SUCCESS STORY – Piezoelektrische Multitalente-- Birgit Schulze --Piezoelektrische MultitalenteSensor, Aktor oder beides?

PI Ceramic GmbH, Lindenstraße, D-07589 Lederhose
Tel. +49 36604 882-0, Fax +49 36604 882-4109,E-Mail info@piceramic.deSeite 1 von 5

SUCCESS STORY – Piezoelektrische Multitalente-- Birgit Schulze --Der Piezoeffekt

Aufbau und Funktionsprinzip

Bereits Ende des 19. Jahrhunderts entdeckten Jacques undPierre Curie, dass mechanischer Druck in Quarzkristallen
elektrische Ladungen erzeugt. Sie nannten dieses Phänomen„Piezoeffekt“ nach dem griechischen Wort „Piezo“ für„Druck“ oder „Pressen“. Später stellten sie fest, dasselektrische Felder piezoelektrische Materialien verformen
können. Man bezeichnet dies als den „inversen Piezoeffekt“.

Die Flächenwandler basieren auf einer patentierten
Entwicklung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt(DLR). Sie werden in Braunschweig bei der INVENT GmbHgefertigt; die verwendeten Piezokeramiken liefert PI Ceramic.
Für den exklusiven Vertrieb ist ebenfalls die PI Ceramic mit
Sitz in Lederhose zuständig.

WährendsichderdirektePiezoeffekt
fürSensorikanwendungen nutzen lässt, bietet sich der inverse
Piezoeffekt für die Realisierung von Aktoren an. Aus
piezoelektrischen Materialien lassen sich dadurch – in derrichtigen Kombination – sehr vielseitige Elemente kreieren.

Trotz seiner Vielseitigkeit sind Aufbau und prinzipielle
Funktion des piezoelektrischen Flächenwandlers einfach zu
verstehen (Abb. 2).

Mit dem DuraAct Flächenwandler (Abb. 1) ist ein sehrvielseitig einsetzbares piezoelektrisches Element auf demMarkt, das sich sowohl im industriellen Bereich als auch in
Forschung- und Entwicklung ein breites Anwendungsfeld
erschließen wird. Das kompakte Multitalent lässt sich sowohl
als Sensor als auch als Aktor einsetzen, man kann es zur
Energieerzeugung nutzen oder als selbstanpassendes,
adaptronisches System verwenden (s. Adaptronik: Junge
Technologie mit glänzenden Aussichten auf S. 5).

Abb. 2

Schematische Darstellung des Aufbaus eines piezoelektrischen
Flächenwandlers

Grundlage der kompakten Wandler ist eine piezokeramischeFolie, die zur elektrischen Kontaktierung beidseitig mit einem
leitfähigen Material bedeckt wird. Anschließend wird dieser
Aufbau in einem biegsamen (duktilen) Polymerverbundstoff
eingebettet. Dadurch erreicht man gleich dreierlei: Die
Piezokeramik wird elektrisch isoliert, mechanisch vorgespannt
und der an sich spröde Werkstoff wird so robust, dass er
sogar auf gekrümmten Oberflächen mit Biegeradien bis zu
12 mm aufgebracht werden kann (Abb. 3).

Abb. 1

Sensor, Aktor oder beides: piezoelektrische Multitalente

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Man klebt die Wandler dazu einfach auf dem entsprechenden
Substrat auf oder integriert sie direkt in den
Verbundwerkstoff
desSubstrats.
KundenspezifischeGeometrien des Flächenwandlers lassen sich bei diesem
Aufbau ebenso realisieren wie perfekt auf den jeweils
benötigten Biegeradius abgestimmte Form und Dicke derKeramik.

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SUCCESS STORY – Piezoelektrische Multitalente-- Birgit Schulze --Das Gleiche gilt – in Abhängigkeit von der Einsatztemperatur– für die Beschaffenheit der Keramik sowie die Gestaltung derelektrischen Anschlüsse.

Auch eine hohe dynamische Belastung verkraftet derFlächenwandler problemlos. Da die Funktion der Wandler auf
kristallinen Festkörpereffekten beruht, sie also keine
beweglichen Teile enthalten, sind Verschleiß undStöranfälligkeit sehr gering. Seine Lebenserwartung liegt beiüber 10 Milliarden Zyklen, er gilt somit als dauerfest.
Serienmäßig werden von PI Ceramic die DuraAct
Flächenwandler zurzeit in Ausführungen mit Keramikdicken
von 0,1 mm, 0,5 mm und 0,8 mm angeboten. Die maximale
Kontraktion im Betriebsspannungsbereich beträgt 400 µm/m,650 µm/m
bzw.
800 µm/m.
Diezulässigen
Umgebungstemperaturen liegen zwischen -20 °C und +120 °C.

