SUCCESS STORY – Ultraschall-Piezoelemente kennen unzählige Anwendungen-- Frank Möller --Ultraschall-Piezoelemente kennen unzählige Anwendungen
Vom Sonar bis zum Schweißgerät

PI Ceramic GmbH, Lindenstraße, D-07589 Lederhose
Tel. +49 36604 882-0, Fax +49 36604 882-4109,E-Mail info@piceramic.de

Seite 1 von 5

SUCCESS STORY – Ultraschall-Piezoelemente kennen unzählige Anwendungen-- Frank Möller --Als Ultraschall bezeichnet man Schall mit Frequenzen
oberhalb des menschlichen Hörfrequenzbereichs, also ab
etwa 16 kHz. Medizintechnik aber auch Industrie undForschung nutzen diesen Frequenzbereich in vielerlei
Hinsicht. Das Spektrum medizintechnischer Anwendungenreicht vom Pumpen und Dosieren bis hin zur Diagnostik undTherapie.
ZumErzeugen
undDetektieren
derUltraschallwellen bieten piezoelektrische Keramiken beste
Voraussetzungen. Sie lassen sich praktisch in beliebigen
Formen preisgünstig fertigen und bieten so für die
unterschiedlichen
Anwendungenmaßgeschneiderte
Lösungen.
Piezoelektrische Materialien können bei Krafteinwirkung eineelektrische Spannung erzeugen (Piezoeffekt) oder unter dem
Einfluss eines elektrischen Feldes ihre Abmessungenverändern (inverser Piezoeffekt). Sie wandeln mechanische inelektrische Energie um und umgekehrt, man spricht hier auchvon piezoelektrischen Wandlern oder Transducern. Während
sich der direkte Piezoeffekt für sensorische Anwendungennutzen lässt, bietet sich der inverse Piezoeffekt für dieRealisierung von Aktoren an. Die Bewegung beruht dabei
ausschließlich auf Festkörpereffekten, d. h., sie ist reibungsund verschleißfrei. Piezos erzeugen außerdem keine
Magnetfelder und werden auch nicht von solchen beeinflusst.

Flexibilität bei den Bauformen
Bei Piezokomponenten sind neben der auf die jeweilige
Applikation bezogene Materialauswahl, unterschiedliche
geometrische Varianten und Resonanzfrequenzen realisierbar(Abb. 1), Bauelemente wie Dickenschwinger in Scheiben- bzw.
Plattenform,
Piezo-Ringscheiben,
PiezorohreundScherelemente mit Standardabmessungen können auf Basisvorrätiger Halbzeuge sehr kurzfristig geliefert werden.
Über die Standardabmessungen hinausgehende Geometriensind auf Anfrage ebenfalls erhältlich. Außerdem sorgt
PI Ceramic für die Integration in das endgültige Produkt. Dazu
gehören sowohl die elektrische Kontaktierung der Elemente
nach Kundenvorgaben als auch die Montage in bereitgestellte
Bauelemente, das Verkleben oder der Verguss derUltraschallwandler.
FürDurchfluss-,Füllstandund
KraftoderBeschleunigungsmessung
werdenkundenspezifischeSensorkomponenten hergestellt, die sich einfach in die
jeweilige Applikation integrieren lassen.

Frequenzen und Amplituden
Das Erzeugen und Detektieren von Ultraschall ist die
klassische Piezo-Anwendung, denn beim Anlegen einer
Wechselspannung beginnt das Piezoelement zu schwingen.
Die kurzen Ansprechzeiten und die hohe Dynamik dieser
Bewegung kommen der Ultraschallerzeugung natürlich
ebenfalls entgegen. Die Piezoelemente von PI Ceramicarbeiten mit Frequenzen von bis zu 20 MHz und eignen sichdamit für eine Vielzahl von Ultraschallanwendungen. Diese
lassen sich grob klassifizieren in zumeist sensorische
Anwendungen für Frequenzen bis 20 MHz und LeistungsUltraschall, bei dem die Energiedichten höher sind.

Abb. 1Bei Piezoelementen sind unterschiedliche Varianten realisierbar,
die die Anpassung an die jeweilige Anwendung ermöglichen: z. B.
Rohre, Scheiben, Bieger, Scherelemente oder Translatoren

Dadurch verrichten die Piezoelemente dann beachtlichemechanische Arbeit, z. B. bei der Nierensteinzertrümmerung
und Zahnsteinentfernung, für Reinigungsbäder aber auchbeim industriellen Schweißen oder Bonden. Die typischenFrequenzen des Leistungs-Ultraschalls liegen dabei zwischen
20 und 800 kHz.

