Piezokeramische Materialien
und Bauelemente
GRUNDLAGEN, EIGENSCHAFTEN UND ANWENDUNGENWERKSTOFFEKOMPONENTEN

INTEGRATIONPIEZO TECHNOLOGYInhalt

PI Ceramic – Führend in Piezotechnologie .. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. .... ..... ..... 3
Produktübersicht .. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... ... .. ... .. ... .. ... ... ..... ..... . 6
Grundlagen der Piezotechnologie
Piezoeffekt und Piezotechnologie .. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. .... ..... ..... . 8
Elektromechanik .. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... ... .. ... .. ... .. ... ... ..... ..... . 10
Dynamisches Verhalten .. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... ... .. ... .. . ..... ..... .. 12
Piezokeramik – Werkstoffe, Bauelemente, Materialien
Materialeigenschaften und Klassifizierung .. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. .... .. ... .... 14
Weiche und harte Piezokeramiken .. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. .... ..... ..... 14
Bleifreie Werkstoffe und Materialien.. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. .... ..... ... 15Übersicht....... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... ... .. ... .. ... .. ... .. ... ... ..... ..... . 16
Werkstoffdaten .. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... ... .. ... .. ... .. ... .. . ..... ..... .. 18
Temperaturabhängigkeit der Koeffizienten .. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. .... ..... .. ... 20
Fertigungstechnologie
Pressverfahren .. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... ... .. ... .. ... .. ... ... ..... .... 22
Cofiring, Folientechnik, Multilayer .. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. .... ..... ..... 23
Flexibilität in der Formgebung .. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. .... ..... ..... 24
PICMA® Multilayer-Aktoren mit hoher Lebensdauer .. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. .... ..... .... 25
Verbindungstechnik.. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... ... .. ... .. .. .... ..... ... 26
Pieozokeramische Bauelemente: Abmessungen .. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... . ..... ..... .. 27
Prüfverfahren .... ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... ... .. ... .. ... .. ... .. ... ... ..... .... 30
Integrierte Baugruppen, Sub-Assemblies .. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. .... .. ... ..... . 31
Applikationen
Anwendungsbeispiele für Piezokeramiken .. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. .... .. ... .... 32
Pump- und Dosiertechnik mit Piezoantrieben .. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... . ..... ..... .. 33
Ultraschallanwendungen in der Medizintechnik .. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. .... ..... .... 34
Ultraschall-Sensoren .. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... ... .. ... ... ..... ..... . 35
Piezoelektrische Aktoren .. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... ... .. . ..... ..... .. 37
Schwingungsdämpfung.. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... ... .. .. .... ..... ... 39
Adaptronik .... ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... ... .. ... .. ... .. ... .. ... ... ..... .... 40
Energie aus Vibration – Energy Harvesting .. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. .... ..... .. ... 40
Materialbearbeitung mit Ultraschall .. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. .... ..... ... 41
Sonartechnik und Hydroakustik .. .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. .... ..... ... 41
Meilensteine .... ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. . .. .. ... ... .. ... .. ... .. ... .. ... ... ..... ..... 42
Impressum
PI Ceramic GmbH, Lindenstrasse, 07589 Lederhose
Registration: HRB 203.582, Amtsgericht Jena
USt-IdNr.: DE 155932487
Geschäftsführung: Albrecht Otto, Dr. Peter Schittenhelm, Dr. Karl SpannerTel. +49 36604 882-0, Fax +49-36604 882-4109
info@piceramic.de, www.piceramic.de
Die folgenden aufgeführten Firmennamen oder Marken sind eingetragene Warenzeichen der Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG:
PI®, PIC®, PICMA®, PILine®, PIFOC®, PiezoWalk®, NEXACT®, NEXLINE®, PInano®, NanoCube®, Picoactuator®,
Nanoautomation®

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Die folgenden aufgeführten Firmennamen oder Marken sind eingetragene Warenzeichen Ihrer Inhaber:µManager, LabVIEW, Leica, Linux, MATLAB, MetaMorph, Microsoft, National Instruments, Nikon, Olympus,
Windows, Zeiss

WWW.PICERAMIC.DEPI CeramicFÜHREND IN PIEZOTECHNOLOGIEPI Ceramic ist eines der weltweit führenden
Unternehmen auf dem Gebiet aktorischer
und sensorischer Piezoprodukte.

Kernkompetenzen
von PI Ceramic!

PI Ceramic bietet alles rund um die Piezokeramik, vom Werkstoff über Bauelemente bis hin zur fertigen Integration. PI
Ceramic bietet Systemlösungen für Forschung und Industrie in allen High-Tech
Märkten, wie z. B. der Medizintechnik, dem
Maschinen- und Automobilbau, oder der
Halbleitertechnik.

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Materialforschung und Entwicklung

Zertifizierte Qualität

PI Ceramic entwickelt alle piezokeramischen Materialien selbst. Dafür unterhält
PI Ceramic eigene Laboratorien, Prototypenbau sowie Mess- und Prüfeinrichtung.
Zudem arbeitet PI Ceramic im In- und Ausland eng mit den führenden Hochschulen
und Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Piezoelektrizität zusammen.

Bereits seit 1997 ist PI Ceramic nach derNorm ISO 9001 zertifiziert, bei der neben der
Produktqualität vor allem die Erwartungen
und Zufriedenheit des Kunden im Vordergrund stehen. Außerdem ist PI Ceramicnach ISO 14001 (Umweltmanagement) und
OHSAS 18001 (Arbeitssicherheit) zertifiziert,
die zusammen ein Integriertes Management System (IMS) bilden. PI Ceramic ist
ein Tochterunternehmen von Physik Instrumente (PI) und entwickelt und produziert
alle Piezoaktoren für die Nanopositioniersysteme von PI. Auch die Antriebe fürPILine® Piezo-Ultraschallmotoren und NEXLINE® Hochlast-Schreitantriebe stammen
aus dem Hause PI Ceramic.

Flexible Fertigung
Zusätzlich zum breiten Spektrum an Standardprodukten nimmt die schnellstmögliche
Umsetzung kundenspezifischer Anforderungen einen wichtigen Stellenwert ein. Die
Formgebung in Press- und Multilayer-Technologie ist jederzeit kurzfristig möglich.
Dabei können einzelne Prototypen wie auch
große Serien gefertigt werden. Alle Prozessschritte finden im Haus statt und unterliegen
ständigen Kontrollen, wodurch Qualität und
Termintreue gesichert sind.

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Standard-Piezokomponenten für Aktor-,
Ultraschall- und Sensoranwendungen
SystemlösungenFertigung von piezoelektrischen Bauelementen bis zu
mehreren 1.000.000
Stück pro Jahr
Entwicklung kundenspezifischer Lösungen
Hohe Flexibilität imtechnologischen
Prozess, kurze Lieferzeiten, Fertigung vonEinzelstücken und
Kleinstmengen
Alle Schlüsseltechnologien und modernste Ausrüstungenfür die Keramikfertigung im Haus
Zertifiziert nachISO 9001, ISO 14001
und OHSAS 18001

Firmengebäude von PI Ceramic in Lederhose, Thüringen

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PIEZO TECHNOLOGYZuverlässigkeit und Kundennähe
UNSER LEITBILDPI Ceramic bietet
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Piezokeramische
Werkstoffe (PZT)
Piezokeramische
Bauelemente
Kunden- undanwendungsspezifische
Ultraschallwandler /Transducer
PICMA® Monolithische
Multilayer-Piezoaktoren
Miniatur-Piezoaktoren
PICMA® MultilayerBiegeelemente
PICA HochlastPiezoaktoren
PT-Tube Piezorohre
Vorgespannte Aktoren
mit Gehäuse
Piezokomposite –DuraAct
Flächenwandler

Unser Ziel ist die gleichbleibend hohe,geprüfte Qualität sowohl bei unseren Standardprodukten als auch bei kundenspezifischen Bauelementen. Wir möchten, dassSie, unsere Kunden, mit der Leistung unserer Produkte zufrieden sind. Für uns beginnt
Kundenservice mit dem ersten informativen Vorgespräch und reicht weit über die
Auslieferung der Produkte hinaus.

Beratung durch die Piezo-Spezialisten
Sie möchten komplexe Probleme lösen – wirlassen Sie damit nicht allein. Mit unserer
langjährigen Erfahrung bei der Konzeption,
Entwicklung, Konstruktion und Herstellung
von individuellen Lösungen begleiten wir
Sie von der Idee bis zur Serienreife.
Wir nehmen uns die Zeit, die für ein fundiertes Verständnis der Thematik notwendig
ist, und erarbeiten frühzeitig einen umfassenden und optimalen Lösungsweg,
sei es mit bestehenden oder mit neuen
Technologien.

WWW.PICERAMIC.DE

After-Sales Service
Auch nach dem Verkauf stehen unsere Fachleute für Sie bereit und beraten Sie, z. B.
bei Systemerweiterungen oder technischen
Fragen.
Damit erreichen wir als PI Ceramic unser Ziel:
Lang anhaltende Geschäftsbeziehungen undeine vertrauensvolle Kommunikation mit
Kunden und Lieferanten, die wichtiger sindals jeder kurzzeitige Erfolg.

