Piezokeramiken Grundlagen und Anwendungen Hochschule fr Technik und

- Piezokeramiken Grundlagen und Anwendungen © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Dipl. Biol. Lars Haab

Themenübersicht § § Grundlagen des Piezoeffekts § Geschichte der Piezoelektrizität § § Direkter und reziproker Piezoeffekt Domänenbildung Perowskit-Kristallstruktur Hystereseverhalten von Piezokeramiken Herstellung von Piezokeramiken und deren Anwendungen § § Herstellungsverfahren Sensorik Aktorik Ultraschallsysteme © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Dipl. Biol. Lars Haab 2

Grundlagen des Piezo-Effekts Geschichtlicher Überblick Pierre & Jacques Curie 1880: Gerichteter Mechanischer Druck auf einander gegenüber liegenden Außenflächen von Turmalin-Kristallen erzeugt eine dazu proportionale ungleichnamige Oberflächenladung. “ G. Lippmann 1881: Theorie des reziproken piezoelektischen Effekts aufgrund thermodynamischer Überlegungen. “ Gebr. Curie 1881: Experimenteller Nachweis des reziproken piezoelektischen Effekts. © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Dipl. Biol. Lars Haab 3

Grundlagen des Piezo-Effekts F Direkter Piezo-Effekt Eine von außen wirkende Kraft verursacht durch Deformation eine ungleichnamige Oberflächenladung. F Reziproker Piezo-Effekt Ein von außen wirkendes elektrisches Feld verursacht eine Deformation des Kristalls. E © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Dipl. Biol. Lars Haab 4

Grundlagen des Piezo-Effekts Elementare Begriffe: § Ferromagnetismus: Ein kooperatives Phänomen von Festkörpern welches dadurch charakterisiert ist, dass elementare magnetische Momente eine parallele Ordnung aufweisen. Bereiche gleicher Magnetisierung werden als Domänen bezeichnet. § Curie Temperatur: Die Temperatur, bei der ein Festkörper seine ferromagnetische Ordnung verliert wird als Curie-Temperatur Tc bezeichnet. Unterhalb dieser Temperatur erlangt der Ferromagnet seine magnetischen Eigenschaften zurück (spontane Magnetisierung). Oberhalb dieser Temperatur zeigt der Körper nur noch paramagnetisches Verhalten (Magnetisierung durch äußeren Einfluß). © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Dipl. Biol. Lars Haab 5

Grundlagen des Piezo-Effekts Perowskit: § Entdeckt von G. Rose 1839 im Ural, benannt nach dem russischen Mineralogen L. A. Perowski (1792 -1856) § Ca. Ti. O 3 (Calciumtitantrioxid) oft als fälschlicherweise als Calcium titanat bezeichnet (kein Salz der Titansäure) § Aufgrund rhombischer Kristallstruktur Namensgeber für eine Reihe von ternären Mineralien v. a. Industiell bedeutender Ferroelektrika § Struktur: § Kubisch dichteste Kugelpackung von Calcium- und Sauerstoffatomen. Ein Viertel der entstehenden Oktaederlücken sind von kleineren Titanatomen besetzt. © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Dipl. Biol. Lars Haab 6

Grundlagen des Piezo-Effekts Weiß´sche Bezirke (Domänen) Kristallit Weiß´sche Bezirke: Blochwände: • Bereich in dem 2 Weiß P. E. Weiß (1865 -1940) sche Bezirke unterschied • 1907: magnetische Molicher / entgegengesetzter mente auch ohne äußere Magnetisierung aufeinan. Einwirkung in begrenzten der treffen. Bereichen parallel aus • gerichtet. Magnetisierung dreht sich senkrecht zur Wand: • 10 -4 bis 10 -6 cm helikale Rotation. • 106 bis 109 Atome (Magnetisches Streufeld) • Abstände: 100µm / 30 nm Ausrichtung am Kristallgitter orientiert • Durch Gitterfehler, Ein • Von Natur aus bis zur schlüsse und Kongrenzen Sättigung magnetisiert. stabilisiert. Korngrenze Blochwand Domäne © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Dipl. Biol. Lars Haab 7

