalten beispielsweise schnellePick-and-Place-Vorrichtungen und maschi-nengesteuerte Lötvorgänge. Die Fertigungvon piezoelektrischen Bauelementen bis zumehreren Millionen Stück pro Jahr ist damitproblemlos möglich.

Beliebige Formen auch mit keramischerRundumversiegelung

Mit modernster Produktionstechnik ist PI Ceramic in der Lage, nahezu beliebige Formen von PICMA®Multilayer-Piezoaktorenzu fertigen. Dabei sind alle Flächen von einervollkeramischen Isolierschicht umgeben.

Fertigbar sind nicht nur variable Grund-formen, z. B. runde oder dreieckige Querschnitte, sondern auch isolierte Innen-bohrungen an Biegern, Chips oder Stapelak-toren, wodurch die Integration vereinfachtwerden kann.

Spezielle Fräsmaschinen bearbeiten dieempfindlichen Keramikfolien bereits imGrünzustand, also vor dem Sintern. An-schließend werden die einzelnen Schichtenmit Elektroden versehen und laminiert. Wiebei den PICMA® Standardaktoren wird dieKeramik im Cofired-Prozess gemeinsam mitden Innenelektroden gesintert. 24

Flexibilität in der Formgebung

Spitzenloses Rundschleifen von piezokeramischen Stäben


Die inneren Elektroden und die Keramik von PICMA® Multilayer-Aktoren werden ge-meinsam gesintert (Cofired-Technologie),wodurch ein monolithischer Piezokeramik-block entsteht. Durch dieses Verfahren ent-steht eine vollkeramische Isolierschicht, dievor Luftfeuchtigkeit und gegen Ausfälledurch erhöhten Leckstrom schützt. PICMA®

Aktoren sind dadurch konventionellen, poly-merisolierten Multilayer-Piezoaktoren in Zuverlässigkeit und Lebensdauer weit über-legen. Der vollkeramische Aufbau bedingtaußerdem eine hohe Resonanzfrequenz, wodurch sich die Aktoren ideal für den hoch-dynamischen Betrieb eignen.

Großer Temperaturbereich – optimaleUHV Kompatibilität – minimales Ausgasen – neutral in Magnetfeldern

Die besonders hohe Curie-Temperatur von320 °C ermöglicht einen nutzbaren Tempera-turbereich von bis zu 150 °C, weit jenseitsder 80 °C Grenze, die für konventionelle Multilayeraktoren gilt. Damit, und durch die ausschließliche Verwendung anorgani-scher Materialien, ergeben sich optimale Voraussetzungen für den Einsatz im Ultra-Hochvakuum: kein Ausgasen, und hohe

Ausheiztemperaturen. PICMA® Piezoaktorenarbeiten, bei reduziertem Stellweg, sogar imkryogenen Temperaturbereich. Durch denAufbau aus ausnahmslos nicht-ferromagne-tischen Materialien besitzen die Aktoreneinen extrem geringen Restmagnetismus imBereich weniger Nanotesla.

Niedrige Betriebsspannung

Im Gegensatz zu den meisten handels -üblichen Multilayer-Piezoaktoren erreichenPICMA® Aktoren bei Betriebsspannungendeutlich unter 150 V ihre Nennauslenkung.Diese Eigenschaft wird durch die Ver-wendung eines besonders feinkörnigen Keramikmaterials erreicht, welches eine geringere Höhe der Innenschichten zu-lässt.

Die PICMA® Aktoren fallen zumindest teil-weise unter den Schutz der folgenden Pa-tente:

Deutsches Patent Nr. 10021919Deutsches Patent Nr. 10234787Deutsches Patent Nr. 10348836Deutsches Patent Nr. 102005015405Deutsches Patent Nr. 102007011652US Patent Nr. 7,449,077 25

PICMA® Multilayer-Aktoren mit hoher Lebensdauer

Lötautomat mit PICMA® Aktoren


26

Dickschichtelektroden

Die metallischen Elektroden werden mitSiebdrucktechnik auf die Piezokeramik auf-gebracht. Die typischen Schichtdicken liegendabei bei ca. 10 µm. Hierfür werden ver-schiedene Silberpasten verwendet. Nachdem Siebdruck werden diese Pasten beiTemperaturen oberhalb 800 °C eingebrannt.

Dünnschichtelektroden

Dünnschichtelektroden werden mit moder-nen PVD-Verfahren (Sputtering) auf die Ke-ramik aufgebracht. Die typische Dicke derMetallisierung liegt im Bereich von 1 µm.Scherelemente müssen im gepolten Zustandmetallisiert werden und sind generell mitDünnschichtelektroden versehen.

PI Ceramic verfügt über hochproduktiveSputteranlagen, die das Aufbringen von Leitschichten aus Metalllegierungen, vor-zugsweise CuNi-Zusammensetzungen undEdelmetallen wie Gold und Silber, ermög -lichen.

Lötverfahren

Konfektionierte Piezobauelemente mit An-schlussdrähten werden im Handlötverfahrendurch speziell geschultes Personal herge-stellt. Für Lötungen auf miniaturisierten

Komponenten und in Großserien stehen mo-derne Lötautomaten zur Verfügung.

Lötstellen für erhöhte Anforderungen an dieZuverlässigkeit werden speziellen visuellenKontrollen unterzogen. Die hierfür einge-setzten optischen Techniken reichen vomStereomikroskop bis zum Kamera-In spek -tionssystem.

Aufbau- und Verbindungstechnik

Das Fügen von Produkten durch Klebepro-zesse erfolgt in der Serienproduktion mit au-tomatisierten Vorrichtungen, die daserforderliche Temperatur-Zeit-Regime (z.B.Aushärtung von Epoxy-Klebstoffen) realisie-ren und damit eine gleichmäßige Qualität ga-rantieren. Die Klebstoffauswahl und dasAushärteregime werden unter Berücksichti-gung der Materialeigenschaften und der vor-gesehenen Einsatzbedingungen für jedesProdukt optimiert. Für komplexe Sonderfer-tigungen kommen eigens entwickelte Dosier-und Positioniersysteme zur Anwendung.

Piezokeramische Stapelaktoren der PICASerie, Hochvolt-Biegeaktoren und Ultra-schall-Transducer sind mit dieser Fügetech-nik aufgebaut und haben sich im Einsatz inder Halbleiterindustrie und Medizintechnikdurch ihre hohe Zuverlässigkeit bewährt.

VerbindungstechnikALLE PROZESSSCHR ITTE UNTER E INEM DACH

Gefüllte Sputteranlage


Piezokeramische BauelementeABMESSUNGEN

� P zeigt die Polungs -richtung an.

� Die Abmessungenbedingen sich gegen-seitig und sind nichtbeliebig wählbar.

� Die minimalen Ab-messungen werdendurch physikalischeund technologischeGrenzen bestimmt.Beispielsweise wirddie Dicke bzw. Wand-stärke durch dieBruchfestigkeit derKeramik bei mechani-scher Bearbeitung be-grenzt.

� Maximale Dicke fürPolarisierung: 30 mm

Kennzeichnung der Polarität

Die während der Polarisation an positi-vem Potential liegen-den Elektrode ist durcheinen Punkt oder einKreuz auf der Elektro-denfläche gekennzeich-net. Alternativ wirdinsbesondere beiDünnschichtelektrodendie Rich tung der Polari-sation durch die Färbung der Elektro-denmaterialien mar-kiert: Eine rötlicheFarbe zeigt die Elek-trode an, die bei derPolarisation an positi-vem Potential lag.