PI Ceramic liefert piezokeramische Lösungen für alle wichtigen High-Tech Märkte:!

Industrieautomation!

Halbleiterindustrie!

Medizintechnik!

Maschinenbau und Feinwerktechnik!

Luft- und Raumfahrt!

Automobilbereich!

Telekommunikation

Erfahrung und Know-how
FERTIGUNGSTECHNOLOGIE AUF NEUESTEM STAND

Der Entwicklungs- und Herstellungsprozessvon piezokeramischen Komponenten ist
sehr komplex. Hier verfügt PI Ceramic überlangjährige Erfahrung und ausgereifte Fertigungsverfahren. Maschinen und Vorrichtungen entsprechen dem neuesten Stand derTechnik.
Rapid Prototyping
In enger Absprache mit dem Kunden werden
die Anforderungen schnell und flexibel umgesetzt. Prototypen und Kleinserien kundenspezifischer Piezobaugruppen stehen bereits
nach sehr kurzen Bearbeitungszeiten zur Verfügung. Die Produktionsbedingungen, wie
z.B. die Materialkomposition oder die Sintertemperatur, werden dabei individuell auf das
Keramikmaterial abgestimmt, um optimale
Werkstoffparameter zu erreichen.
Präzisions-Bearbeitungstechnologie
PI Ceramic setzt Bearbeitungstechniken ausder Halbleiterindustrie ein, um die empfindlichen Piezokeramiken besonders präzise

zu bearbeiten. Bereits im „Grünzustand“,also noch vor dem Sintern, sorgen spezielle
Fräsmaschinen für exakte Formgebung. Gesinterte Keramikblöcke werden mit Präzisions sägen bearbeitet, wie sie auch für
die Trennung einzelner Wafer verwendet
werden. Feinste Bohrungen, strukturierte
Keramikoberflächen, selbst komplexe, dreidimensionale Konturen sind herstellbar.
Automatisierte Serienfertigung –Vorsprung für OEM Kunden
Die industrielle Anwendung erfordert häufig hohe Stückzahlen kundenspezifischer
Bauelemente. Der Übergang zur Großserienfertigung ist bei PI Ceramic sicher undkostengünstig möglich, bei gleichzeitig konstant hoher Qualität der Produkte. PI Ceramic
besitzt die Kapazitäten für die Herstellung und
Bearbeitung mittlerer und großer Serien inverketteten automatisierten Linien. Die Metallisierung der Keramikkörper übernehmen
dabei Siebdruckautomaten und modernste
PVD-Anlagen.

Automatisierte Abläufe optimieren den Durchsatz

5

PIEZO TECHNOLOGYProduktübersicht
EIGENENTWICKLUNG UND -FERTIGUNG

Piezoelektrische Komponenten!

!

Unterschiedliche Ausführungen invielen Geometrien wie Scheiben,
Platten, Rohre, Sonderformen
Hohe Resonanzfrequenzen bis 20 MHz

OEM Anpassungen!

!

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Piezotransducer für UltraschallanwendungenKonfektionieren von kompletten
Wandlerbauelementen
2D oder Line Arrays

DuraAct Piezo-Flächenwandler!

!

Aktor oder Sensor, StrukturüberwachungBiegsam und robust, vorgespannt
durch Einlaminieren

Ansteuerelektronik

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WWW.PICERAMIC.DE!

Verschiedene Leistungsklassen!

OEM-Module und Tischgeräte

PICMA® Multilayer-Piezoaktoren!

Geringe Ansteuerspannung bis 120 V!

Hohe Steifigkeit!

Stellwege bis 100 µm

PICA Hochlastaktoren!

Stellwege bis 300 µm!

Kräfte bis 100 kN

PICMA® Multilayer-Biegeaktoren!

Bidirektionale Auslenkung bis 2 mm!

Niedrige Betriebsspannung bis 60 V!

Kontraktoren, variable Konturen

Piezoaktoren mit Sonderausstattung!
!

!

Für Einsatz in rauer Umgebung
Positions- und Temperaturüberwachung
Für kryogene Temperaturen

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PIEZO TECHNOLOGYPiezoeffekt und Piezotechnologie

Piezoelektrische Materialien wandeln elektrische Energie in mechanische und umgekehrt.
Der Piezoeffekt wird heute in vielen alltäglichen Produkten angewendet, zum Beispiel inFeuerzeugen, Lautsprechern und Signalgebern. Auch in der Kraftfahrzeugtechnik hat sichdie Piezoaktorik durchgesetzt, denn piezogetriebene Einspritzventile in Verbrennungsmotoren verkürzen die Stellzeiten und verbessern die Laufruhe und Abgasqualität erheblich.

(1)

(2)

Vom physikalischen Effekt
zur industriellen Nutzung
Das Wort „Piezo“ ist vom griechischen Wort
für Druck abgeleitet. 1880 entdeckten Jacques
und Pierre Curie, dass Druck in verschiedenen
Kristallen wie Quarz und Turmalin elektrische
Ladungen erzeugt; sie nannten dieses Phänomen den „Piezoeffekt“. Später stellten sie
fest, dass elektrische Felder piezoelektrische
Materialien verformen können. Dieser Effekt
heißt „inverser Piezoeffekt“.

O2Pb
Ti, ZrAbb. 1.
(1) Elementarzelle mit
symmetrischer, kubischer
Perowskit-Struktur, T >TC(2) Tetragonal verzerrte
Zelle, T < TC

Der industrielle Durchbruch kam mit denpiezoelektrischen Keramiken, als Wissenschaftler entdeckten, dass Barium-Titanat
durch Anlegen eines elektrischen Feldes
piezoelektrische Eigenschaften in nutzbaren Größenordnungen annimmt.

Direkter Piezoeffekt

+

U

–

Mechanische Spannungen durch Krafteinwirkung von außen auf den piezoelektrischen Körper induzieren Verschiebungender elektrischen Dipole. Dadurch entsteht
ein elektrisches Feld, das eine entsprechende elektrische Spannung erzeugt. Der
direkte Piezoeffekt wird auch Sensor- oder
Generatoreffekt genannt.

Inverser Piezoeffekt
Das Anlegen einer elektrischen Spannung
an ein ungeklemmtes piezoelektrisches

8

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Piezoelektrische Keramik …
Der Piezoeffekt natürlicher monokristalliner
Materialien wie z. B. Quarz, Turmalin und
Seignette-Salz ist verhältnismäßig klein.
Polykristalline ferroelektrische Keramiken
wie z. B. Barium-Titanat (BaTiO3) und BleiZirkonat-Titanat (PZT) zeigen höhere Auslenkungen bzw. induzieren größere elektrische
Spannungen. PZT-Piezokeramik ist in vielen
Variationen verfügbar und die am häufigsten
verwendete Keramik für Aktor- oder Sensoranwendungen. Spezielle Dotierungen der
PZT-Keramiken z. B. mit Ni-, Bi-, Sb-, NbIonen ermöglichen es, die piezoelektrischen
und dielektrischen Parameter gezielt zu
optimieren.

… mit polykristalliner Struktur
Unterhalb der Curie-Temperatur TC wird die
Gitterstruktur der PZT-Kristallite verzerrt undasymmetrisch. Es entstehen Dipole und die
für die Piezotechnologie interessanten rhomboedrischen bzw. tetragonalen Kristallitphasen bilden sich heraus. Die Keramik weist
eine spontane Polarisation auf (s. Abb. 1).
Oberhalb der Curie-Temperatur verliert eine
Piezokeramik ihre piezoelektrischen Eigenschaften.

Bauteil bewirkt dessen geometrische Verformung. Die dabei erzielte Bewegung ist
abhängig von der Polarität der angelegten Spannung und der Richtung der Polarisation im Bauteil. Das Anlegen einer
Wechselspannung erzeugt eine Schwingung, also eine zyklische Änderung derGeometrie, beispielsweise die Zunahme
und Verringer ung des Durchmessers
einer Scheibe. Wird der Körper geklemmt,
d. h. an einer freien Deformation gehindert, wird eine mechanische Spannung
bzw. Kraft erzeugt. Dieser Effekt wird auch
Aktor- oder Motoreffekt genannt.

Polung der Piezokeramik
Der Polungsprozess resultiert in einer remanenten Polarisation P r, die mit einer
Dehnung des Materials einhergeht und bei

Beim Überschreiten der zulässigen Betriebstemperatur depolarisiert die polarisierte
Keramik, wobei der Grad der Depolarisation
von der Curie-Temperatur des Materials
abhängt.
Ein ausreichend starkes elektrisches Feldkann die Polarisationsrichtung umkehren(s. Abb. 4). Die Kopplung zwischen mechanischen und elektrischen Größen ist vonentscheidender Bedeutung für die breite
technische Nutzung von Piezokeramiken.