Grundlagen des Piezo-Effekts Perowskit Kristallstruktur von Bleizirkonattitanat oberhalb der Curie-Temperatur Pb O X (Ti/Zr) T>Tc Kubisches Gitter © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Dipl. Biol. Lars Haab 8

Grundlagen des Piezo-Effekts Perowskit Kristallstruktur von Bleizirkonattitanat unterhalb der Curie-Temperatur: Verlust des Symmetriezentrums Pb O X (Ti/Zr) T<Tc spontane Polarisation Tetragonales Gitter © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Dipl. Biol. Lars Haab 9

Grundlagen des Piezo-Effekts Hysterese § Andauern einer Wirkung nach Wegfall der Ursache: Verharrungseffekt § Die Polarisierung einer Piezokeramik nimmt mit steigender Feldstärke zu, bis der Sättigungspunkt PS erreicht ist. (Sättigungspolarisation) § Wird die Feldstärke E nun zurück auf 0 gefahren, so senkt sich die Polarisierung nicht wieder auf 0 ab, sondern nur bis zur Remanenzpolarisierung PR. § Um die remanente Polarisierung aufzuheben ist Energie nötig; z. B. ein elektrisches Feld, das dem ursprünglichen entgegengesetzt ist. Die hierfür notwendige Feldstärke wird Koerzitivfeldstärke EC genannt. P PS PR 0 -PR -PS EC 0 E PR max 0, 86 PS © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Dipl. Biol. Lars Haab 10

Grundlagen des Piezo-Effekts Gefügeaufbau einer PZT-Keramik mit Domänen ungepolt Polung spontane Polarisation in Feldrichtung © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Dipl. Biol. Lars Haab E remanente Polarisation remanente Dehnung 11

Grundlagen des Piezo-Effekts Barkhausensprung Diskontinuierliche Polarisierung bei zunehmdener Feldstärke aufgrund des Wachstums der Weiß´schen Bezirke und der damit verbundenen Umlagerung der Blochwände. Ursache für Kriechen / Drift Fremdatom E Blochwand Weiß´scher Bezirk © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Dipl. Biol. Lars Haab E 12

Herstellung von Piezokeramiken Mischen der Oxide Pb. O / Zr. O 2 / Ti. O 2 Trockenmischen Nassmischen Zirkonium Medium + Ethanol Trocknen 80°C / 12 h Kalzinieren (Binder) Granulierung Formgebung durch Pressen Ausglühen und Sintern Feinmahlen Verschlickung © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Dipl. Biol. Lars Haab Foliengießen 1200°C - 1300°C 13

Anwendungen Sensoren Piezo- passive Schicht keramik Vorherrschend im Bereich der Sensorik sind Biegewandler. • Eine Abbiegung des Sensors um x erzeugt eine zur Weglänge x proportionale Änderung der Spannung U. • Die Richtung der Abbiegung ist durch das Vorzeichen der Spannungsänderung d. U feststellbar. U U • Polymorphe Biegewandler enthalten im Allgemeinen kei- ne passive Schicht. Monomorpher und Trimorpher Biegewandler © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Dipl. Biol. Lars Haab 14

Anwendungen Aktoren I. Mikrodosierung Abgabe von geringen Mengen Flüssigkeit z. B. in Tintenstrahldruckern durch Verkleinerung des Voratsvolumens. Möglichkeit der Feindosierung flüssiger Medikamente bei Infusionen. Frequenzen bis zu 23 k. Hz © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Dipl. Biol. Lars Haab 15

Anwendungen Aktoren II. Schallerzeugung • Ausnutzung des reziproken Piezoeffekts. • Keramik beginnt bei angelegter Wechselspannung (Musiksignal) zu schwingen. • Amplitudenverstärkung durch Koppelung an Konusmembran. • Nur als Hochtöner geeignet. • Belastbarkeit in Volt © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Dipl. Biol. Lars Haab 16