27

Standardtoleranzen

Abmessungen, wie gesintert± 0,3 mm bzw. ± 3 %

Länge L, Breite W (Abmessung; Toleranz)< 15 mm; ± 0,15 mm <40 mm; ± 0,25 mm<20 mm; ± 0,20 mm <80 mm; ± 0,30 mm

Außendurchmesser OD, Innendurchmesser ID(Abmessung; Toleranz)< 15 mm; ± 0,15 mm <40 mm; ± 0,25 mm<20 mm; ± 0,20 mm <80 mm; ± 0,30 mm

Dicke TH (Abmessung; Toleranz)< 15 mm; ± 0,05 mm <40 mm; ± 0,15 mm<20 mm; ± 0,10 mm <80 mm; ± 0,20 mm

Scheibe / Außendurchmesser OD: 2 bis 80 mmStab / Zylinder Dicke TH: 0,15 bis 30 mm

Platte /Block Länge L: 1 bis 80 mm, Breite W: 1 bis 60 mm, Dicke TH: 0,1 bis 30 mm

Scherplatte Länge L: max. 75 mm, Breite W: max. 25 mm,Dicke TH: 0,2 bis 10 mm

Rohr Außendurchmesser OD: 2 bis 80 mm, Innendurchmesser ID: 0,8 bis 74 mm, Länge L: max. 30 mm

Ring Außendurchmesser OD: 2 bis 80 mm, Innendurchmesser ID: 0,8 bis 74 mm, Dicke TH: max. 70 mm

Seriell / parallel Länge L: 3 bis 50 mm, aufgebaute Breite W: 1 bis 25 mm, Biegeelemente Dicke TH: 0,4 bis 1,5 mm

Runde Biegeelemente auf Anfrage.Vorzugsabmessungen: Durchmesser: 5 bis 50 mm,Dicke: 0,3 bis 2 mm

L + o

∆L

Polarisationaxis

C1

L1C0

Imp

end

anz

Z

Frequenz f

fm fn

∆ L

V0

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P C/m2

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Ps

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3

1(r)

3

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Radialschwingung

Dickenschwingung

Radialschwingung

Dickenschwingung

Längsschwingung

Radialschwingung

Dickenschwingung

OD

IDTH P

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Pb

Ti, Zr

Längsschwingung

Dickenschwingung

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1

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TH

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PTH

W

L PTH

L

W

P

L

W

TH

PTH

W

L

L

P

L

P

D

PTH

OD

P

L

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OD

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6

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P

(Z)3

2(Y)

(X)1

6

5

4

P

PW THL

R1

Dimension Toleranz

Abweichung < 0,02 mmvon der Ebenheit (kleine Durchbiegung dünner Scheiben oder Platten bleibt unberücksichtigt)

Abweichung < 0,02 mmvon der Parallelität

Abweichung <_ 0,4 mmvon der Konzentrizität

Frequenztoleranz ± 5 % (< 2 MHz)± 10 % (>= 2 MHz)

Toleranz der ± 20 %elektrischen Kapazität

L + o

∆L

Polarisationaxis

C1

L1C0

Imp

end

anz

Z

Frequenz f

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∆ L

V0

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Radialschwingung

Dickenschwingung

Radialschwingung

Dickenschwingung

Längsschwingung

Radialschwingung

Dickenschwingung

OD

IDTH P

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Pb

Ti, Zr

Längsschwingung

Dickenschwingung

3

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PTH

W

L PTH

L

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PTH

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PTH

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P

PW THL

R1

L + o

∆L

Polarisationaxis

C1

L1C0

Imp

end

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Radialschwingung

Dickenschwingung

Radialschwingung

Dickenschwingung

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Radialschwingung

Dickenschwingung

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PTH

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P

PW THL

R1

P

W

L + o

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Polarisationaxis

C1

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Imp

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Radialschwingung

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Radialschwingung

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–

+

–

+

– U

+

–

P C/m2

E kV/cm

Ps

Ec

-Ec

Pr

-Pr-Ps

+

–

+

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+

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+

–

+

–

+

–+

–

+

– +

–

+

–

3

1(r)

3

3(r)

Radialschwingung

Dickenschwingung

Radialschwingung

Dickenschwingung

Längsschwingung

Radialschwingung

Dickenschwingung

OD

IDTH P

(1)

(2)

O2

Pb

Ti, Zr

Längsschwingung

Dickenschwingung

3

1(r)

1

3

2

TH

5

6

3

1

2

3

2

TH5

6

1

PTH

W

L PTH

L

W

P

L

W

TH

PTH

W

L

L

P

L

P

D

PTH

OD

P

L

OD

ID

ODTH TH

OD

(Z)3

2(Y)

(X)1

6

5

4

P

(Z)3

2(Y)

(X)1

6

5

4

P

PW THL

R1


Komponenten mit Standardabmessungenkönnen auf Basis vorrätiger Halbzeuge sehrkurzfristig geliefert werden. Extremwerte

können nicht kombiniert werden. Über dieStandardabmessungen hinaus gehende Geo- metrien sind auf Anfrage erhältlich.

28

Frequenz OD in mm

in MHz 3 5 10 16 20 25 35 40 45 50

10,00 • • • • •5,00 • • • • • •4,00 • • • • • • •3,00 • • • • • • • •2,00 • • • • • • • •1,00 • • • • • • • •0,75

0,50

0,40

0,25

0,20

TH LxW in mm2

in mm 4 x 4 5 x 5 10 x 10 15 x 15 20 x 20 25 x 20 25 x 25 50 x 30 50 x 50 75 x 25

0,20 • • • • •0,25 • • • • •0,30 • • • • • • •0,40 • • • • • • •0,50 • • • • • • • • •0,75 • • • • • • • • • •1,00 • • • • • • • • • •2,00 • • • • • • • • • •3,00 • • • • • • • • • •4,00 • • • • • • • • • •5,00 • • • • • • • • • •10,00 • • • • • • • • • •20,00 • • • • • • • •

o o o o o o o o

�� Scheibe/Stab/Zylinder �� Scheibe/Stab mit definierter Resonanzfrequenz

�� Platte /Block

TH OD in mm

in mm 3 5 10 16 20 25 35 40 45 50

0,20 • • • • •0,25 • • • • •0,30 • • • • • •0,40 • • • • • • •0,50 • • • • • • • • •0,75 • • • • • • • • • •1,00 • • • • • • • • • •2,00 • • • • • • • • • •3,00 • • • • • • • • • •4,00 • • • • • • • • • •5,00 • • • • • • • • • •10,0 • • • • • • • • • •20,00 • • • • • • • • • •


o o o o o o oo o o o o o

o o o oo o o

� Elektroden: Silber(Dickschicht) oder PVD-Dünnschicht (verschiedene Materia-lien: z.B. CuNi, Au, etc.)

� Punkte: Resonanz-frequenzen > 1 MHzKreise: Resonanz-frequenzen < 1 MHzElektroden: Silber (Dickschicht) oder PVD-Dünnschicht (verschiedene Materia-lien: z.B. CuNi, Au, etc.)

� Elektroden: Silber(Dickschicht) oder Dünnschicht (CuNi oder Au)

Standardabmessungen

29

Ringe

*Toleranzen wie gesintert, s. Tabelle S. 27

Design

Design

Rohre

Design

Rohre mit Sonderelektroden

Design

vierfach segmen-tierte Elektrode

Löthinweise für Anwender

Alle unsere Metallisie-rungen sind RoHS-konform lötbar. Wir empfehlen dieVerwendung einesLotes in der Zusam-mensetzung Sn 95,5,Ag 3,8, Cu 0,7. Die durchgehende Erwärmung der Piezo-keramik über dieCurie-Temperatur hi-naus führt zur Depola-risation, und damitzum Verlust oder zurHerabsetzung der pie-zoelektrischen Kenn-werte. Um dies zuverhindern, müssenbeim Löten folgende Bedingun-gen unbedingt einge-halten werden:

� Alle Lötkontakte müssen punktfömigausgeführt werden.

� Die Lötzeit mussmöglichst kurz sein(<_ 3 sec).

� Die spezifische Löt-temperatur darfnicht überschrittenwerden.