–

–

–

–

–

+

+

+

+

–

–

–

–

+

+

+

+

–

–

–

–

+

+

+

+

+

–

–

+

–

+

+

+

–
–

–
+
+

Eine Auswirkung der spontanen Polarisation ist, dass die diskreten PZT-Kristallitepiezoelektrisch werden. Gruppen von Kristalliten mit gleicher Orientierung werden
ferroelektrische Domänen genannt. Durchdie stati-stische Verteilung der Domänen inder Keramik entsteht jedoch nach außen ein
nicht-piezoelektrisches Verhalten. Wegender ferroelektrischen Natur des Materials ist
es möglich, unter Einwirkung starker elektrischer Felder (Polung), die unterschiedliche
Gitterausrichtung einzelner Domänen permanent in Richtung des polenden Feldes zuändern (s. Abb. 2).

Überschreiten der mechanischen, thermischen und elektrischen Grenzwerte des Materials wieder abgebaut wird (s. Abb. 3). Die
Keramik besitzt jetzt piezoelektrische Eigenschaften und verändert beim Anlegen einer
elektrischen Spannung ihre Dimensionen.
Für manche PZT Keramiken muss der Polungsprozess bei erhöhten Temperaturen
durchgeführt werden.

–

Ferroelektrische Domänenstruktur

+

(1)

(2)
–

+
–

+
–

+ +
– –

+

–

–

+
–

+
–

+

+

–

+

+
–

+
–

(3)

Abb. 2. Elektrische Dipole inden Domänen:(1) unpolarisierte,
ferroelektrische Keramik,(2) während und(3) nach der Polung(piezoelektrische Keramik).

P
Ps

S
Pr

-Ec
Ec

E

E
-Pr
-Ps

Abb. 3. Die Schmetterlingskurve zeigt die typische
Deformation einer „weichen“ Piezokeramik beim
Anlegen einer bipolaren Spannung. Die Auslenkung der Keramik beruht dabei ausschließlich
auf Festkörpereffekten, wie der Ausrichtung der
Dipole. Daher ist die entstehende Bewegung
reibungsfrei und verschleißfrei.

Abb. 4. Erst beim Erreichen der Koerzitivfeldstärke Ec durch ein entgegengerichtetes elektrisches Feld wird die remanente Polarisation Pr
wieder aufgehoben. Eine weitere Erhöhung
dieses Gegenfeldes führt wieder zu einer
Polarisation, aber mit umgekehrtem Vorzeichen.

9

PIEZO TECHNOLOGYElektromechanik
GRUNDGLEICHUNGEN UND PIEZOELEKTRISCHE KONSTANTEN

D

elektrische FlussdichteTmechanische
Spannung

D = d T + εT E
S = sE T + d E

Smechanische
Dehnungdpiezoelektrische
Ladungskonstante

εT Permittivität(für T = konstant)sE Nachgiebigkeits- bzw.
Elastizitätskonstante(für E = konstant)(Z)3

ε33T DK-Wert in Polungsrichtung bei an-liegendem elektrischem Feld in Polungsrichtung (3-Richtung) bei einer
konstanten mechanischen Spannung(T = 0: „freie“ Permittivität).

ε11S Elektrisches Feld und dielektrische Ver-

Diese Beziehungen gelten nur für kleine elektrische und mechanische Amplituden, sogenannte Kleinsignalwerte. In diesem Bereichsind die Zusammenhänge zwischen den elastischen Deformations- (S) bzw. Spannungs(T) Komponenten und den Komponenten
des elektrischen Feldes E bzw. der elektrischen Flussdichte D linear.

Zuordnung der Achsen
6

P
5
2(Y)
(X)

Beispiele

In vereinfachter Form sind die Grundzusammenhänge der elektrischen und elastischen
Eigenschaften wie folgt darstellbar:

E elektrisches
Feld

1

Polarisierte piezoelektrische Materialien werden durch verschiedene Parameter und Zusammenhänge charakterisiert.

4Abb. 5. Orthogonales System zur Beschreibung
der Eigenschaften einer
polarisierten Piezokeramik. Achse 3 ist die Polarisationsrichtung

Zur Festlegung der Richtungen werden die
Achsen 1, 2 und 3 eingeführt, analog zu den
X-, Y- und Z-Achsen des kartesischen Koordinatensystems. Die Drehachsen werden mit
4, 5 und 6 bezeichnet. (s. Abb. 5).

schiebung in 1-Richtung, bei konstanter
Deformation (S = 0: „geklemmte“ Permittivität).

Piezoelektrische Ladungskonstante,Piezomodul dij
Der Piezomodul ist das Verhältnis von induzierter elektrischer Ladung zu mechanischer
Spannung bzw. von erzeugter mechanischer
Dehnung zu anliegendem elektrischem Feld
(T = konstant).
Beispiel

d33

Die Polarisationsrichtung (Achse 3) wird während der Polung durch ein starkes Feld zwischen den Elektroden festgelegt.
Da das piezoelektrische Material anisotrop ist,
werden die entsprechenden physikalischen
Größen durch Tensoren beschrieben. Die
piezoelektrischen Konstanten werden daher
entsprechend indiziert.

Permittivitätszahl
Die Permittivitätszahl ε bzw. die relative
Dielektrizitätskonstante (DK) ist das Verhältnis
aus der absoluten Permittivität des Keramikmaterials und der Permittivität im Vakuum(ε0 = 8,85 x 10-12 F/m), wobei die absolute
Permittivität ein Maß für die Polarisierbarkeit
im elektrischen Feld darstellt. Die Abhängigkeit der DK von der Richtung des elektrischen
Feldes und der dielektrischen Verschiebung
wird durch entsprechende Indizes angezeigt.

10

WWW.PICERAMIC.DE

Erzeugte Dehnung pro Einheit angelegtem elektrischem Feld in V/m oder Ladungsdichte in C/m2 pro Einheit Druckin N/m2, jeweils in Polungsrichtung.

Piezoelektrische Spannungskonstante gij
Die Spannungskonstante g ist das Verhältnis
von elektrischem Feld E zur wirkenden mechanischen Spannung T. Dividiert man die jeweilige piezoelektrische Ladungskonstante dij
durch die zugehörige Permittivitätszahl erhält
man die entsprechende gij-Konstante.
Beispielg31

Induziertes elektrisches Feld in 3-Richtung pro in 1-Richtung wirkendermechanischer Spannung = Kraft pro
Fläche, nicht unbedingt orthogonal.

Elastische Nachgiebigkeit sij
Die Nachgiebigkeits- oder Elastizitätskonstante s ist das Verhältnis der relativen
Deformation S zur mechanischen Spannung
T. Mechanische und elektrische Energie
bedingen einander gegenseitig, daher
müssen die elektrischen Grenzbedingungen wie die elektrische Flussdichte D und
die Feldstärke E berücksichtigt werden.
Beispiele

s33E Verhältnis der mechanischen Dehnung
in 3-Richtung zu in 3-Richtung wirkender mechanischer Spannung, bei
konstantem elektrischem Feld (E = 0:
Kurzschluss).
s55D Das Verhältnis einer Scherung zur wirkenden Scherspannung bei konstanter dielektrischer Verschiebung (D = 0:
Leerlauf).
Der häufig verwendete Elastizitäts- oder
Young-Modul Yij entspricht in erster Näherung dem reziproken Wert der entsprechenden Elastizitätskonstanten.

Frequenzkonstante Ni
Die Frequenzkonstante N beschreibt den Zusammenhang zwischen der Geometrie eines
Körpers und der entsprechenden (Serien-)
Resonanzfrequenz. Die Indizes bezeichnen
die entsprechende Schwingungsrichtung,
A = Abmessung; N = fs A.

N1

N5

die Frequenzkonstante der planaren
Flächenschwingung einer runden
Scheibe.

Nt

die Frequenzkonstante der Dickenschwingung einer dünnen Scheibe,die über die Dicke polarisiert ist.

Mechanische Güte Qm
Die mechanische Güte Qm charakterisiert die„Resonanzschärfe“ eines piezoelektrischen
Körpers oder Resonators und wird vorrangig
aus der 3 dB-Bandbreite der Serienresonanz
des schwingfähigen Systems bestimmt (s.
Abb. 7 Typischer Impedanzverlauf). Der reziproke Wert des mechanischen Gütefaktors ist
der mechanische Verlustfaktor, das Verhältnis aus Wirk- und Blindwiderstand im Ersatzschaltbild eines piezoelektrischen Resonators
im Resonanzfall (s. Abb. 6).

Kopplungsfaktoren k
Der Kopplungsfaktor k ist ein Maß für die
Ausprägung des piezoelektrischen Effektes(k e i n Wirkungsgrad!). Er beschreibt das
Vermögen eines piezoelektrischen Materials, aufgenommene elektrische in mechanische Energie umzuwandeln und umgekehrt.
Der Kopplungsfaktor berechnet sich aus der
Quadratwurzel des Verhältnisses von gespeicherter mechanischer Energie zur gesamten
aufgenommenen Energie. Unter dynamischen Bedingungen (Resonanzfall) hängt k
von der entsprechenden Schwingungsformdes piezoelektrischen Körpers ab.
Beispiele

k33

Kopplungsfaktor der Longitudinalschwingung.

die Frequenzkonstante für die Longitudinalschwingung eines schlanken
Stabes, welcher in der Längsrichtungpolarisiert ist.

k31

Kopplungsfaktor der transversalen
Längsschwingung.

kP

Kopplungsfaktor der planaren Radialschwingung einer runden Scheibe.

die Frequenzkonstante für die transversale Schwingung eines schlanken
Stabes, welcher in der 3-Richtung polarisiert ist.

kt

Kopplungsfaktor der Dickenschwingung einer Platte.

k15

Kopplungsfaktor der Dickenscherschwingung einer Platte.