Abb. 3Biegeradien bis 20 mm lassen sich mit den Flächenwandlernohne weiteres realisieren

Aktoren nutzen den inversen
Piezoeffekt...
DerelektrischeAufbau
gleichtdabeieinemPlattenkondensator. Die Keramik wirkt als Dielektrikum
zwischen ihren metallisierten Oberflächen, die die Elektroden
darstellen. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung bildet
sich ein elektrisches Feld, dessen Feldlinien senkrecht durch
die Keramik verlaufen. Dies bewirkt eine um 90° zu den
Feldlinien versetzte Kontraktion in der Keramik, d. h. die
Piezokeramik zieht sich gleichmäßig in der Ebene zusammen.
Diese Verformung lässt sich auf Strukturbauteile weiterleiten,
wo sie einseitig aufgebracht eine Biegung der Strukturverursacht (Abb. 4).

Zusammen mit der entsprechenden Steuerelektronik eignen
sich die Flächenwandler durch ihre hohe Bandbreite bis indenKilohertzbereichalshochdynamische,präzise
Stellelemente mit Genauigkeiten im Sub-Mikrometer-Bereich.

…Sensoren den direkten
Umgekehrt werden Deformierungen der Struktur durch den
Wandler in elektrische Ladung umgesetzt, wodurch sich das
Element als Sensor nutzen lässt (Abb. 5). Dabei reagiert diePiezokeramik auf Verformungen oder Änderungen deselektrischen Feldes extrem schnell. Dadurch könnenSchwingungen bis in den Kilohertzbereich gemessen werden.

Die Kraft wird dabei durch Schub flächig übertragen, alsonicht an diskreten Punkten wie bei konventionellen Aktoren.
Massive Krafteinleitungsstellen werden somit überflüssig.

Abb. 4

Die Aktorik macht sich den inversen piezoelektrischen Effekt zu
Nutze. Der Flächenwandler kontrahiert beim Anlegen einer
Spannung. Durch die Aufbringung auf einem Substrat arbeitet
der Piezoaktor hier als Biegewandler

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Die klassische Anwendung des direkten piezoelektrischen Effekts
in der Sensorik: Kleinste Bewegungen des Substrats verursachen
eine Bewegung des Flächenwandlers und erzeugen einelektrisches Signal, das der Auslenkung proportional ist

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SUCCESS STORY – Piezoelektrische Multitalente-- Birgit Schulze --Kombiniert man den Flächenwandler mit einer Regelung,kann man beispielsweise in der Schwingungsdämpfung sehr
gute Ergebnisse erzielen. Das Sensorsignal steuert dann eineexterne Dämpfung.
Die Flächenwandler lassen sich aber auch im Bereich derStrukturüberwachung (Abb. 6) einsetzen (Structural HealthMonitoring). Sie sind zu diesem Zweck direkt in die zuüberwachende Struktur, z. B. ein Maschinenteil oder
Flugzeugflügel, eingebettet und detektieren eventuelle
Beschädigungen.
Abb. 7

Abb. 6Ganze Bauteilbereiche lassen sich überwachen, wenn ein Feldvon Modulen auf der Oberfläche angeordnet ist, von denen ein
Teil aktorisch wirkt, und ein Teil als Sensor diese selbsterzeugten
Schwingungen wieder aufnimmt. Ein Vergleich mit
Referenzsignalen ohne äußere Störungen bringt Erkenntnisseüber den aktuellen Zustand des Bauteils

Energieautarke und adaptive
SystemeEin weiterer interessanter Anwendungsbereich ist das„Energy Harvesting“. Durch die Umsetzung mechanischer
Schwingungen von bis zu einigen Kilohertz in elektrische
Spannung lassen sich Leistungen im Milliwatt-Bereich
erzeugen, mit denen man kleinste elektrische Bauteile
versorgen kann, z. B. Dioden, Sensoren oder Minisender(Abb. 7).