� Scheibe/Stab mit definierter Resonanzfrequenz

Umkontakt

OD in mm TH in mm Elektroden

10 / 16 / 20 / 20 / 25 / 40 0,5 / 1,0 / 2,0 Silber

(Dickschicht)

PVD-Dünnschicht

OD in mm ID in mm TH in mm Elektroden

10 2,7 0,5 / 1,0 / 2,0 Silber

10* 4,3* 0,5 / 1,0 / 2,0 (Dickschicht)

10* 5* 0,5 / 1,0 / 2,0 oder CuNi

12,7 5,2* 0,5 / 1,0 / 2,0 (Dünnschicht)

25 16* 0,5 / 1,0 / 2,0

38 13* 5,0 / 6,0

50 19,7* 5,0 / 6,0 / 9,5

OD in mm ID in mm L in mm Elektroden

76 60 50 Innen: Silber

40 38 40 (Dickschicht)

20 18 30 Außen: Silber


10 8 30 oder CuNi

6,35 5,35 30 bzw. Au

3,2 2,2 30 (Dünnschicht)

2,2 1,0 20

OD in mm ID in mm L in mm Elektroden

20 18 30 Innen: Silber


10 8 30 Außen: Silber

6,35 5,53 30 (Dickschicht)

3,2 2,2 30 oder CuNi

2,2 1,0 30 bzw. Au

(Dünnschicht)


Scheibe mit Sonderelektroden (Umkontakt)

L + o

∆L

Polarisationaxis

C1

L1C0Im

pen

dan

z Z

Frequenz f

fm fn

∆ L

V0

(2)

+

–

+

–

+

–

+

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+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

(3)

+

–

+

–

+

–

+

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+

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+

–

+

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+

–

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+

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– U

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E kV/cm

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-Pr-Ps

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+

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+

– +

–

+

–

3

1(r)

3

3(r)

Radialschwingung

Dickenschwingung

Radialschwingung

Dickenschwingung

Längsschwingung

Radialschwingung

Dickenschwingung

OD

IDTH P

(1)

(2)

O2

Pb

Ti, Zr

Längsschwingung

Dickenschwingung

3

1(r)

1

3

2

TH

5

6

3

1

2

3

2

TH5

6

1

PTH

W

L PTH

L

W

P

L

W

TH

PTH

W

L

L

P

L

P

D

PTH

OD

P

L

OD

ID

ODTH TH

OD

(Z)3

2(Y)

(X)1

6

5

4

P

(Z)3

2(Y)

(X)1

6

5

4

P

PW THL

R1

L + o

∆L

Polarisationaxis

C1

L1C0

Imp

end

anz

Z

Frequenz f

fm fn

∆ L

V0

(2)

+

–

+

–

+

–

+

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+

–

+

–

+

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+

–

+

–

+

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+

–

+

–

(3)

+

–

+

–

+

–

+

–+

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+

–

+

–

+

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–

+

–

+

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3

1(r)

3

3(r)

Radialschwingung

Dickenschwingung

Radialschwingung

Dickenschwingung

Längsschwingung

Radialschwingung

Dickenschwingung

OD

IDTH P

(1)

(2)

O2

Pb

Ti, Zr

Längsschwingung

Dickenschwingung

3

1(r)

1

3

2

TH

5

6

3

1

2

3

2

TH5

6

1

PTH

W

L PTH

L

W

P

L

W

TH

PTH

W

L

L

P

L

P

D

PTH

OD

P

L

OD

ID

ODTH TH

OD

(Z)3

2(Y)

(X)1

6

5

4

P

(Z)3

2(Y)

(X)1

6

5

4

P

PW THL

R1

L + o

∆L

Polarisationaxis

C1

L1C0

Imp

end

anz

Z

Frequenz f

fm fn

∆ L

V0

(2)

+

–

+

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3

1(r)

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3(r)

Radialschwingung

Dickenschwingung

Radialschwingung

Dickenschwingung

Längsschwingung

Radialschwingung

Dickenschwingung

OD

IDTH P

(1)

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O2

Pb

Ti, Zr

Längsschwingung

Dickenschwingung

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W

L PTH

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W

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L

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PTH

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L

L

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L

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P

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P

(Z)3

2(Y)

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P

PW THL

R1

L + o

∆L

Polarisationaxis

C1

L1C0Im

pen

dan

z Z

Frequenz f

fm fn

∆ L

V0

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3

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Radialschwingung

Dickenschwingung

Radialschwingung

Dickenschwingung

Längsschwingung

Radialschwingung

Dickenschwingung

OD

IDTH P

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Ti, Zr

Längsschwingung

Dickenschwingung

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L PTH

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PTH

W

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L

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L

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P

(Z)3

2(Y)

(X)1

6

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P

PW THL

R1

L + o

∆L

Polarisationaxis

C1

L1C0

Imp

end

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Frequenz f

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∆ L

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Radialschwingung

Dickenschwingung

Radialschwingung

Dickenschwingung

Längsschwingung

Radialschwingung

Dickenschwingung

OD

IDTH P

(1)

(2)

O2

Pb

Ti, Zr

Längsschwingung

Dickenschwingung

3

1(r)

1

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TH

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PTH

W

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L

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P

L

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PTH

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2(Y)

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P

(Z)3

2(Y)

(X)1

6

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4

P

PW THL

R1L + o

∆L

Polarisationaxis

C1

L1C0

Imp

end

anz

Z

Frequenz f

fm fn

∆ L

V0

(2)

+

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Radialschwingung

Dickenschwingung

Radialschwingung

Dickenschwingung

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Radialschwingung

Dickenschwingung

OD

IDTH P

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O2

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Ti, Zr

Längsschwingung

Dickenschwingung

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TH

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TH5

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PTH

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PTH

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ODTH TH

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(Z)3

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P

(Z)3

2(Y)

(X)1

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5

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P

PW THL

R1

Ein umfassendes Qualitätsmanagement kon-trolliert sämtliche Produktionsprozesse beiPIC, von der Qualität der Rohstoffe bis hinzum Endprodukt. Damit ist sichergestellt,dass nur freigegebene Teile, die den Quali-tätsanforderungen entsprechen, zur Weiter-verarbeitung und Lieferung gelangen.

Elektrische Prüfverfahren

Kleinsignalmessungen

Daten zu den piezoelektrischen und dielek-trischen Eigenschaften wie Frequenzen, Im-pedanzen, Kopplungsfaktor, Kapazität undVerlustfaktor werden in Kleinsignalmessun-gen erfasst.

Großsignalmessungen

DC-Messungen mit Spannungen bis zu 1200 V werden an Aktoren zur Bestimmungvon Dehnung, Hysterese und Spannungs-festigkeit in automatisierter Stückprüfungdurchgeführt.

Geometrische und visuelle Prüfverfahren

Für komplexe Messungen stehen Bildverar-beitungsmessgeräte und Weißlicht inter fe-r ometer zur Topografie-Untersuchung zurVerfügung.

Visuelle Grenzwerte

Keramische Komponenten müssen be-stimmten visuellen Anforderungen entspre-chen.

PIC hat eigene Kriterien zur Qualitätsbewer-tung der Oberflächen festgelegt, die sich amehemaligen MIL-STD-1376 orientieren.Dabei sind die verschiedensten Anwen-

dungsfälle berücksichtigt, für besondere Anforderungen gibt es gestaffelte Sortier -kategorien. Grundsätzlich gilt, dass visuelleAuffälligkeiten keinen negativen Einfluss aufdie Funktion der Komponente haben dürfen.

Die Oberflächenkriterien betreffen:

� Oberflächenbeschaffenheit der Elektrode,� Poren in der Keramik,� Kantenabsplitterungen, Kratzer, etc.

Qualitätsniveau

Alle Prüfungen werden nach dem standardi-sierten Verfahren DIN ISO 2859 an Stichpro-ben durchgeführt. Für die elektrischeBewertung gilt z.B. das Prüfniveau AQL 1,0.Für kundenspezifische Produkte kann einegesonderte Liefervorschrift vereinbart wer-den. Diese umfasst beispielsweise die jewei-ligen Freigabeprotokolle, Messwertplotsoder Einzelmesswerte bestimmter Prüflinge,bis hin zu Prüfungen jedes Einzelstücks.