Beispiele

N3NP

die Frequenzkonstante der Dickenscherschwingung einer dünnen Platte.

11

PIEZO TECHNOLOGYDynamisches Verhalten
SCHWINGUNGSFORMEN VON PIEZOKERAMISCHEN KÖRPERN

Das elektromechanische Verhalten eineszu Schwingungen angeregten piezoelektrischen Körpers lässt sich mit einem elektrischen Ersatzschaltbild darstellen (s. Abb. 6).
C0 + C1 ist dabei die Kapazität des Dielektrikums. Die Reihenschaltung aus C, L, und R
beschreibt die Änderung der mechanischen
Eigenschaften, wie elastische Deformation,effektive Masse (Trägheit) und mechanische Verluste, durch innere Reibung. Diese
Schwingkreis-Beschreibung ist allerdings
nur für Frequenzen in der Nähe der tiefsten
mechanischen Eigenresonanz anwendbar.

L1

C0

R1

fn

Impendanz Z

C1

fm

Frequenz f

Abb. 7. Typischer Impedanzverlauf

Die meisten piezoelektrischen Materialparameter werden über Impedanzmessungenan speziellen Prüfkörpern nach der Norm
EN 50324-2 im Resonanzfall bestimmt.

Abb. 6.
Ersatzschaltbild eines piezoelektrischen Resonators

Geometrie

Schwingungen
Typ

2

TH

U P

ƒs = NP
OD

Dicke

ƒs = Nt
TH

OD >> TH

1

L

Transversal

U

3

PlatteP L >> W >> TH

2

ƒs = N1
L

TH

TH

1

Serienresonanzfrequenz

RadialOD

3

Scheibemechanische
Deformation

W

TH
3

Stab

2

U

L

P

TH

ƒs = N 3
L

L >> W >> TH

Longitudinal

U L ≈ W >> TH

Dickenscherƒs = N5
TH

Transversalƒs ≈ N 1
L

Wanddickeƒs ≈ Nt
TH

1
W

1

Scherplatte

L
L

3
TH

2

W
L

P
TH
OD
ID

Rohr

1

P
3

2

L >> OD >> TH
L

U

12

WWW.PICERAMIC.DE

Abbildung 7 zeigt einen typischen Impedanzverlauf. Für die Bestimmung der piezoelektrischen Kennwerte werden die Serienund Parallelresonanz fs und fp herangezogen.
Diese entsprechen in guter Näherung dem
Impedanzminimum fm und -maximum fn.

Schwingungszustände piezoelektrischer
Komponenten
Schwingungszustände bzw. -formen und Deformation werden maßgebend von der Geometrie des Körpers, mechano-elastischen
Eigenschaften und der Polarisationsrichtung
bestimmt. Koeffizienten s. S. 10, spezifische
Werte s. S. 18, Abmessungen s. S. 27. Die
Formeln dienen zur Berechnung von Näherungswerten.

Elektrischinduzierte
Auslenkung(Kleinsignal)

Mechanischinduzierte elektr.
Spannung(Kleinsignal)∆OD = d31OD U
TH∆TH = d33U

F
U = – 4g 33TH
π OD 2 3∆L = d31L U
TH

U = – g 31 F1
W∆L = d33U

U = – g 33 L F3
W TH

∆L = d15U

U = – g15 TH F3
LW∆L = d31L U
TH∆TH = d33U

13

PIEZO TECHNOLOGYMaterialeigenschaften und Klassifizierung

PI Ceramic bietet eine breite Auswahl piezoelektrischer Keramikmaterialien auf derBasis von Bleizirkonat-Bleititanat (PZT) und
Bariumtitanat an. Die Klassifizierung der Materialeigenschaften erfolgt nach der europäischen Norm EN 50324.
Außer den hier im Detail beschriebenen
Standardtypen steht eine Vielzahl von Modifikationen zur Verfügung, die auf die verschiedensten Anwendungen zugeschnitten
sind.
International gebräuchlich werden Piezokeramiken in zwei Gruppen eingeteilt; die
Bezeichnungen „weiche“ und „harte“ PZTKeramiken beziehen sich auf die Dipol- bzw.
Domänenbeweglichkeit und damit auch auf
das Polarisations- und Depolarisationsverhalten.

„Weiche“ Piezokeramiken
Kennzeichen sind eine vergleichsweise hohe
Domänenbeweglichkeit und ein daraus
resultierendes „ferroelektrisch weiches”
Verhalten, das bedeutet eine relativ leichte
Polarisierbarkeit. Die Vorteile der „weichen“
PZT-Materialien liegen im großen Piezo-

WWW.PICERAMIC.DE

modul, in mittleren Permittivitäten undhohen Kopplungsfaktoren.
Wichtige Einsatzgebiete für „weiche” Piezokeramiken sind Aktoren für die Mikround Nanopositionierung, Sensoren wie
klassische Schwingungsaufnehmer, Ultraschallsender und -empfänger z. B. zur
Durchfluss- oder Füllstandsmessung, Objektidentifikation bzw. -überwachung sowie
elektroakustische Anwendungen als Schallgeber und Mikrofone, bis hin zum Einsatz als
Tonabnehmer an Musikinstrumenten.

„Harte“ Piezokeramiken
Ferroelektrische „Hart“-PZT-Materialien können hohen elektrischen und mechanischen
Belastungen standhalten. Ihre Eigenschaften ändern sich dabei nur wenig, was sie
vor allem für Leistungsanwendungen prädestiniert. Die Vorteile dieser PZT-Materialienliegen in der moderaten Permittivität,
großen piezoelektrischen Kopplungsfaktoren, hohen Güten und sehr guter Stabilität
bei hohen mechanischen Belastungen und
Betriebsfeldstärken. Niedrige dielektrische
Verluste ermöglichen den Dauereinsatz
im Resonanzbetrieb mit nur geringer Eigenerwärmung des Bauteiles. Diese Piezoelemente werden z. B. eingesetzt in der
Ultraschallreinigung (typischerweise kHzFrequenzbereich), der Materialbearbeitung(Ultraschallschweißen, -bonden, -bohren,usw.), für Ultraschallprozessoren (z. B. zum
Dispergieren flüssiger Medien), im medizinischen Bereich (Ultraschall-Zahnstein Entfernung, chirurgische Instrumente usw.) und
auch in der Sonartechnik.

Bleifreie Werkstoffe und Materialien
Piezoelektrische Keramiken, die heute zum
großen Teil auf Bleizirkonat-BleititanatVerbindungen basieren, unterliegen einer
Ausnahmeregelung der EU-Richtlinie zur
Verringerung von Gefahrstoffen (RoHS)
und können daher unbedenklich eingesetzt
werden. PI Ceramic ist dennoch bestrebt,
leistungsfähige, bleifreie Piezomaterialien
bereitzustellen und so Zukunftssicherheit zu
bieten. Derzeit qualifiziert PI Ceramic Technologien, um bleifreie Keramikkomponenten zuverlässig in Serie zu fertigen.

Erste Schritte zum industriellen Einsatz
mit PIC700
PI Ceramic stellt mit dem Werkstoff PIC700eine erste bleifreie Piezokeramik aus derLaborfertigung zur Verfügung.

PIC700 basiert auf Bismut-Natrium-Titanat(BNT) und zeigt sehr ähnliche Eigenschaften wie Bariumtitanat-Werkstoffe. PIC700
ist geeignet für Ultraschallwandler im MHzBereich sowie für Sonar- und Hydrofonanwendungen.

Eigenschaften der bleifreien Piezokeramik
Die maximale Einsatztemperatur der BNTbasierten Keramik liegt bei ca. 200 °C. Im
Vergleich zu klassischen, bleihaltigen Werkstoffen sind Permittivität und piezoelektrische
Kopplungsfaktoren von BNT- Komponenten
geringer. Wenngleich PIC700 für verschiedene Applikationen gut geeignet ist, ist ein
genereller Ersatz von bleihaltigen PZT-Piezoelementen in technischen Anwendungenderzeit nicht abzusehen.

Typische Maße aktueller PIC700
Komponenten liegen bei Durchmessern bis 20 mm und Dickenbis 2 mm

Kristalliner Piezowerkstoff für Aktoren
Bleifrei und mit hoher Linearität
Piezokeramische Aktoren zeigen ein nichtlineares Verhalten der Auslenkung: Die angelegte Spannung ist daher kein wiederholbares Maß für die erreichte Position. FürAnwendungen, in denen die Position relevant ist, müssen daher Sensoren eingesetzt
werden.
Das kristalline Material PIC050 zeigt demgegenüber eine deutlich um den Faktor 10
verbesserte Linearität, so dass auf den Positionssensor verzichtet werden kann.

trieb ohne Positionsregelung, die aufgrund
der beschränkten Regelbandbreite die Dynamik des Systems nach oben begrenzt.
Aufgrund seiner Verwendung in Positioniersystemen wird der Werkstoff PIC050 nur als
Translations- oder Scheraktor in vorgegebenen Formen angeboten. Die StandardAbmessungen orientieren sich an denen der
PICA-Shear-Aktoren (s. www.piceramic.de).