PI Ceramic GmbH, Lindenstraße, D-07589 Lederhose
Tel. +49 36604 882-0, Fax +49 36604 882-4109,E-Mail info@piceramic.deSeite 2 von 5

SUCCESS STORY – Ultraschall-Piezoelemente kennen unzählige Anwendungen-- Frank Möller --Anwendungsbeispiele aus derPraxis
Die Anwendungsgebiete piezokeramischer Bauelemente sindbreit gefächert. Die Ultraschall-Laufzeitmessung nutzt dabei
sowohl den direkten als auch den inversen Piezoeffekt. Ein
typischer Anwendungsfall für die Laufzeitmessung ist dieMessung von Füllständen.
Der Piezowandler arbeitet als Sender und Empfänger. Er
sendet einen Ultraschallimpuls aus, der vom Füllmedium
reflektiert wird. Die benötigte Laufzeit ist ein Maß für den
zurückgelegten Weg im leeren Behälterteil. Bei derDurchflussmessung basiert auf der Laufzeitdifferenz bei
wechselseitigem
SendenundEmpfangen
vonUltraschallimpulsen in und gegen die Strömungsrichtung(Abb. 2). Dabei werden zwei Piezowandler, die sowohl alsSender als auch als Empfänger arbeiten, in einer Schallstreckeschräg zur Strömungsrichtung angeordnet.
Arbeitet man nach dem Prinzip des Doppler-Effekts, wird die
Phasen- bzw. Frequenzverschiebung der von den
Flüssigkeitspartikeln
gestreutenbzw.
reflektierten
Ultraschallwellen ausgewertet. Die Frequenzverschiebungzwischen abgestrahlter und am gleichen Piezowandler
empfangener, reflektierter Wellenfront ist proportional zur
Strömungsgeschwindigkeit. Auf ähnliche Weise lassen sichviele andere Aufgabenstellungen effektiv lösen, z. B.
Objekterkennungen oder hochauflösende Materialprüfungen.

Abb. 2

Die Dosiermengen reichen vom Mikro- und Nano- bis in den
Picoliterbereich. Dabei überzeugen die piezobasierten
Mikrodosiersysteme durch ihre minimalen Abmessungen,ihren geringen Energieverbrauch und niedrige Kosten.
Ähnliches gilt für Geräte zur Aerosolerzeugung (Abb. 3), bei
denen
ein
Piezo-Element
eine
Membranzu
Ultraschallschwingungen anregt. Die Frequenz beträgt ca.
35 kHz. Durch die daraus resultierenden Druckänderungen an
der Membran wird das Fluid durch Löcher in der Membran
gepresst und so zerstäubt.

Abb. 3

Der Piezoring ist direkt mit dem Metallring der Membran
verklebt. Beim Anlegen der Wechselspannung schwingt das
Piezoelement mit einer Frequenz von ca. 35 kHz (Pari Pharma/PI)

Weitere interessante Anwendungsgebiete liegen im Bereichdes Leistungs-Ultraschalls. Im industriellen Umfeld gelten das
Ultraschallschweißen vornehmlich von Kunststoffen und das
Bonden von Drähten in der Chipfertigung als preisgünstige,effiziente Lösung. Eine andere industrielle Anwendung ist die
Ultraschallreinigung, auch in der Mikrosystemtechnik undHalbleiterfertigung (Abb. 4).

Die Laufzeitmessung basiert auf dem wechselseitigen Senden
und Empfangen von Ultraschallimpulsen in und gegen die
Strömungsrichtung

Auch aus der Medizintechnik lassen sich die Piezoelemente
nicht mehr wegdenken. Neben Laufzeitmessungen wie in der
Luftblasendetektion finden sich typische Anwendungen beim
Pumpen und Dosieren.