Messung von Werkstoffdaten

Die Daten werden an Prüfkörpern mit dennach der Norm EN 50324-2 festgelegten geo-metrischen Abmessungen bestimmt undsind typische Werte (s. S. 14 ff.). Die Einhal-tung dieser typischen Kennwerte wird durchständige Freigabeprüfungen der einzelnenWerkstoffchargen dokumentiert.

Die Eigenschaften des einzelnen Produktskönnen davon abweichen und werden vonder Geometrie, Variationen in den Herstel-lungsverfahren und Mess- bzw. Ansteuerbe-dingungen bestimmt.

30


PrüfverfahrenSTANDARDIS IERTE VERFAHREN GEBEN S ICHERHE IT

31

Keramik in verschiedenen Integrationsstufen

PIC sorgt für die Integration von Piezokera-miken in das Kundenprodukt. Dazu gehörensowohl die elektrische Kontaktierung derElemente nach Kundenvorgaben als auchdie Montage in beigestellte Bauelemente,das Verkleben oder der Verguss. Für denKunden beschleunigt das den Herstellungs-prozess und verkürzt die Lieferzeiten.

Sensorkomponenten – Transducer

PI Ceramic liefert in großen Serien komplet-tierte Schallwandler für die unterschied-lichsten Einsatzbereiche. Dazu gehören unteranderem OEM Baugruppen für die Ultra-schall-Durchflussmesstechnik, Füllstands-,Kraft- und Beschleunigungsmessung.

Piezoaktoren

Die einfachste Form eines Piezoaktors ist eine Piezoscheibe bzw. -platte, aus derwiederum Stapelaktoren mit entsprechendhöherer Auslenkung aufgebaut werden können. Alternativ werden Multilayer-Akto-ren in unterschiedlichen Längen aus Piezo-folien mit Schichtstärken unter 100 µmgefertigt. Scheraktoren werden aus Scher-platten gestapelt und sind so polarisiert,dass sie orthogonal zur anliegenden Spannung auslenken. Biegeaktoren in verschiedenen Grundformen sind in Multi-layer - Technik zweischichtig (bimorph)

aufgebaut und bieten dadurch eine symme-trische Auslenkung.

Piezoaktoren können mit Sensoren zur Messung der Auslenkung versehen werden,und eignen sich dann zur wiederholbaren Po-sitionierung mit Nanometergenauigkeit. Häu-fig werden Piezoaktoren in ein mechanischesSystem integriert, wobei eine Hebelüberset-zung die Stellwege verlängert. Festkörper-führungen sorgen dann für hohe Steifigkeitund minimieren den seitlichen Versatz.

Piezomotoren

Piezokeramiken sind das Antriebselementfür Piezomotoren von Physik Instrumente(PI), die es ermöglichen, die besonderen Ei-genschaften der Piezoaktoren auch über län-gere Verstellwege zu nutzen. PILine® Piezo-Ultraschallmotoren ermögli-chen sehr dynamische Zustellbewegungenund sind dabei so kompakt herstellbar, dasssie bereits in vielen neuen Anwendungeneingesetzt werden.

Piezoschreitantriebe wiederum bieten übermehrere Millimeter die hohen Kräfte, die Pie-zoaktoren entwickeln. Die patentierten NEX-LINE® und NEXACT® Antriebe von PI mitihrem komplexen Aufbau aus Longitudi-nal-, Scher- und Biegeelementen sowie ent-sprechender Kontaktierung werden komplettbei PI Ceramic gefertigt.


Integrierte Baugruppen, Sub-AssembliesVON DER KERAMIK ZUR KOMPLETTLÖSUNG

Sei es in der Medizintechnik, Biotechnologieim Maschinenbau oder in der Fertigungs-technik bis hin zur Halbleitertechnologie –unzählige Felder profitieren von den piezo-elektrischen Eigenschaften der Bauele-mente. Dabei werden sowohl der direkte alsauch der inverse Piezoeffekt industriell ge-nutzt.

Direkter Piezoeffekt

Das Piezoelement wandelt mechanischeKräfte wie Druck, Dehnung oder Beschleuni-gung in eine messbare elektrische Span-nung um.

Mechano-elektrische Wandler

� Sensoren für Beschleunigung und Druck � Schwingungsaufnehmer, z.B. zur Detek-tion von Unwuchten an rotierenden Maschinenteilen oder Crash-Detektorenim Automobilbereich

� Zündelemente� Piezotastaturen� Generatoren, z.B. autarke Energiequellen(Energy Harvesting)

� Passive Dämpfung

Akusto-elektrische Wandler

� Schall- und Ultraschall-Empfänger, z.B.Mikrofone, Füllstands- und Durchfluss-messung

� Geräuschanalyse� Acoustic Emission Spectroscopy

Inverser Piezoeffekt

Das Piezoelement verformt sich bei Anlegeneiner elektrischen Spannung; es entstehenmechanische Bewegungen oder Schwin-gungen.

Elektro-mechanische Wandler

Aktoren, wie Translatoren, Biegeelemente,Piezomotoren für z.B.

� Mikro- und Nanopositionierung� Laser-Tuning� Schwingungsdämpfung� Mikropumpen� Pneumatikventile

Elektro-akustische Wandler

� Signalgeber (Buzzer) � Hochspannungsquellen / Transformatoren� Verzögerungsleitungen (Delay Lines)� Leistungsultraschall-Generatoren:Reinigen, Schweißen; Vernebeln, etc.

Die Ultraschall-Signalverarbeitung nutztbeide Effekte und wertet Laufzeiten, Refle-xion und Phasenverschiebung von Ultra-schallwellen in einem Frequenzbereich voneinigen Hertz bis zu einigen Megahertz aus.Die Anwendungen sind z.B.

� Füllstandsmessung� Durchflussmessung� Objekterkennung und -überwachung� Medizinische Diagnostik� Hochauflösende Materialprüfung� Sonar und Echolote� Adaptive Strukturen

Anwendungsbeispiele für PiezokeramikenV IELSE IT IG UND FLEX IBEL

32


33

Die fortschreitende Miniaturisierung stelltstetig steigende Anforderungen an die ver-wendeten Komponenten, so auch an die An-triebe für Mikrodosiersysteme. Hier bietenpiezoelektrische Elemente die Lösung: Siearbeiten zuverlässig, schnell und präzise,und können für den kleinsten Bauraum pas-send ausgeformt werden. Gleichzeitig ist ihrEnergieverbrauch gering und sie sind kleinund preiswert.

Die Dosiermengen reichen vom Milli-, Mikro-, Nano- bis in den Picoliterbereich. DieAnwendungsbereiche für piezoelektrischePumpen liegen in der Labor- und Medizin-technik, der Biotechnologie, der chemischenAnalytik und der Verfahrenstechnik, wo häu-fig kleinste Mengen Flüssigkeit und Gase zu-verlässig dosiert werden müssen.

Mikro-Membranpumpen,Mikro-Dosierventile

Der Pumpenantrieb besteht aus einem piezo -elektrischen Aktor und einer damit verbun-denen Pumpmembran, meist aus Metalloder Silizium. Die Deformation des Piezoele-ments verändert das Volumen in der Pum-penkammer, wobei der Antrieb durch dieMembran vom Fördermedium abgetrenntist.

Abhängig von der Tropfengröße und demdamit erforderlichen Membranhub, aberauch von der Viskosität des Mediums, kannder Antrieb mit Piezoscheiben, mit Piezosta-pelaktoren oder mit Hilfe hebelübersetzterSysteme erfolgen.

Wegen ihrer kompakten Abmessungen sinddiese Dosiervorrichtungen auch für Lab-on-a-chip Anwendungen geeignet.

Piezoantriebe werden auch zum Öffnen undSchließen von Ventilen eingesetzt. Hier reichtdas Spektrum vom einfachen Piezoelementoder Biegeaktor für ein Membranventil übervorgespannte Piezostapelaktoren für viel Dy-namik und Kraft bis zum Piezohebel, derFeinstdosierungen auch bei hohem Gegen-druck vornimmt.