Hochdynamisches
Nanopositioniersystem mit
Picoactuator® Technologie

PIC050 wird verwendet für Aktoren und
Nanopositioniersysteme mit dem Handelsnamen PI Ceramicoactuator®. Sie weisen
ebenso hohe Steifigkeit und Dynamik wie
Aktoren aus PZT-Material auf, allerdings ist
die Auslenkung beschränkt: Bei einer maximalen Bauhöhe von 20 mm ergibt sich ein
Stellweg bis zu ±3 µm.

Picoactuator® in der Nanopositionierung
In der Präzisions-Positioniertechnik setzt
Physik Instrumente (PI) diese Aktoren genau
dort ein, wo diese geringe Auslenkung mit
hoher Dynamik und Genauigkeit erforderlich
ist. Die hohe Linearität ermöglicht den Be-

Der Kristall PIC050 bildet durchscheinende Schichten im Picoactuator®.

PIEZO TECHNOLOGY

15

Materialeigenschaften und Klassifizierung
Werkstoffbezeichnung

Allgemeine Eigenschaften der Werkstoffe„Weich”-PZT

Klassifizierung nach
EN 50324-1

MIL-Standard
DOD-STD-1376A

PIC151

Material: modifizierter Bleizirkonat-Bleititanat-Werkstoff
Eigenschaften: hohe Permittivität, hoher Kopplungsfaktor, hohe piezoelektrische Ladungskonstante
Geeignet für: Aktorik, Ultraschallwandler geringer Leistung, niederfrequente Schallwandler
Standardmaterial für Aktoren der PICA Serie: PICA Stack, PICA Thru

600

II

PIC255200
Material: modifizierter Bleizirkonat-Bleititanat-Werkstoff
Eigenschaften: sehr hohe Curie-Temperatur, hohe Permittivität,
hoher Kopplungsfaktor, hohe Ladungskonstante, niedriger mechanischer Gütefaktor, niedriger Temperaturkoeffizient
Geeignet für: Aktoranwendungen bei dynamischen Einsatzbedingungen und hohen Umgebungstemperaturen (PICA Power Serie),
Ultraschallwandler mit geringer Leistung, nichtresonante Breitbandsysteme, Kraft- und Schallsensoren, DuraAct Patch Transducer,
PICA Shear Scheraktoren

II

PIC155Material: modifizierter Bleizirkonat-Bleititanat-Werkstoff
Eigenschaften: sehr hohe Curie-Temperatur, niedriger mechanischer Gütefaktor, niedrige Permittivität, hohe Empfindlichkeit(g-Konstanten)
Geeignet für: Anwendungen, die eine hohe g-Konstante (piezoelektrische Spannungskonstante) erfordern, z. B. für Mikrophone
und Schwingungsaufnehmer mit Vorverstärker, Schwingungsmessungen bei tiefen Frequenzen

200

II

PIC153

Material: modifizierter Bleizirkonat-Bleititanat-Werkstoff
Eigenschaften: extrem hohe Werte für Permittivität, Kopplungsfaktor, hohe Ladungskonstante, Curie-Temperatur ca. 185 °C
Geeignet für: Hydrophone, Wandler in der medizinischen
Diagnostik, Aktorik

600

VI

PIC152

Material: modifizierter Bleizirkonat-Bleititanat-Werkstoff
Eigenschaften: speziell niedriger Temperaturkoeffizient derPermittivität
Geeignet für: Kraft- und Beschleunigungsaufnehmer

200

II

16

WWW.PICERAMIC.DE

Werkstoffbezeichnung

Allgemeine Eigenschaften der Werkstoffe„Hart”-PZT

Klassifizierung nach
EN 50324-1

MIL-Standard
DOD-STD-1376A

PIC181

Material: modifizierter Bleizirkonat-Bleititanat-Werkstoff
Eigenschaften: extrem hoher mechanischer Gütefaktor,
gute Temperatur- und Zeitkonstanz der dielektrischen undelastischen Werte
Geeignet für: Leistungsschallanwendungen, Anwendungen
im Resonanzbetrieb

100

I

PIC184

Material: modifizierter Bleizirkonat-Bleititanat-Werkstoff
Eigenschaften: hohe elektromechanische Kopplung, moderat hohe
Gütewerte, ausgezeichnete mechanische und elektrische Belastbarkeit
Geeignet für: Leistungsschallanwendungen, Hydroakustik, Sonartechnik

100

I

PIC144

Material: Modifiziertes Blei-Zirkonat-Titanat
Eigenschaften: Hohe elektromechanische Kopplung, hohe Gütewerte, ausgezeichnete mechanische und elektrische Belastbarkeit,
hohe Druckfestigkeit
Geeignet für: Leistungsschallanwendungen, Hydroakustik, Sonartechnik

100

I

100

I

PIC241

Material: modifizierter Bleizirkonat-Bleititanat-Werkstoff
Eigenschaften: hoher mechanischer Gütefaktor, höhere Permittivität im Vergleich zu PIC181
Geeignet für: Leistungsschallanwendungen, Piezomotor-Antriebe

100

I

PIC300Material: modifizierter Bleizirkonat-Bleititanat-Werkstoff
Eigenschaften: sehr hohe Curie-Temperatur
Geeignet für: Anwendungen bei Temperaturen bis 250 °C(kurzzeitig bis 300 °C)

100

I

Bleifreie Werkstoffe

PIC050Material: kristalliner Spezialwerkstoff
Eigenschaften: hervorragende Stabilität, Curie-Temperatur > 500 °C
Geeignet für: Hochgenaue, hysteresefreie Positionierung im
offenen Regelkreis, Picoactuator®

PIC700Material: modifizierter Bismut-Natrium-Titanat-Werkstoff
Eigenschaften: Maximale Einsatztemperatur 200 °C, niedrige
Dichte, hoher Kopplungsfaktor der Dickenschwingung,niedriger planarer Kopplungsfaktor
Geeignet für: Ultraschallwandler > 1MHz

17

PIEZO TECHNOLOGYWerkstoffdaten
S P E Z I F I S C H E PA R A M E T E R D E R S TA N D A R D M AT E R I A L I E NFerroelektrisch weiche PZT-Werkstoffe

Einheit

PIC151

PIC255/

PIC155

PIC153

PIC252

1)

Physikalische und dielektrische Eigenschaften
Dichteρg / cm3

7,80

7,80

7,75

7,60

Curie-Temperatur

Tc

°C

250

350

340

160

2500

1800

1600

4500

1980

1750

1850

3500

20

20

25

30

kp

0,62

0,62

0,62

0,62

kt

0,53

0,47

0,48

0,49

k31

0,38

0,35

0,35

0,33

k33

0,69

0,69

0,69

0,72

k15

0,65

0,66

0,65

0,66

d31

-210

-180

-165

-295

Relative Permittivitätszahl

in Polungsrichtung
zur Polung

Dielektrischer Verlustfaktor

ε33Τ / ε0Τε11 / ε0

tan δ

10

-3

Elektromechanische Eigenschaften
Kopplungsfaktor

Piezoelektrischer Ladungskoeffizientd33

10-12 C / N

d15
Piezoelektrischer Spannungskoeffizient

g31

10-3 Vm / N

g33

500

400

360

600

610

550

540

780

-10,1

-11,8

-12,8

-7,9

21,5

25

27,9

16,4

1940

2000

1930

1940

1500

1420

1500

1380

1360

1370

1340

1345

1950

2000

1990

2020

16,4

16

16,1

17,2

19,4

19

19,3

20

15,7

15,4

15,8

15,5

100

80

80

50

4

3

4

15

Akustomechanische Eigenschaften
FrequenzkoeffizientNp
N1

Hz · mN3
Nt
Elastischer Nachgiebigkeitskoeffizient

S11

E
E

10-12 m2 / N

Elastischer Steifigkeitskoeffizient

C33D

10 N / m

Mechanischer Gütefaktor

Qm

S33

10

2

Temperaturstabilität
Temperaturkoeffizient von εΤ33
(im Bereich -20 °C bis +125 °C)

TK ε33

10-3 / K

Zeitstabilität (relative Änderung des Parameters pro Zeitdekade in %)Relative Dielektrizitätszahl

Cε

-1,0

-2,0

Kopplungsfaktor

CK

-1,0

-2,0

18

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Ferroelektrisch harte PZT-Werkstoffe

PIC152

PIC181

PIC184

PIC144

PIC241

PIC300Bleifreie Materialien

PIC7002)(BNT)

PIC7012)(BNT)

Empfohlene Einsatztemperatur PZT:
50% der Curie-Temperatur.
1) Material für den MultilayerFolienprozess
2) vorläufige Daten, Änderungenvorbehalten
3) Depolarisationstemperatur

7,75

7,85

7,75

7,90

7,80

7,75

5,7

5,7

340

330

320

320

270

370

1903)

2303)

1350

1200

1200

1300

1750

1030

680

542

1100

1250

1250

1500

1500

960

655

629

15

3

3

3

5

3

30

30

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

0,48

0,56

0,55

0,60

0,55

0,47

0,14

0,13

Poisson‘sche Querkontraktion:
σ = ca. 0,34

0,41

0,46

0,44

0,48

0,45

0,41

0,41

0,39

0,25

0,32

0,30

0,30

0,32

0,27

0,09

0,08

0,58

0,66

0,63

0,66

0,65

0,57

0,43

0,37

0,46

0,63

0,65

0,65

0,63

0,48

0,25

0,31

-90

-120

-99

-105

-140

-85

-20

-17!