Anwendungen Aktoren III. Mikromotoren • Exzentrisch angebrachte Piezokeramik erzeugt hochfrequente Vibrationen im Aluminiumstator (100. 000 Hz) • Bedingt durch die Form des Stators bildet sich am Kontaktpunkt eine elliptische Vorschubbewegung • Geschwindigkeitskontrolle durch Frequenz, Spannungsamplitude und Breite der Pulspakete © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Dipl. Biol. Lars Haab 17

Anwendungen Aktoren IV. Ultraschall Möglichkeit hochfrequente Schwingungen mittels Piezokeramik zu erzeugen ermöglicht diverse Anwendungen: Ultraschallreinigungssysteme • Bildgebende Ultraschallsysteme • Füllstandsmessgeräte • Ultraschallzerstäuber z. B. (Liqui. Fog – J. Schon) © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Dipl. Biol. Lars Haab 18

Betrieb von Aktoren Stapelaktoren erreichen relative Auslenkungen von bis zu 0, 2%, abhängig von der elektrischen Feldstärke E, ihrer Länge L, der auf sie wirkenden Kraft F und den piezoelektrischen Materialeigenschaften. Normwerte: d 33 -Werte von etwa 250 bis 550 pm/V (Dicke) d 31 -Werte von etwa -180 bis -210 pm/V (Breite) © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Dipl. Biol. Lars Haab 19

Betrieb von Aktoren Maximale Kraft, die verfügbar ist um die Piezomasse (und evtl. externe Zusatzmasse) zu beschleunigen. Fmax = Max. Kraft [N] ΔLO = Max. nominale Auslenkung ohne externe Kraft [m] k. T = Aktorsteifigkeit [N/m] f. O = Resonanzfrequenz des unbelasteten Aktors [Hz] k. T = Aktorsteifigkeit [N/m] meff = effektive Masse (ca. 1/3 der Masse der Piezokeramik) [kg] m’eff= effektive Masse + Last © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Dipl. Biol. Lars Haab 20

Betrieb von Aktoren Minimale Auslenkzeit eines Piezoaktors Beim Betrieb weit unterhalb der Resonanzfrequenz verhält sich ein Piezoaktor wie ein Kondensator. Seine Auslenkung ist in erster Näherung proportional zur gespeicherten elektrischen Ladung. Die Kapazität des Aktors hängt dabei von der Fläche und Dicke der Keramik sowie den Materialeigenschaften ab. Bei Piezo. Stapeltranslatoren oder Kontraktoren, die aus mehreren elektrisch parallelgeschalteten Keramikschichten aufgebaut sind, wird die Kapazität auch durch die Anzahl der Schichten bestimmt. © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Dipl. Biol. Lars Haab 21

Betrieb von Aktoren C = Kapazität [Farad; (As/V)] n = Anzahl der Keramikschichten ε 33 T = Dielektrizitätskonstante [As/Vm] A = Elektrodenfläche einer Lage [m²] Kapazität eines Piezoaktors d. S = Abstand zwischen den einzelnen Elektroden (Dicke der Schichten) [m] i = Strom [A] Q = Ladung [Coulomb (As)] C = Kapazität [F] Beziehung von Strom und Spannung am Piezoaktor U = Spannung [V] t = Zeit [s] © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Dipl. Biol. Lars Haab 22

Literatur: § Piezo-Tutorium http: //www. physikinstrumente. de/de/produkte/piezo_tutorium. php § Piezoprodukte – ein kleiner Effekt mit großer Wirkung Andreas J. Schmidt, Argillon Gmb. H, Piezoproducts § Piezoelectric Ceramics Characterization Jordan, NASA Langley Research Center, Hampton, Virginia [09. 2001] T. L. § Piezomotor für eine Spielzeuglok Thomas Graf, Elliptec resonant actuator [04. 2005] § Biegewandler N. N. , Argillon Gmb. H, Piezoproducts [04. 2003] § Wikipedia de. wikipedia. org/wiki/hysterese de. wikipedia. org/wiki/koerzitivfeldstärke de. wikipedia. org/wiki/barkhausen-effekt de. wikipedia. org/wiki/perowskit de. wikipedia. org/wiki/ferromagnetismus de. wikipedia. org/wiki/blochwände de. wikipedia. org/wiki/weißsche-bezirke © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes / Dipl. Biol. Lars Haab 23