Auch Kraftstoff-Einspritzsysteme im Auto-mobilbereich, angetrieben mit Multilayer-Stapelaktoren, sind Mikro-Dosierventile.

Schlauch- oder Peristaltikpumpen, Jet-Dispenser

Wenn Flüssigkeiten oder Gase präzise undmöglichst gleichmäßig und stoßfrei dosiertwerden sollen, bieten sich so genannteSchlauch- oder Peristaltikpumpen an. Beiihnen wird das zu fördernde Medium durchäußere mechanische Verformung einesSchlauches durch diesen hindurchgedrückt.Die Pumprichtung wird durch die Ansteue-rung der einzelnen Aktoren bestimmt.

Als Antriebselement sind – je nach Anfor-derungen an Kraft und Bauraum – flache Piezobiegeelemente, kompakte Piezochip-aktoren oder Piezostapel aktoren eingesetzt.Biegewandler eignen sich dabei hauptsäch-lich für Anwendungen mit niedrigem Ge-gendruck, z.B. für Flüssigkeiten mit niedrigerViskosität.

Höhere Gegendruckfähigkeit bieten die Piezoaktoren, die sich zur Dosierung vonStoffen höherer Viskosität eignen, jedochmehr Raum beanspruchen.

Piezoelektrische Mikrodispenser,Drop-on-Demand

Piezoelektrische Mikrodispenser bestehenaus einer flüssigkeitsgefüllten Kapillare, diezu einer Düse ausgeformt ist, und einem um-gebenden Piezorohr.

Bei Anlegen einer Spannung kontrahiert dasPiezorohr und erzeugt in der Kapillare eineDruckwelle. Dadurch werden Einzeltropfenabgeschnürt und auf eine Geschwindigkeitvon einigen Metern pro Sekunde beschleu-nigt, so dass sie einige Zentimeter zurück -legen können.

Das Tropfenvolumen variiert mit den Eigen-schaften des geförderten Mediums, den Dimensionen der Pumpenkapillaren und den Ansteuerparametern des Piezoaktors.Als Düsen können auch in Silizium geätzte Mikrokanäle verwendet werden.

Pump- und Dosiertechnik mit Piezoantrieben


Der Piezoeffekt wird für eine Vielzahl von An-wendungen im Life Science Bereich genutzt:zur Bildgebung in der medizinischen Diag-nostik, in der Therapie zur Schmerzbehand-lung, zur Aerosolerzeugung oder zurZahnsteinentfernung, für Skalpelle in der Au-genchirurgie, zur Überwachung von Flüssig-keiten, wie z. B. zur Detektion von Luftblasenbei der Dialyse, oder auch als Antriebe fürDispenser und Mikropumpen.

Wenn hohe Leistungsdichten gefordert sind,wie z. B. bei der Ultraschall-Zahnstein-Entfernung oder für chirurgische Instru-mente, kommen hier „harte“ PZT-Materialien zum Einsatz.

Ultraschallwerkzeuge in der Chirurgieund Kosmetik

Ultraschallgetriebene Werkzeuge ermögli-chen heute minimalinvasive Operations-techniken beispielsweise in der Augen- undKieferchirurgie. Auch Geräte zur Liposuktionbasieren häufig auf Ultraschalltechnik. Be-reits seit längerer Zeit werden Piezoelementeals Ultraschallerzeuger zur Entfernung vonmineralischen Belägen an menschlichenZähnen eingesetzt.

Das Prinzip ist jeweils ähnlich und funktio-niert analog zur Ultraschall-Materialbearbei-tung: Piezokeramische Verbundsysteme, dieaus miteinander verspannten Ringscheibenbestehen, sind in einer Sonotrode in Formeines medizinischen Werkzeuges integriert.Damit werden Schwingungsamplituden imµm-Bereich bei Arbeitsfrequenzen um die 40 kHz übertragen.

Bildgebung mit Ultraschall – Sonografie

Der große Vorteil der Sonografie liegt in derUnschädlichkeit der Schallwellen, weshalbdas Verfahren weit verbreitet ist. Der Schall-kopf enthält ein Piezoelement, das Ultra-schallwellen erzeugt und auch wiedernachweist. Der Schallkopf sendet kurze, gerichtete Schallwellenimpulse aus, die inden Gewebeschichten unterschiedlich starkreflektiert und gestreut werden. Über dieMessung der Laufzeit und der Stärke der Re-flexionen wird ein Bild der untersuchtenStruktur erzeugt.

Ultraschallanwendungen in der Medizintechnik

34Werkzeug für die Zahnsteinentfernung mit Ultraschall,OEM-Produkt. Die Piezoscheiben sind deutlich erkennbar.


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Ultraschalltherapie

Bei diesem Verfahren wird das Gewebe übereinen Schallkopf mit Ultraschallwellen be-strahlt. Mechanische Längswellen erzeugenzum einen mechanische Vibrationen im Ge-webe, zum anderen wird ein Teil der Ultra-schallenergie in Wärme umgewandelt.Typische Arbeitsfrequenzen liegen im Bereich 0,8 bis über 3 MHz, wobei in der An-wendung sowohl Dauer- als auch Impuls-Schallverfahren zum Einsatz kommen. Dieübertragenen Schwingungsamplituden lie-gen im Bereich um 1 µm.

Abhängig vom Energiegehalt der Strahlungwerden unterschiedliche Effekte erzielt.Hochenergetische Stoßwellen werden z. B.zur Zertrümmerung von Nierensteinen ge-nutzt. Stoßwellen niedriger Energie bewirkeneine Art von Mikromassage, und werdenunter anderem zur Knochen- und Gewebe-behandlung und in der Physiotherapie ein-gesetzt.

Im kosmetischen Bereich gewinnt die Ultra-sonophorese, also das Einbringen von Medi-kamenten unter die Haut, immer mehr anBedeutung.

Aerosolerzeugung

Ultraschall ermöglicht die Verneblung vonFlüssigkeiten ohne Erhöhung des Druckesoder der Temperatur, was speziell für emp-findliche Substanzen wie Medikamente vonentscheidender Bedeutung ist.

Analog zur hochfrequenten Ultraschallreini-gung erzeugt eine im Flüssigkeitsgefäß be-festigte und in Resonanz schwingendePiezokeramikscheibe Ultraschallwellen gro-ßer Intensität. Die Flüssigkeitströpfchen ent-stehen oberflächennah durch Kapillarwellen.Der Durchmesser der Aerosoltröpfchen wirdvon der Frequenz der Ultraschallwellen be-stimmt: Je höher die Frequenz ist, desto klei-ner sind die Tröpfchen.

Bei der Direktverneblung, wo das hochfre-quent schwingende Piezoelement im direk-ten Kontakt mit der Flüssigkeit steht, wird diePiezooberfläche speziell für aggressive Sub-stanzen veredelt.

Durchflussmessung

Die Messung von Durchflussmengen ist in vielen Bereichen die Basis für einen gere-gelten Ablauf von Prozessen. Beispiels-weise wird in der modernen Gebäudetech-nik der Verbrauch von Wasser, Warmwasseroder Heizenergie erfasst, und damit so-wohl die Versorgung als auch die Abrech-nung gesteuert.

In der Industrieautomation und speziell in der Chemieindustrie kann die Volumen-messung das Abwiegen von Stoffmengenersetzen. Nicht nur die Fließgeschwindigkeit, sondernauch die Konzentration bestimmter Stoffekann erfasst werden.

Die Laufzeitmessung basiert auf dem wech-selseitigen Senden und Empfangen von Ultraschallimpulsen in und gegen die Strö-mungsrichtung. Dabei werden zwei Piezo-wandler, die sowohl als Sender als auch als Empfänger arbeiten, in einer Schall-strecke schräg zur Strömungsrichtung ange-ordnet.