240

265

220

225

300

190

100

71!

Statische Druckfestigkeit: >600 MPa

235

475

421

419

431

248

90

108

-8,7

-10,6

-10,7

-10,4

-9,2

-9,3

-3,3

-3,5

23,4

23

22,4

23,3

19,9

20,8

16

14,8

Folgende Werte gelten näherungsweise für bleifreie Materialien von
PI Ceramic:
Spezifische Wärmekapazität:
WK BNT = ca. 101 J kg-1 K-1

2280

2270

2175

2170

2200

2400

2984

3071

1570

1640

1590

1620

1590

1700

2228

2302

1530

1560

1560

1540

1550

1700

2420

2403

2100

2110

2035

2035

2020

2100

2576

2503

13,1

11,8

12,2

12,4

12,6

11,2

8,8

8,2

14,8

13,3

13,7

14,3

14,4

12

9,1

7,5

15,5

16,3

15,1

13,5

500

1400

100

100

3

2

16,6

17

15,8

16,6

100

2000

400

1000

2

3

4

-4,0

Folgende Werte gelten näherungsweise
für alle PZT-Materialien:
Spezifische Wärmekapazität:
WK = ca. 350 J kg-1 K-1

Thermische Ausdehnungskoeffizienten:
α3 = ca. -4 bis -6 × 10-6 K-1(in Polungsrichtung, kurzgeschlossen)
α1 = ca. 4 bis 8 × 10-6 K-1(orthogonal zur Polungsrichtung,kurzgeschlossen)

Spezifische Wärmeleitfähigkeit:
WL BNT = ca. 1,4 W m-1 K-1
Die Daten werden an Prüfkörpern mit
den nach der Norm EN 50324-2
festgelegten geometrischen
Abmessungen bestimmt und sindtypische Werte.
Alle angegebenen Daten werden 24 bis
48 h nach dem Zeitpunkt derPolarisation
bei einer
Umgebungstemperatur von 23 ±2 °C
bestimmt.
Eine vollständige Koeffizientenmatrix
der einzelnen Werkstoffe ist auf Anfrage
erhältlich. Bei Fragen zur Interpretationder Materialkennwerte wenden Sie sichan PI Ceramic (info@piceramic.de).

Für Werkstoffdaten zu KNN besuchen Sie
unsere! Webseite: www.piceramic.de.

-2,0

19

PIEZO TECHNOLOGYTemperaturabhängigkeit der Koeffizienten

Temperaturgang derKapazität C∆ C/C (%)∆ C/C (%)

 Werkstoffe: PIC151,
PIC255 und PIC155

 Werkstoffe: PIC181,
PIC241 und PIC300

Temperaturgang derResonanzfrequenz
der Längsschwingung fs



∆ fs / fs (%)∆ fs / fs (%)

∆ k31 / k31 (%)∆ k31 / k31 (%)

 Werkstoffe: PIC151,
PIC255 und PIC155

 Werkstoffe: PIC181,
PIC241 und PIC300

Temperaturgang desKopplungsfaktors
der Längsschwingung k31

 Werkstoffe: PIC151,
PIC255 und PIC155

 Werkstoffe: PIC181,
PIC241 und PIC300

WWW.PICERAMIC.DE∆ d31 / d31 (%)∆ d31 / d31 (%)

Temperaturgang derpiezoelektrischen
Ladungskonstanten d31

 Werkstoffe: PIC151,
PIC255 und PIC155

 Werkstoffe: PIC181,
PIC241 und PIC300

Spezifische Eigenschaften!

Thermische Eigenschaften am Beispiel der
PZT-Keramik PIC255!

!

Die thermische Dehnung zeigt in Polungsrichtung und senkrecht zur Polungsachse
unterschiedliches Verhalten.
Die Vorzugsorientierung der Domänen in
einem gepolten PZT-Körper führt zur Anisotropie und ist Ursache für das unterschiedliche Wärme-Ausdehnungsverhalten.

!

!

Nicht gepolte Piezokeramik ist isotrop.
Der Ausdehnungskoeffizient ist annähernd linear mit einem TK von ca.
2 · 10-6 / K.
Der Einfluss von aufeinander folgenden
Temperatureinwirkungen ist insbesondere in der Anwendung zu beachten. Speziell im ersten Temperaturzyklus können
große Änderungen im Verlauf auftreten.
Abhängig vom Werkstoff können die Verläufe stark von den dargestellten abweichen.

Thermische Dehnung in Polungsrichtung

Thermische Dehnung senkrecht zur Polung∆ L / L (%)∆ L / L (%)

21

PIEZO TECHNOLOGYFertigungstechnologie
EFFIZIENTE VERFAHREN FÜR KLEINE, MITTLERE UND GROSSE SERIEN

Herstellung von Piezokomponenten durch
Pressverfahren

Mischen und Mahlen
der Rohstoffe
Vorsintern (Kalzinieren)

MahlenSprühgranulierung

Pressen und Formgebung
Thermische Prozesse
Sintern bei bis zu 1300 °C
Läppen, Schleifen, Planschleifen,
Diamant-Trennsägen
Aufbringen der Elektroden: Siebdruck,
PVD-Verfahren, z. B. Sputtertechnik
Polarisieren
Aufbau- und Verbindungstechnik
für Aktoren, Schallwandler, Transducer
Endprüfung

22

Piezokeramische Scheiben
mit Innenbohrung

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Piezokomponenten in Presstechnologie
Die Basis für die Herstellung von piezokeramischen Formkörpern ist das Sprühgranulat.
Mechanisch-hydraulische Pressen stellen
daraus Formkörper her. Die Presslinge werden entweder maßgenau unter Berücksichtigung der Sinterschwindung geformt, odermit Bearbeitungsaufmaßen für eine Präzisionsnachbearbeitung gepresst.
Die gesinterte Keramik ist hart und kannbei Bedarf gesägt und mechanisch nachbearbeitet werden. Die Metallisierung
der Piezoelemente erfolgt mithilfe vonSiebdruckverfahren oder, für dünne Metallisierungsschichten, mit Sputter- (PVD-)
Verfahren. Anschließend werden die Bauelemente polarisiert.

Stapelaufbau für Aktoren
Piezoaktoren werden durch Aufstapeln mehrerer piezokeramischer Elemente aufgebaut,mit Kontaktelektroden und einer äußeren
Isolierschicht aus Polymermaterial versehen.

Cofiring-Verfahren / Multilayer-Technik /Piezokomponenten in Folientechnik

Feinstmahlen der Rohstoffe

Verschlickern

Foliengießen
Aufbringen der Elektroden
durch Siebdruckverfahren
Laminieren

Isostatisches Verpressen
Thermische Prozesse
Binder-BurnOut und Sintern
bei bis zu 1100 °C
Schleifen
Aufbringen der Anschlusselektroden,
Termination
Polarisieren

Folientechnik für dünne Keramiken
Dünne keramische Schichten werden durch
Foliengießen hergestellt. Mit diesem Verfahren können minimale Einzelfolien-Stärken
von nur 50 µm erreicht werden.
Anschließend werden die Elektroden mit
speziellen Siebdruck- bzw. PVD-Verfahren
aufgebracht.

Multilayer-Piezoaktoren: PICMA®
Ein besonders innovatives Herstellungsverfahren ist die Multilayer-Cofiring-Technologie. Hier werden zunächst Folien
aus Piezokeramikmaterial gegossen, die anschließend noch im Grünzustand mit Elektroden versehen werden. Das Bauelement
wird anschließend aus Einzelfolien laminiert, und Elektroden und Keramik werden
gemeinsam in einem einzigen Prozessschritt
gesintert.
Das patentierte Design dieses Aufbaus bewirkt eine vollkeramische Außenschicht
des Aktors, die isolierend wirkt. Auf weitere
Ummantelungen durch z.B. Polymermaterialien kann dadurch verzichtet werden. Damit
bleiben PICMA® Piezoaktoren stabil auchunter hoher dynamischer Belastung. Sieerreichen eine höhere Zuverlässigkeit undum einen Faktor 10 längere Lebensdauer als
herkömmliche Multilayer-Piezoaktoren.
Erst nach der mechanischen Nachbearbeitung werden die Multilayer-Aktoren mit Anschlusselektroden versehen und polarisiert.

