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PIEZOELEKTRIZITÄT

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Die Piezoelektrizität (auch piezoelektrischer Effekt oder Piezoeffekt) beschreibt die Erzeugung einer elektrischen Polarisation bei Festkörpern, wenn sie elastisch verformt werden (direkter Piezoeffekt). Umgekehrt verformen sich Materialien bei Anlegen einer elektrischen Spannung (inverser Piezoeffekt).

Der direkte Piezoeffekt wurde im Jahre 1880 von den Brüdern Jacques und Pierre Curie entdeckt. Bei Versuchen mit Turmalinkristallen fanden sie heraus, dass bei mechanischer Verformung der Kristalle auf der Kristalloberfläche elektrische Ladungen entstehen, deren Menge sich proportional zur Beanspruchung verhält.

Durch mechanischen Druck verlagert sich der positive (Q+) und negative Ladungsschwerpunkt (Q–).

Dadurch entsteht ein Dipol, bzw. eine elektrische Spannung am Element.

Makroskopisch konnte der Effekt im Rahmen der Kontinuumsmechanik schon Anfang des 20. Jh. beschrieben werden. Die mikroskopische Beschreibung wurde erst durch ein tiefgehendes Verständnis der diskreten Struktur der kondensierten Materie möglich. Die ersten Anwendungen waren piezoelektrische Ultraschallwandler und bald darauf Schwingquarze für die Frequenzstabilisierung.

1.Prinzip

Durch die gerichtete Verformung eines piezoelektrischen Materials bilden sich mikroskopische Dipole innerhalb der Elementarzellen (Verschiebung der Ladungs-Schwerpunkte). Die Aufsummierung über alle Elementarzellen des Kristalls führt zu einer makroskopisch messbaren elektrischen Spannung. Gerichtete Verformung bedeutet, dass der angelegte Druck nicht von allen Seiten auf die Probe wirkt, sondern beispielsweise nur von gegenüberliegenden Seiten aus.

Umgekehrt kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine Verformung des Kristalls (bzw. des Bauteils aus Piezokeramik) erreicht werden.

Wie auch jeder andere Festkörper, können piezoelektrische Körper mechanische Schwingungen ausführen. Bei Piezoelektrika können diese Schwingungen einerseits elektrisch angeregt werden, bewirken andererseits auch wieder eine elektrische Spannung. Die Frequenz der Schwingung ist nur von der Schallgeschwindigkeit (eine Materialkonstante) und den Abmessungen des piezoelektrischen Körpers abhängig. Dadurch sind piezoelektrische Bauteile auch für Oszillatoren geeignet (z. B. Schwingquarze, siehe Anwendungen).

2.Piezoelektrische Materialien

Der wichtigste piezoelektrische Kristall ist Quarz, genauer gesagt die bis zu 573 °C stabile trigonale Kristallstruktur α-Quarz. Die wichtigste Anwendung sind Schwingquarze.

Lithiumniobat hat gegenüber Quarz höhere piezoelektrische Konstanten und wird für piezoelektrische Filter und SAW-Bauelemente (surface acoustic wave, Akustische Oberflächenwelle) verwendet.

Weitere piezoelektrische Kristalle sind Berlinit, Minerale der Turmalingruppe, Seignettesalz, und alle Ferroelektrika wie Bariumtitanat (BTO) oder Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). BTO und PZT werden jedoch normalerweise nicht als Einkristalle, sondern in polykristalliner Form (Keramiken) verwendet.

Gegenüber piezoelektrischen Kristallen haben piezoelektrische Keramiken wie PZT den Vorteil wesentlich höherer piezoelektrischer Koeffizienten. Vorteile der Kristalle Quarz, Galliumorthophosphat und Lithiumniobat sind höhere Temperaturstabilität, geringere Verluste, eine wesentlich geringere Hysterese und kaum vorhandenes Kriechen (also verzögerte Verformung) nach Änderung der angelegten Spannung.

Als aktive Sensormaterialien werden zunehmend auch piezoelektrische Dünnschichten eingesetzt. Mit Hilfe von Halbleitertechnologien ist es möglich, diese aktiven piezoelektrischen Dünnschichten auf Silizium abzuscheiden. Hierbei handelt es sich meist um Zinkoxid (ZnO) oder Aluminiumnitrid (AlN).