Beim Doppler-Prinzip wird die Phasen- bzw.Frequenzverschiebung der Ultraschallwel-len, die von Flüssigkeitspartikeln gestreutbzw. reflektiert werden, ausgewertet. DieFrequenzverschiebung zwischen abgestrahl-ter und am gleichen Piezowandler emp -fangener, reflektierter Wellenfront ist pro-por tional zur Strömungsgeschwindigkeit.

Ultraschall-Sensoren: Piezoelemente in der Messtechnik


Füllstandsmessung

Bei der Laufzeitmessung arbeitet der Piezo-wandler außerhalb des zu messenden Medi-ums sowohl als Sender als auch Empfänger.Er sendet einen Luftultraschallimpuls aus,der vom Füllgut reflektiert wird. Die benötigteLaufzeit ist ein Maß für den zurückgelegtenWeg im leeren Behälterteil.

Damit sind berührungslose Messungen mög-lich, bei denen der Füllstand von Flüssigkei-ten, aber auch von Feststoffen, z.B. in Silos,gemessen werden kann. Die Auflösung bzw.Genauigkeit hängt davon ab, wie gut der Ul-tra schallimpuls von der jeweiligen Oberflä-che reflektiert wird.

Tauchschwinger, oder Stimmgabelsensoren,werden fast ausschließlich als Niveauschal-ter eingesetzt; eine Messung des Füllstandeserfordert mehrere dieser Sensoren in ver-schiedenen Höhen.

Der Piezowandler regt eine Stimmgabel inihrer Eigenfrequenz an. Bei Kontakt mit demzu messenden Medium verschiebt sich dieResonanzfrequenz, was elektronisch ausge-wertet wird. Diese Methode funktioniert zu-verlässig und ist kaum anfällig für Störungen.Sie ist außerdem unabhängig von der Artdes Füllmediums.

Partikel und Luftblasen detektieren

Der Ultraschall-Luftblasensensor bietet einezuverlässige Kontrolle des Flüssigkeitstrans-

ports in Schlauchleitungen. Der Sensor er-kennt Luft- und Gasblasen in der Flüssigkeitberührungslos durch die Schlauchwand, undermöglicht so eine kontinuierliche Qualitäts-überwachung.

Die Einsatzmöglichkeiten liegen im medizini-schen, pharmazeutischen und lebensmittel-technischen Bereich. So dienen die Sen sorenzur Überwachung von Dialysemaschinen, In-fusionspumpen oder Transfusionen. Indus-trielle Anwendungen liegen in der Steuer-und Regeltechnik, wie z. B. in der Überwa-chung von Dosier- und Abfüllanlagen.

Beschleunigungs- und Kraftsensoren,Kraftaufnehmer

Das Kernstück des piezoelektrischen Be-schleunigungssensors ist eine Scheibe auspiezoelektrischer Keramik, die mit der seis-mischen Masse verbunden ist. Wird das Ge-samtsystem beschleunigt, so verstärkt dieseMasse die mechanische Deformation der Pie-zoscheibe, und erhöht damit die messbareSpannung. Die Sensoren erfassen Beschleu-nigungen in einem breiten Frequenz- und Dy-namikbereich bei nahezu linearem Verhaltenüber den gesamten Messbereich. Piezoelektrische Kraftsensoren eignen sichzur Messung dynamischer Zug-, Druck undScherkräfte. Sie können sehr steif ausgelegtwerden und können auch hochdynamischeKräfte messen. Typisch ist die sehr hohe Auf-lösung.

Ultraschall-Sensoren: Piezoelemente in der Messtechnik

36Beispiel für eine Stimmgabel zur Füllstandsmessung, OEM-Produkt


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Piezoelektrische Translatoren sind kerami-sche Festkörperaktoren, die elektrische Ener-gie mit theoretisch unbegrenzter Auflösungdirekt in lineare Bewegung umsetzen.

Die Länge des Aktors ändert sich dabei umbis zu 0,15%. Die Aktoren entwickeln gleich-zeitig große statische und dynamischeKräfte.

Ihre besonderen Eigenschaften prädestinie-ren Piezoaktoren für den Einsatz im Halb leiterbereich, in der Optik und der Tele -kommunikation. Auch im Automobilbereich,in der pneumatischen Ventiltechnik undSchwingungsdämpfung oder für Mikropum-pen finden sie Verwendung.

PI Ceramic liefert neben Hunderten vonStandardausführungen auch schnell und zu-verlässig Sonderanfertigungen nach Kun-denwunsch.

Für Anwendungen, die eine hohe Linearitätder Bewegung im geschlossenen Regelkreiserfordern, können die Aktoren mit Positions-sensoren versehen werden.

Piezosysteme mit hoher Kraft -entwicklung: PICA

PICA-Hochlast-Piezoaktoren werden aus Piezokeramik-Scheiben in Stapelbauweisegefertigt. Die einzelnen Schichten sind dabeiin Presstechnologie hergestellt. Anwendun-gen der Hochlastaktoren finden sich z. B. imMaschinenbau beim Unrunddrehen, in deraktiven Schwingungsdämpfung oder beiSchaltanwendungen. Viele Modifikationen sind möglich:

� Materialien

� Schichthöhe und damit Spannungsbereich

� Abmessungen und Grund form

� Krafterzeugung bzw. Belastbarkeit

� Form und Material der Endstücke

� Verringerte Längentoleranzen

� Integrierte piezoelektrische Sensorscheiben

� Erweiterter Temperaturbereich

� Vakuumkompatible und unmagnetischeVersionen

Piezoelektrische Aktoren

Piezoaktoren von PI Ceramic� Bewegung mit Sub-Nanometer-Auflösung

� Große Kräfte bis80.000 N, hohe Belastbarkeit bis zu 100 MPa

� Ansprechzeit im Mikrosekunden-Bereich

� Spiel- und reibungs-frei

� Minimale Leistungs-aufnahme beim Halten der Position

� Verschleißfrei

� Hohe Zuverlässigkeit (> 109 Schaltzyklen)

� Vakuum- und rein-raumkompatibel

� Betrieb bei kryogenenTemperaturen mög-lich

� Magnetische Felderhaben keinen Einflussund werden auchselbst nicht beein-flusst

Weitere Informationenauf www.piceramic.de

Auswahl von Piezostapelaktoren



Zuverlässige Piezoaktoren mit niedrigerBetriebsspannung: PICMA®

PICMA® Multilayer-Aktoren sind in Folien-technik aufgebaut und werden anschließendim Multilayer-Cofiring-Verfahren gesintert.Die spezielle PICMA® PZT-Keramik und -Fer-tigungstechnik kombiniert Eigenschaften wieSteifigkeit, Kapazität, Auslenkung, Tempera-turstabilität und Lebensdauer ideal. Die typische Betriebsspannung der PICMA®Mul-tilayer-Aktoren beträgt 100–120 V.PICMA® Piezoaktoren sind die weltweit ein-zigen Multi layeraktoren mit vollkeramischerIsolation. Diese Technologie schützt diePICMA® Aktoren vor Umwelteinflüssen, ins-besondere Feuchtigkeit, und sorgt für die extrem hohe Zuverlässigkeit und Leistungs -fähigkeit selbst unter harten industriellenEinsatzbedingungen. Die Lebensdauer vonPICMA® Aktoren liegt deutlich über der vonPiezoaktoren mit herkömmlicher Polymer-isolation.

Da PICMA® Piezoaktoren keine zusätzlichePolymerisolation benötigen und bis 150 °Cbetrieben werden können, bieten sie opti-male Voraussetzungen für den Einsatz imHochvakuum. Sie arbeiten bis in den kryo-genen Temperaturbereich, dann bei redu-ziertem Stellweg.

Viele Applikationsbereiche profitieren vondieser Zuverlässigkeit: Präzisionsmechanikund -fertigung ebenso wie Schalter undpneumatische oder hydraulische Ventile.