EndprüfungPICMA® Aktoren mit patentierten,mäanderförmigen Außenelektroden für bis zu 20 A LadestromPIEZO TECHNOLOGY23

Flexibilität in der Formgebung
Formgebung von Presskörpern
Komponenten wie Scheiben oder Platten sindbereits ab einer minimalen Dicke von 0,2 mm
kostengünstig herstellbar. Innenboard-Trennsägeautomaten erzeugen die entsprechenden Körper in großen Stückzahlen.
Durch moderne CNC-Technik ist die Bearbeitung der gesinterten Keramikelemente mit höchster Präzision möglich. Damit
sind Bohrungen mit Durchmessern bis zu
0,3 mm herstellbar. Nahezu beliebige Konturen können bis auf den Zehntelmillimeter
genau geformt werden. Oberflächen lassensich strukturieren und die Komponenten
können dreidimensional passend gefräst
werden.
Dünnwandige Rohre mit Wandstärken von
0,5 mm werden mit Ultraschallbearbeitungsverfahren hergestellt.

Roboterunterstützte Serienfertigung
Automatisierte Montage- und Fertigungsstrecken beinhalten beispielsweise schnelle
Pick-and-Place-Vorrichtungen und maschinengesteuerte Lötvorgänge. Die Fertigung
von piezoelektrischen Bauelementen bis zu
mehreren Millionen Stück pro Jahr ist damit
problemlos möglich.

Beliebige Formen auch mit keramischer
Rundumversiegelung
Mit modernster Produktionstechnik ist
PI Ceramic in der Lage, nahezu beliebige
Formen von PICMA® Multilayer-Piezoaktoren
zu fertigen. Dabei sind alle Flächen von einer
vollkeramischen Isolierschicht umgeben.
Fertigbar sind nicht nur variable Grundformen, z. B. runde oder dreieckige Querschnitte, sondern auch isolierte Innenbohrungen an Biegern, Chips oder Stapelaktoren, wodurch die Integration vereinfacht
werden kann.

24

Spezielle Fräsmaschinen bearbeiten die
empfindlichen Keramikfolien bereits im
Grünzustand, also vor dem Sintern. Anschließend werden die einzelnen Schichten
mit Elektroden versehen und laminiert. Wie
bei den PICMA® Standardaktoren wird die
Keramik im Cofired-Prozess gemeinsam mit
den Innenelektroden gesintert.

Spitzenloses Rundschleifen von piezokeramischen Stäben

WWW.PICERAMIC.DEPICMA® Multilayer-Aktoren mit hoher Lebensdauer

Lötautomat mit PICMA® Aktoren

Die inneren Elektroden und die Keramik
von PICMA® Multilayer-Aktoren werden gemeinsam gesintert (Cofired-Technologie),
wodurch ein monolithischer Piezokeramikblock entsteht. Durch dieses Verfahren entsteht eine vollkeramische Isolierschicht, die
vor Luftfeuchtigkeit und gegen Ausfälle
durch erhöhten Leckstrom schützt. PICMA®
Aktoren sind dadurch konventionellen, polymerisolierten Multilayer-Piezoaktoren in
Zuverlässigkeit und Lebensdauer weit überlegen. Der vollkeramische Aufbau bedingt
außerdem eine hohe Resonanzfrequenz,
wodurch sich die Aktoren ideal für den hochdynamischen Betrieb eignen.

Großer Temperaturbereich – optimale
UHV Kompatibilität – minimales
Ausgasen – neutral in Magnetfeldern
Die besonders hohe Curie-Temperatur von
320 °C ermöglicht einen nutzbaren Temperaturbereich von bis zu 150 °C, weit jenseitsder 80 °C Grenze, die für konventionelle
Multilayeraktoren gilt. Damit, und durch
die ausschließliche Verwendung anorganischer Materialien, ergeben sich optimale
Voraussetzungen für den Einsatz im UltraHochvakuum: kein Ausgasen, und hohe

Ausheiztemperaturen. PICMA® Piezoaktoren
arbeiten, bei reduziertem Stellweg, sogar im
kryogenen Temperaturbereich. Durch den
Aufbau aus ausnahmslos nicht-ferromagnetischen Materialien besitzen die Aktoren
einen extrem geringen Restmagnetismus im
Bereich weniger Nanotesla.

Niedrige Betriebsspannung
Im Gegensatz zu den meisten handelsüblichen Multilayer-Piezoaktoren erreichen
PICMA® Aktoren bei Betriebsspannungendeutlich unter 150 V ihre Nennauslenkung.
Diese Eigenschaft wird durch die Verwendung eines besonders feinkörnigen
Keramikmaterials erreicht, welches eine
geringere Höhe der Innenschichten zulässt.
Die PICMA® Aktoren fallen zumindest teilweise unter den Schutz der folgenden Patente:
Deutsches Patent Nr. 10021919
Deutsches Patent Nr. 10234787
Deutsches Patent Nr. 10348836
Deutsches Patent Nr. 102005015405
Deutsches Patent Nr. 102007011652
US Patent Nr. 7,449,077

PIEZO TECHNOLOGY25

Verbindungstechnik
ALLE PROZESSSCHRITTE UNTER EINEM DACH

Dickschichtelektroden
Die metallischen Elektroden werden mit
Siebdrucktechnik auf die Piezokeramik aufgebracht. Die typischen Schichtdicken liegendabei bei ca. 10 µm. Hierfür werden verschiedene Silberpasten verwendet. Nachdem Siebdruck werden diese Pasten bei
Temperaturen oberhalb 800 °C eingebrannt.

Dünnschichtelektroden
Dünnschichtelektroden werden mit modernen PVD-Verfahren (Sputtering) auf die Keramik aufgebracht. Die typische Dicke derMetallisierung liegt im Bereich von 1 µm.
Scherelemente müssen im gepolten Zustandmetallisiert werden und sind generell mit
Dünnschichtelektroden versehen.
PI Ceramic verfügt über hochproduktive
Sputteranlagen, die das Aufbringen vonLeitschichten aus Metalllegierungen, vorzugsweise CuNi-Zusammensetzungen undEdelmetallen wie Gold und Silber, ermöglichen.

Lötverfahren
Konfektionierte Piezobauelemente mit Anschlussdrähten werden im Handlötverfahren
durch speziell geschultes Personal hergestellt. Für Lötungen auf miniaturisierten

26

Gefüllte Sputteranlage

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Komponenten und in Großserien stehen moderne Lötautomaten zur Verfügung.
Lötstellen für erhöhte Anforderungen an die
Zuverlässigkeit werden speziellen visuellen
Kontrollen unterzogen. Die hierfür eingesetzten optischen Techniken reichen vom
Stereomikroskop bis zum Kamera-Inspektionssystem.

Aufbau- und Verbindungstechnik
Das Fügen von Produkten durch Klebeprozesse erfolgt in der Serienproduktion mit
automatisierten Vorrichtungen, die das erforderliche Temperatur-Zeit-Regime (z.B.
Aushärtung von Epoxy-Klebstoffen) realisieren und damit eine gleichmäßige Qualität
garantieren. Die Klebstoffauswahl und das
Aushärteregime werden unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften und dervorgesehenen Einsatzbedingungen für jedes
Produkt optimiert. Für komplexe Sonderfertigungen kommen eigens entwickelte Dosierund Positioniersysteme zur Anwendung.
Piezokeramische Stapelaktoren der PICA
Serie, Hochvolt-Biegeaktoren und Ultraschall-Transducer sind mit dieser Fügetechnik aufgebaut und haben sich im Einsatz inder Halbleiterindustrie und Medizintechnik
durch ihre hohe Zuverlässigkeit bewährt.

Piezokeramische Bauelemente
ABMESSUNGEN

Scheibe /Stab / Zylinder

OD
D
P

TH

Außendurchmesser OD: 2 bis 80 mm
Dicke TH: 0,15 bis 30 mm!

!

Platte / Block

L
P
TH

W

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

L
P

OD
ID

P

L

OD
TH

P
ID

L
P

W

Seriell / parallel
aufgebaute
Biegeelemente

TH
W

L

TH

P

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)< 10 mm; ± 0,05 mm < 40 mm; ± 0,15 mm< 20 mm; ± 0,10 mm < 80 mm; ± 0,20 mm

Länge L: 3 bis 50 mm,
Breite W: 1 bis 25 mm,
Dicke TH: 0,4 bis 1,5 mm
Runde Biegeelemente auf Anfrage.
Vorzugsabmessungen:
Durchmesser: 5 bis 50 mm,
Dicke: 0,3 bis 2 mm

Dimension

Toleranz

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

Abweichungvon der
Parallelität< 0,02 mm

Abweichungvon der
Konzentrizität<_ 0,4 mm

Frequenztoleranz± 5 % (< 2 MHz)> 2 MHz)± 10 % ( =Toleranz derelektrischen Kapazität± 20 %!