PI Ceramic GmbH, Lindenstraße, D-07589 Lederhose
Tel. +49 36604 882-0, Fax +49 36604 882-4109,E-Mail info@piceramic.deAbb. 4

Hochfrequente Ultraschall-Reinigungssysteme bieten eine
wirkungsvolle Unterstützung bei Reinigungs-, Ätz- undEntwicklungsprozessen (Sonosys Ultraschallsysteme GmbH)

Seite 3 von 5

SUCCESS STORY – Ultraschall-Piezoelemente kennen unzählige Anwendungen-- Frank Möller --Ultraschallgetriebene
Werkzeugeermöglichen
heuteminimalinvasive Operationstechniken ebenso wie dieZahnsteinentfernung (Abb. 5). Mit hochenergetischen
Stoßwellen lassen sich Nierensteine zertrümmern.

Abb. 5

Werkzeug für die Zahnsteinentfernung mit Ultraschall (OEMProdukt). Die Piezoscheiben sind deutlich erkennbar (Bild: PI)

Die so gewonnene elektrische Energie setzt der Transducer inmechanische Schallschwingungen um, bringt also die ihnumgebende Flüssigkeit zum Schwingen. Jede Schwingung
bewirkt in der Flüssigkeit abwechselnd eine Überdruck- undeine Unterdruckphase, je nachdem ob sich der Transducer
ausdehnt oder zusammenzieht.
Während der Unterdruckphase entstehen in der Flüssigkeit
infolge ihrer begrenzten Zugfestigkeit kleine Hohlräume, diein der Überdruckphase wieder zusammenfallen. Dieses
Implodieren der so genannten Kavitationsblasen löst an den
Flächen zwischen Flüssigkeit und Reinigungsgut dieSchmutzpartikel.

Ultraschallreinigung in der
Mikrosystemtechnik undHalbleiterfertigung
Kleinste Strukturen nicht zu zerstören ist eine
Herausforderung für Reinigungssysteme, die auf Mikroebene
arbeiten. Ultraschall-Systeme, die mit Arbeitsfrequenzen
zwischen 700 kHz und 3 MHz arbeiten, bieten hierfür die
besten Voraussetzungen (Abb. 6).
Mit ihnen lassen sich Schmutzpartikel im Nanometerbereich
zuverlässig entfernen, ohne dass die empfindlichen
Oberflächen durch zu hohen Druck oder hohe Temperaturenbeschädigt werden. Dabei ist die prinzipielle Funktionsweiseeinfach zu verstehen:
Das Ultraschallsystem besteht grundsätzlich aus drei
Komponenten: dem elektronischen Ultraschall-Generator,
demUltraschall-Schwinger/Transducer,
also
einem
Piezoelement, und einer der Reinigungsaufgabe angepassten
Flüssigkeit. Der Ultraschallgenerator wandelt die vom Netz
gelieferte Wechselspannung von 50 beziehungsweise
60 Hertz (Hz) in eine Frequenz, die der Betriebsfrequenz desTransducers entspricht.

PI Ceramic GmbH, Lindenstraße, D-07589 Lederhose
Tel. +49 36604 882-0, Fax +49 36604 882-4109,E-Mail info@piceramic.de

Abb. 6Prinzip
derMegasonic-Reinigung
Ultraschallsysteme GmbH)(Bild:Sonosys

Seite 4 von 5

SUCCESS STORY – Ultraschall-Piezoelemente kennen unzählige Anwendungen-- Frank Möller --AutorDipl.-Physiker Frank Möller, Vertrieb bei PI CeramicÜber PI Ceramic
PI Ceramic gilt als weltweit führendes Unternehmen auf demGebiet aktorischer und sensorischer Piezoprodukte. GroßeErfahrung
imkomplexen
Entwicklungsund
Herstellungsprozess funktionskeramischer Bauelemente
verbunden
mitmodernster
Produktionsausstattung
gewährleisten hohe Qualität, Flexibilität und Liefertreue.
PrototypenundKleinserienkundenspezifischerPiezobaugruppen
stehenbereits
nachkurzen
Bearbeitungszeiten zur Verfügung. PI Ceramic besitzt darüber
hinaus die Kapazitäten für die Herstellung mittlerer undgroßer Serien in automatisierten Linien. PI Ceramic ist ein
Tochterunternehmen der Physik Instrumente (PI) GmbH & Co.
KG und hat seinen Sitz in Lederhose, Thüringen.

PI Ceramic GmbH in Lederhose, Thüringen

PI Ceramic GmbH, Lindenstraße, D-07589 Lederhose
Tel. +49 36604 882-0, Fax +49 36604 882-4109,E-Mail info@piceramic.deSeite 5 von 5