Weitere Anwendungen finden sich im Be-reich der aktiven Schwingungsdämpfung, in der Nanotechnologie, Messtechnik, Optikund Interferometrie.

Vorgespannte Aktoren – Hebel –Nanopositionierung

PICMA® Piezoaktoren von PI Ceramic sinddas Kernstück für Nanopositioniersystemevon Physik Instrumente (PI). Sie werden inverschiedenen Stufen der Integration ange-boten: als einfache Aktoren optional mit Po-sitionssensor versehen, im Gehäuse mitoder ohne Vorspannung, mit Hebelüberset-zung für einen vergrößerten Stellweg, bishin zum Hochleistungs-Nanopositioniersys-tem, in dem Piezoaktoren bis zu sechs Ach-sen über verschleiß- und reibungsfreieFestkörpergelenke antreiben.

Allen gemeinsam ist die Bewegungs -auflösung im Nanometerbereich und dielange Lebensdauer und außergewöhnlicheZuverlässigkeit. Die Kombination derPICMA® Aktoren mit Festkörperführungenund Präzisionsmesssystemen ergibt Gerätezur Nanopositionierung in der höchsten Per-formanceklasse.

Die Anwendungsbereiche reichen von derHalbleitertechnik, Messtechnik, Mikroskopie,Photonik, bis hin zu Biotechnologie, Raum-fahrt, Astronomie und kryogenen Umge-bungen.

38

Piezo-Nanopositioniersystem mit Parallelkinematik und Positions-sensoren

Piezoelektrische PICMA® Aktoren

Hebelübersetztes System

Piezoelektrische Aktoren


39

Wenn ein mechanisches System aus demGleichgewicht gebracht wird, kann es zuSchwingungen kommen. Bei Anlagen, Ma-schinen und empfindlichen Geräten wirkendiese funktionsstörend und beeinflussensomit die Qualität der Produkte. So lange zu warten, bis Umgebungseinflüsse dieSchwingung dämpfen und zum Stillstandbringen, ist in vielen Anwendungen nichtmöglich; zudem überlagern sich meist meh-rere Störungen zeitlich und ergeben einmehr oder weniger konfuses Schwingungs-bild mit unterschiedlichsten Frequenzen.

Hier ist es notwendig, die Schwingungen zuisolieren, um das Objekt von seiner Umge-bung dynamisch zu entkoppeln und damitdie Übertragung von Erschütterungen undvon Körperschall zu verringern. Dadurchsteigt die Präzision bei Mess- oder Ferti-gungsabläufen und die Einschwingzeiten re-duzieren sich erheblich, wodurch höhereDurchsatzraten realisierbar sind. Piezoelek-trische Bauelemente können Schwingungenbesonders im unteren Frequenzbereich ent-weder aktiv oder passiv dämpfen.

Passive Schwingungsisolierung

Elastische Materialien nehmen die Schwin-gungen auf und mindern sie. Hierfür könnenauch Piezoelemente eingesetzt werden: Sienehmen die mechanische Energie der Struk-turschwingungen auf und wandeln siegleichzeitig in elektrische Energie um. An-schließend wird diese z. B. über parallelge-schaltete elektrische Widerstände in Wärmeumgewandelt.Passive Elemente werden möglichst naheam zu entkoppelnden Objekt angebracht.

Die zur Schwingungsisolation üblichen pas-siven Verfahren reichen allerdings für vieleder heutigen Technologien nicht mehr aus.

Bewegungen und Stöße durch Trittschall,Lüfter, Kühlsysteme, Motoren, Bearbei-tungsvorgänge etc. können z. B. bei der Mikrobearbeitung Muster so verfälschen,dass das Ergebnis unbrauchbar wird.

Aktive Schwingungsisolierung

Hier kompensieren oder minimieren Gegen-bewegungen die störenden Schwingungen,und dies möglichst nahe an der Quelle. Dazumüssen in einem geeigneten Regelkreis zu-nächst die Strukturschwingungen erfasstund anschließend die Gegenbewegungenaktiv erzeugt werden.

Adaptive Materialien, wie piezokeramischePlatten oder Scheiben, können sowohl Sen-sor- als auch Aktorfunktionen übernehmen.Der Frequenzbereich und die zu dämpfendeMasse entscheiden über die Auswahl der ge-eigneten Piezoaktoren. Dafür sind außerdemeine externe Spannungsquelle und pas-sende Steuerungselektronik erforderlich.

Mehrschichtige Keramikaufbauten ermögli-chen höhere Effizienz. Beispielsweise können auch mehrlagige piezoelektrischeAktoren, wie die PICMA® Multilayer Transla-toren, überall dort eingesetzt werden, wogenau dosierte Wechselkräfte auf Struktureneinwirken sollen.

Die Anwendungsbereiche liegen vor allemim Bereich der Luft- und Raumfahrt, wo z. B.Treibstoff eingespart werden soll, oder dieSchwingungen von Gitteraufbauten für An-tennen gedämpft werden sollen. Im Fahr-zeugbau, sei es Automobil- oder Schiffsbau,ist eines der Ziele, die Geräusche im Innen-raum zu minimieren. In zunehmendem Maßwerden auch z. B. die Vibrationen rotieren-der Antriebe im Maschinenbau isoliert undaktiv unterdrückt.

Schwingungsdämpfung


Industrielle Anwendungen der Zukunft

Für die moderne Industrie nimmt die Ent-wicklung selbstanpassender, adaptiver Sys-teme zunehmend größeren Raum ein.Immer wichtiger werden dabei intelligenteWerkstoffe, so genannte „Smart Materials“,die sowohl sensorische als auch aktorischeEigenschaften besitzen. Sie stellen geän-derte Umfeldbedingungen wie zum Beispiel

Stoß-, Druck- oder Biegebeanspruchungenfest und reagieren darauf.

Piezokeramiken gehören zu diesen adapti-ven Werkstoffen. Eine kompakte Lösung bieten die piezoelektrischen DuraAct Flä-chenwandler. Grundlage ist eine dünne pie-zokeramische Folie, die mit elektrischleitendem Material zur elektrischen Kontak-tierung bedeckt und anschließend in einenduktilen Polymerverbundstoff eingebettetwird. Die an sich spröde Piezokeramik wirddadurch mechanisch vorgespannt und elek-trisch isoliert und ist so robust, dass siesogar auf gekrümmten Oberflächen mit Bie-geradien von einigen Millimetern aufge-bracht werden kann.

Die Wandler werden einfach auf das ent-sprechende Substrat aufgeklebt oder bereitsbeim Herstellungsprozess in eine Struktur in-tegriert, wo sie Vibrationen oder Konturver-formungen im Bauteil selbst erkennen odererzeugen. Die Größe der Konturänderung istdabei stark von den Substrateigenschaftenabhängig und reicht vom Nanometer- bis inden Millimeterbereich.

Auch bei hoher dynamischer Belastung stelltdie Bauweise eine hohe Schadenstoleranz,Zuverlässigkeit und Lebensdauer von über109 Zyklen sicher. Verschleiß und Störanfäl-ligkeit sind sehr gering, da die Wandler alsFestkörperaktoren keine beweglichen Teileenthalten.

Adaptronik

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U U

F F

Eine Verformung des Substrats bewirkt ein elektri-sches Signal. Damit kann der DuraAct Wandlerpräzise und hochdynamisch Deformationen fest-stellen.

Um auf Batterien und den damit verbunde-nen Service-Aufwand zu verzichten, gibt esdie Möglichkeit, Energie aus der Umgebungzu nutzen. Piezoelemente wandeln die kine-tische Energie aus Schwingungen oder Er-schütterungen in elektrische Energie.Auch hier können die robusten und kompak-ten DuraAct Wandler eingesetzt werden. Ver-

formungen des Substrats verursachen eineDeformation der DuraAct Flächenwandlerund erzeugen damit ein elektrisches Signal.Eine entsprechende Wandler- und Speicher-elektronik kann damit beispielsweise Überwachungssysteme, die an schwer zu-gänglichen Stellen angebracht sind, dezen-tral versorgen

Energie aus Vibration – Energy Harvesting

Der DuraAct Flächenwandler kontrahiert beim An-legen einer elektrischen Spannung. Aufgebrachtauf ein Substrat arbeitet er hier als Biegeelement.