Der Kunststoff Polyvinylidenfluorid (PVDF) lässt sich –
ähnlich wie piezoelektrische Keramiken – polarisieren und ist dann piezoelektrisch. Anwendungen hierfür sind z. B. Hydrophone.

3.Anwendungen

a) Sensorik

Das Auftreten der piezoelektrischen Ladung bei mechanischer Verformung lässt sich für Kraft-, Druck- und Beschleunigungssensoren nutzen, bei denen eine einwirkende mechanische Kraft eine Verformung bewirkt. Die dabei auftretende Ladung kann mit Hilfe eines Ladungsverstärkers in eine messbare elektrische Spannung umgewandelt werden.

Piezoelement zur Wandlung von mechanischem Druck in elektrische Spannung. Piezoelemente eignen sich jedoch primär zur Erfassung dynamischer Prozesse. In statischen Anwendungen sind die Ladungen meist zu gering, um exakt detektiert werden zu können.

In der Musik werden Piezoelemente als Tonabnehmer für akustische Instrumente genutzt, hauptsächlich bei Saiteninstrumenten wie Gitarre, Geige oder Mandoline. Die dynamische Verformung des Instrumentes (Vibration des Klangkörpers) wird in eine geringe Wechselspannung umgewandelt, die dann elektrisch verstärkt wird.

Bei piezoelektrischen Beschleunigungssensoren bzw. -aufnehmern kommt es bei einer mechanischen Deformation (Kompression oder Scherung) durch die Beschleunigung zu einer Ladungstrennung und damit zu einer abgreifbaren Ladung (bzw. Spannung) an den aufgedampften Elektroden.

In einem Piezofeuerzeug wird in einem Piezozünder ein plötzlicher großer Druck (Hammer) verwendet, um eine kurzzeitige hohe elektrische Spannung zu erzeugen. Der Funkenüberschlag zündet dann die Gasflamme.

b) Aktorik

Aus dem piezoelektrischen Quer- und Längseffekt ergeben sich drei verschiedene Grundelemente für piezoelektrische Aktoren: der Dickenschwinger, das Querdehnelement und der Bimorph. Dieser ist eine Kombination aus zwei Querdehnelementen. Eine entgegengesetzte Ansteuerung der Elemente bewirkt hier eine Verbiegung des Aktors, weshalb er eine eigenständige Bezeichnung erhält.

Piezoaktorische Grundelemente

Praktische Anwendungen solcher Aktoren sind z. B. Piezopositionierer, die durch die Verformung eines oder mehrerer Piezoelemente präzise Bewegungen erlauben, Piezolautsprecher erzeugen Schallwellen durch eine tonfrequente Wechselspannung und bei Tintenstrahldruckern (engl. Continuous-Ink-Jet) wird durch die hochfrequente Schwingung eines Piezoelementes die Tinte zerstäubt. Auch Tintendrucker (engl. Drop-on-Demand, z. B. von Epson) arbeiten zum Teil mit piezoelektrischen Aktoren.

Eine weitere wichtige Anwendung für piezoelektrische Aktoren sind Braillezeilen für Blinde. Durch Anlegen einer Spannung an Piezokeramikbauteile werden für den Blinden tastbare Stifte hochgedrückt, womit am PC der Monitortext in tastbare Blindenschriftzeichen umgesetzt werden kann.

Dieseleinspritzsysteme mit piezoelektrischen Aktoren (keramische Vielschichtbauteile mit Edelmetallinnenelektroden) habe die Common-Rail-Technik verbessert und die Einspritzung von Diesel über Ventile teilweise ersetzt. Seit 2005 werden auch beim Pumpe-Düse-System Piezoaktoren eingesetzt. Industrieunternehmen, die derartige Piezoaktoren in großen Stückzahlen fertigen, sind die Firmen Epcos und Bosch.

Da der Piezoeffekt immer auf bestimmte Richtungen des Materials festgelegt ist, müssen für zwei- oder dreidimensionale Bewegungen mehrere Piezo-Elemente so kombiniert werden, dass sie in verschiedene Richtungen wirken.