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Die aufgenommene mechanische Energie wird in elektrische
Spannung umgesetzt. Dadurch wird der Flächenwandler zum
Minigenerator, mit dem sich energieautarke Systeme realisieren
lassenDie Flächenwandler fungieren also als Mini-Generatoren. Bei
Strukturüberwachungen beispielsweise lässt sich dadurch mit
vergleichsweise einfachen Mitteln ein „Wireless Health
Monitoring“ realisieren. Der Flächenwandler wird zum einen
als Sensor zur Deformationskontrolle eingesetzt und kannzusätzlich noch einen Sender zur Fernüberwachung derWerkstoffe versorgen. Man hat damit ein energieautarkesÜberwachungs- und Warnsystem. Externe Stromzuführungenoder Batterien sind unnötig.
Beidenbeschriebenen
Anwendungensind
dieFlächenwandler aus einer einzigen piezokeramischen Schichtaufgebaut. Genauso gut lassen sich aber auch mehrlagige
Elemente realisieren, die weitere interessante Möglichkeiten
erschließen: Bei Aktoren lässt sich so beispielsweise bei
gleicher Betriebsspannung die Kraftwirkung steigern.
Kontaktiert man die Schichten getrennt, ist derselbe Wandler
gleichzeitig als Sensor und Aktor nutzbar, es gibt also imGegensatz
zum
einschichtigen
Aufbaukeinerlei
Umschaltzeiten. Kombiniert mit der entsprechenden
Elektronik, entsteht ein adaptives System, das gemessene
Erschütterungen selbsttätig ausgleichen kann.
Passende Regelelektroniken, mit denen sich allebeschriebenen Applikationen realisieren lassen, findet man
imbreiten
Produktprogramm
derFirma
PhysikInstrumente (PI). Dabei sind kundenspezifische Anpassungenjederzeit problemlos möglich.

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SUCCESS STORY – Piezoelektrische Multitalente-- Birgit Schulze --Adaptronik: Junge Technologie mit
glänzenden Aussichten
Der noch jungen Technologie werden glänzende
Zukunftsperspektiven zugesprochen. Mit adaptronischen
Systemen können störende Schwingungen und Geräusche
beseitigt werden, aber auch Brüche in Materialstrukturen
erkannt werden, noch bevor Risse entstehen, z.B. in
Maschinenteilen, Brücken etc.
Intelligente, sich anpassende Werkstoffe, so genann-te„smart materials“, in denen Aktoren und Sensoren integriertsind, eröffnen Konstrukteuren und Produkt-entwicklern neue
Möglichkeiten der Bauteilgestal-tung. Das Konzept
adaptronischer Werkstoffsysteme orientiert sich amVerhalten biologischer Systeme, die in der Lage sind, auf einesich ändernde Umge-bung intelligent zu reagieren.
Das Spektrum der Anwendungen reicht von der Automobiltechnik über den Maschinen- und Anlagenbau, derMedizintechnik, der Messtechnik bis hin zur Luft- undRaumfahrt. Piezoelektrische Flächenwandler wie der im Text
beschriebene DuraAct finden vor diesem Hintergrund ein
breites Einsatzspektrum.

Fazit
DuraAct Flächenwandler sind sehr vielseitige piezoelektrische
Elemente, die sowohl als Sensoren als auch als Aktoren
eingesetzt werden. Als Aktoren verformen sich die Wandler
beim Anlegen einer Spannung und entwickeln nutzbare
Kräfte.
Umgekehrt setzen sie mechanische Deformation in messbare
elektrische Ladung um und dienen somit als Sensoren. Inbeiden Fällen bestehen die Wandler im Kern aus einerpiezokeramischen Folie, die sich anwendungsspezifischen
Anforderungen, wie Biegeradius, Beschaffenheit der Keramikund Gestaltung der elektrischen Anschlüsse, anpassen lässt.
Auch hoher dynamischer Belastung sind die Flächenwandler
gewachsen und dies bei einer Lebenserwartung von über10 Milliarden Zyklen. Verschleiß und Störanfälligkeit sind sehrgering, da die Funktion der Wandler auf kristallinen
Festkörpereffekten beruht, sie also keine beweglichen Teileenthalten. Neben ihrem Einsatz als Sensoren oder Aktoren
können DuraAct Flächenwandler auch als Mini-Generatoren
dienen. Beim sogenannten „Energy Harvesting“ setzen dieWandler mechanischer Schwingungen in elektrische
Spannung um und ermöglichen damit ein energieautarkesÜberwachungs- und Warnsystem.

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Weitere Informationen zu DuraAct Flächenwandlern finden
Sie unter:
http://www.piceramic.de

Autoren

Dipl.-Phys. Birgit Schulze, Markt & Produkte bei Physik
Instrumente (PI) GmbH & Co. KG
Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro StutenseeÜber PI Ceramic
PI Ceramic gilt als weltweit führendes Unternehmen auf dem
Gebiet aktorischer und sensorischer Piezoprodukte. GroßeErfahrung
imkomplexen
Entwicklungsund
Herstellungsprozess funktionskeramischer Bauelemente
verbunden
mitmodernster
Produktionsausstattung
gewährleisten hohe Qualität, Flexibilität und Liefertreue.
Prototypen
undKleinserienkundenspezifischer
Piezobaugruppen
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 inLederhose, Thüringen.

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