U U

F F


41

Ultraschallanwendungen in der Materialbe-arbeitung sind vor allem durch die hoheLeistungsdichte gekennzeichnet. Die An-wendungen finden typischerweise im Reso-nanzbetrieb statt, um eine möglichst hohemechanische Leistung bei kleiner Anre-gungsamplitude zu erhalten.

Besonders geeignet für diese Leistungs-schallanwendungen sind die ferroelektrisch„harten“ PZT-Materialien. Sie zeigen nurniedrige dielektrische Verluste selbst beiDauereinsatz, und damit einhergehend nureine geringe Eigenerwärmung.

Bei den hohen mechanischen Belastungenund Betriebsfeldstärken kommen ihre typi-schen piezoelektrischen Eigenschaften be-sonders zum Tragen: moderate Permittivität,große piezoelektrische Kopplungsfaktoren,hohe mechanische Güten und sehr gute Sta-bilität.

Ultraschall verbindet: Fügeverfahren

Unterschiedliche Materialien, wie thermo-plastische Kunststoffe und metallische Werk-stoffe wie Aluminium, Kupfer und derenLegierungen miteinander zu verbinden, ge-

lingt mit Ultraschall-Fügeverfahren. Nachdiesem Prinzip arbeiten z.B. Drahtbonder inder Halbleiterindustrie und Ultraschall–Schweißsysteme.

Die Ultraschallenergie wird vorwiegend übermechanisch verspannte Piezo-Ringscheibengeneriert, über eine sogenannte Sonotrodeverstärkt und der Fügestelle zugeführt. DieReibung der Fügepartner erzeugt dann diebenötigte Wärme, um die Werkstoffe im Be-reich der Fügestelle miteinander zu ver-schmelzen (verschweißen).

Formgebung durch spanende Verfahren

Neben den Schweißprozessen gewinnt dieUltraschall-Materialbearbeitung harter mine -ralischer oder kristalliner Werkstoffe wie Ke-ramik, Graphit oder Glas, speziell durch Ul -traschall-Bohren und durch spanabheben deVerfahren wie das Schwing-Läppen, im mermehr an Bedeutung. Damit können geo me-trisch komplexe Formen und dreidimensio-nale Konturen erzeugt werden, wobei nurein geringer Anpressdruck nötig ist. Auchhier werden speziell geformte Sonotrodenals Bearbeitungswerkzeug verwendet.

Materialbearbeitung mit Ultraschall

Sonartechnik und HydroakustikSysteme der Sonartechnik (engl.: sonar =sound navigation and ranging) und der Hy-droakustik werden für Mess- und Ortungs-aufgaben speziell im maritimen Bereicheingesetzt. Die bisher vorwiegend militärischvorangetriebene Entwicklung hochauflösen-der Sonarsysteme wird in zunehmendemMaße durch zivile Anwendungen ersetzt.Neben den immer noch aktuellen Untersee-boot-Ortungssonaren werden Systeme zum

Beispiel für die Tiefenmessung, für die Ortungvon Fischschwärmen, für die Untergrundre-lief-Vermessung in Flachgewässern oder fürdie Unterwasser-Kommunikation, etc. einge-setzt. Die Palette der eingesetzten Piezokom-ponenten ist vielfältig und reicht von dereinfachen Scheibe oder Platte, über gesta-pelte Wandler bis zu Sonararrays, welcheeine zeilenförmige Ablenkung der Richtcha-rakteristik der Ultraschallwellen ermöglichen.


PI ist Markt- und Technologie führer für Prä-zisions-Positio nier systeme, deren Genauig -keit bis weit unter einen Nano meter reicht.Die nano genaue Steuerung von Bewe gungist der Schlüssel zu Welten, in denen Millio-nen von Transis toren auf einem Quadrat -millimeter integriert werden, Molekülemanipuliert oder Zellen in tausenden Ebenenbetrachtet werden und haarfeine optischeFaserbündel in sechs Freiheitsgraden justiertwerden.

Welten, die wir Nanowelten nennen

Durch kontinuierliche Inno vation und Rein-vestition der Unternehmensgewinne hat PIüber die vergangenen Jahr zehnte seine heu-tige Stellung am Markt erlangt. Eine Po si -tion, die auf langfristige Kun den beziehungenbaut und auf die Freiheit, Ideen in die Wirk-lichkeit umzusetzen.

30 Jahre voraus

Als PI vor über 30 Jahren piezoelektrische Na-nopositio nier technik auf den Markt brachte,

waren die typischen Kunden Wissenschaftlerund Forscher, die sich mit Lasern und Inter -ferometrie beschäftig ten. Nur wenige konn-ten damals vorhersehen, wie sehr dieFort schritte in der Nano stelltechnik ganze In-dustrie zweige beeinflussen würden, z.B. dieHalb leitertechnik oder die Biotechnolo gie.

Selbst Teil bereiche der Werkzeugmaschi -nen-Industrie können heute nicht mehr aufnanometergenaue Positionier systeme verzichten.

Schlüsseltechnologien im Hause

PI’s Strategie ist die vertikale Integration, d.h.alle Schlüssel technologien werden im eige-nen Haus entwickelt und ge pflegt. Dadurchkann jeder Schritt von der Designphase biszur Auslieferung kontrolliert werden: Präzisi-onsmechanik, Digital- und Analogelektronik,sub-nanometergenaue kapazitive Positions-sensoren, Piezo keramik und -Aktoren. Diesgewährleistet höchste Qualität bei geringenKosten.

PI: Piezotechnologie und Precision Motion Control

PRÄZ IS IONSPOS IT ION IERUNG FÜR INDUSTR IE UND FORSCHUNG

Lösungen für High-Tech-MärktePI entwickelt und fertigtPräzisions-Positionier-systeme für alle wichtigenHigh-Tech-Märkte:

� Halbleitertechnologie

� Optische Messtechnik,Mikroskopie

� Biotechnologie undMedizingerätetechnik

� Präzisionsautomati -sierung und Handling

� Präzisionsfertigungs -technik

� Datenspeichertechnik

� Photonik, Telekommu-nikation

� Nanotechnologie

� Mikrosystemtechnik

� Luft- und Raumfahrt -technik

� Astronomie

B. Jaffe, W. Cook und H. JaffePiezoelectric CeramicsCopyright 1971 by Academic Press Ltd.

Setter, N. (Hrsg.):Piezoelectric materials in devices EPFL, Lausanne, 2002, www.electroceramics.ch, ISBN: 2-9700346-0-3

A. Bauer, D. Bühling, H.-J. Gesemann G. Helke, W. Schreckenbach Technologie und Anwendung von FerroelektrikaAkademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig Leipzig 1976

K. Ruschmeyer, u. a.Piezokeramik - Grundlagen, Werkstoffe, Applikationen Renningen, Expert Verlag, 1995.

G. GautschiPiezoelectric SensoricsSpringer-Verlag Berlin Heidelberg, 2001

T. IkedaFundamentals of piezoelectricityOxford, Oxford University Press, 1990

P. PertschDas Großsignalverhalten elektro-mechanischer FestkörperaktorenIlmenau, ISLE-Verlag, 2003

Heywang, W.; Lubitz, K.; Wersing, W. (Hrsg.):Piezoelectricity – evolution and future of a technologySpringer-Verlag, Berlin, 2008

Safari, A.; Akdogan, E. K. (Hrsg.):Piezoelectric and acoustic materials for transducer applicationsSpringer Science + Business Media, New York, 2008

Standards /RichtlinienEuropäische Norm EN 50324, IEC 60483 und IEC 60302, DOD-STD-1376(A),ROHS 2002/95/EG

Literatur

http://www.electroceramics.ch

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DEUTSCHLAND

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