P zeigt die Polungsrichtung an.
Die Abmessungenbedingen sich gegenseitig und sind nicht
beliebig wählbar.
Die minimalen Abmessungen werden
durch physikalischeund technologische
Grenzen bestimmt.
Beispielsweise wird
die Dicke bzw. Wandstärke durch die
Bruchfestigkeit der
Keramik bei mechanischer Bearbeitung
begrenzt.
Maximale Dicke fürPolarisierung: 30 mm

Kennzeichnung derPolarität
Die während derPolarisation an positivem Potential liegenden Elektrode ist durcheinen Punkt oder ein
Kreuz auf der Elektrodenfläche gekennzeichnet. Alternativ wird
insbesondere bei
Dünnschichtelektroden
die Richtung der Polarisation durch die
Färbung der Elektrodenmaterialien markiert: Eine rötliche
Farbe zeigt die Elektrode an, die bei der
Polarisation an positivem Potential lag.

27

PIEZO TECHNOLOGYStandardabmessungen Elektroden: Silber(Dickschicht) oder
PVD-Dünnschicht(verschiedene Materialien: z. B. CuNi, Au, etc.)
 Punkte: Resonanzfrequenzen > 1 MHz
Kreise: Resonanzfrequenzen < 1 MHz
Elektroden: Silber(Dickschicht) oder PVDDünnschicht(verschiedene Materialien: z. B. CuNi, Au, etc.)

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

können nicht kombiniert werden. Über die
Standardabmessungen hinaus gehende
Geometrien sind auf Anfrage erhältlich.

 Scheibe/ Stab / Zylinder

 Scheibe/Stabmit definierter Resonanzfrequenz

TH
in mm
0,20
0,25
0,30
0,40
0,50

 Elektroden: Silber(Dickschicht) oder
Dünnschicht (CuNioder Au)

0,75
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
10,0
20,00

OD in mm35Frequenz

10 16 20 25 35 40 45 50• ••••• ••••• •••••• ••••••• ••••••••• •••••••••• •••••••••• •••••••••• •••••••••• •••••••••• •••••••••• •••••••••• •••••••••in MHz
10,00
5,00
4,00
3,00
2,00
1,00

OD in mm3

5

10 16 20 25 35 40 45 50• •• ••• •• •••• • • • •••• • • • ••••• • • •••••• • ••••••o o o o oo o o o
o o o
o

0,75
0,50
0,40
0,25
0,20

o
o
o
o
o

o
o
o
o
o

o
o
o
o
o

 Platte / Block
L x W in mm2

TH
in mm
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

4x4

•
•
•
•
•
•
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•
•
•
•
•

5x5

•
•
•
•
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•
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•
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•
•

10 x 10

•
•
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•
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•
•
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•
•
•

15 x 15

•
•
•
•
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•
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•

20 x 20

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•

25 x 2025 x 2550 x 3050 x 5075 x 25

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•

Scheibe mit Sonderelektroden (Umkontakt)
DesignOD in mm

TH in mmElektroden

10 / 16 / 20 / 20 / 25 / 40

0,5 / 1,0 / 2,0Silber(Dickschicht)
PVD-Dünnschicht

Ringe
DesignOD in mm

ID in mm

TH in mmElektroden

10

2,7

0,5 / 1,0 / 2,0Silber10*

4,3*

0,5 / 1,0 / 2,0(Dickschicht)

10*

5*

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

12,7

5,2*

0,5 / 1,0 / 2,0(Dünnschicht)

25

16*

0,5 / 1,0 / 2,0*Toleranzen wie gesintert, 38
s. Tabelle S. 27
50

13*5,0 / 6,019,7*

5,0 / 6,0 / 9,5

OD in mm

ID in mm

L in mm

76

60

50

Innen: Silber

40

38

40

(Dickschicht)

20

18

30

Außen: Silber

10

9

30

(Dickschicht)

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

20

18

30

Innen: Silber

10

9

30

(Dickschicht)

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

Rohre
DesignElektroden

vierfach segmentierte Elektrode

Umkontakt

Alle unsere Metallisierungen sind RoHSkonform lötbar.
Wir empfehlen die
Verwendung eines
Lotes in der Zusammensetzung Sn 95,5,
Ag 3,8, Cu 0,7.
Die durchgehende
Erwärmung der Piezokeramik über die
Curie-Temperatur hinaus führt zur Depolarisation, und damit
zum Verlust oder zur
Herabsetzung der piezoelektrischen Kennwerte. Um dies zu
verhindern, müssen
beim Löten
folgende Bedingungen unbedingt eingehalten werden:!

!

!

Rohre mit Sonderelektroden
DesignLöthinweise
für AnwenderAlle Lötkontakte
müssen punktfömig
ausgeführt werden.
Die Lötzeit muss
möglichst kurz sein(<
_ 3 sec).
Die spezifische
Löttemperatur darf
nicht überschritten
werden.

Elektroden(Dünnschicht)

29

PIEZO TECHNOLOGYPrüfverfahren
STANDARDISIERTE VERFAHREN GEBEN SICHERHEIT

Ein umfassendes Qualitätsmanagement kontrolliert sämtliche Produktionsprozesse bei
PI Ceramic, von der Qualität der Rohstoffe
bis hin zum Endprodukt. Damit ist sichergestellt, dass nur freigegebene Teile, die den
Qualitätsanforderungen entsprechen, zur
Weiterverarbeitung und Lieferung gelangen.

Elektrische Prüfverfahren

KleinsignalmessungenDaten zu den piezoelektrischen und dielektrischen Eigenschaften wie Frequenzen, Impedanzen, Kopplungsfaktor, Kapazität und
Verlustfaktor werden in Kleinsignalmessungen erfasst.

wendungsfälle berücksichtigt, für besondere
Anforderungen gibt es gestaffelte Sortierkategorien. Grundsätzlich gilt, dass visuelle
Auffälligkeiten keinen negativen Einfluss auf
die Funktion der Komponente haben dürfen.
Die Oberflächenkriterien betreffen:
Oberflächenbeschaffenheit der Elektrode,
Poren in der Keramik,! Kantenabsplitterungen, Kratzer, etc.
!
!

Qualitätsniveau

DC-Messungen mit Spannungen bis zu
1200 V werden an Aktoren zur Bestimmung
von Dehnung, Hysterese und Spannungsfestigkeit in automatisierter Stückprüfung
durchgeführt.

Alle Prüfungen werden nach dem standardisierten Verfahren DIN ISO 2859 an Stichproben durchgeführt. Für die elektrische Bewertung gilt z. B. das Prüfniveau AQL 1,0. Fürkundenspezifische Produkte kann eine gesonderte Liefervorschrift vereinbart werden.
Diese umfasst beispielsweise die jeweiligen
Freigabeprotokolle, Messwertplots oder Einzelmesswerte bestimmter Prüflinge, bis hin
zu Prüfungen jedes Einzelstücks.

Geometrische und visuelle Prüfverfahren

Messung von Werkstoffdaten

Großsignalmessungen

Für komplexe Messungen stehen Bildverarbeitungsmessgeräte und Weißlichtinterferometer zur Topografie-Untersuchung zur
Verfügung.

Visuelle Grenzwerte
Keramische Komponenten müssen bestimmten visuellen Anforderungen entsprechen.
PI Ceramic hat eigene Kriterien zur Qualitätsbewertung der Oberflächen festgelegt,
die sich am ehemaligen MIL-STD-1376 orientieren. Dabei sind die verschiedensten An-

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Die Daten werden an Prüfkörpern mit den
nach der Norm EN 50324-2 festgelegten
geometrischen Abmessungen bestimmt
und sind typische Werte (s. S. 14 ff.). Die
Einhaltung dieser typischen Kennwerte wird
durch ständige Freigabeprüfungen der einzelnen Werkstoffchargen dokumentiert.
Die Eigenschaften des einzelnen Produkts
können davon abweichen und werden vonder Geometrie, Variationen in den Herstellungsverfahren und Mess- bzw. Ansteuerbedingungen bestimmt.

Integrierte Baugruppen, Sub-Assemblies
VON DER KERAMIK ZUR KOMPLETTLÖSUNG

Keramik in verschiedenen
Integrationsstufen
PI Ceramic sorgt für die Integration vonPiezokeramiken in das Kundenprodukt. Dazu gehören sowohl die elektrische Kontaktierung der Elemente nach Kundenvorgaben
als auch die Montage in beigestellte Bauelemente, das Verkleben oder der Verguss. Fürden Kunden beschleunigt das den Herstellungsprozess und verkürzt die Lieferzeiten.

Sensorkomponenten – Transducer
PI Ceramic liefert in großen Serien komplettierte Schallwandler für die unterschiedlichsten Einsatzbereiche. Dazu gehören unter
anderem OEM Baugruppen für die Ultraschall-Durchflussmesstechnik, Füllstands-,
Kraft- und Beschleunigungsmessung.

Piezoaktoren
Die einfachste Form eines Piezoaktors
ist eine Piezoscheibe bzw. -platte, aus derwiederum Stapelaktoren mit entsprechend
höherer Auslenkung aufgebaut werden
können. Alternativ werden Multilayer-Aktoren in unterschiedlichen Längen aus Piezofolien mit Schichtstärken unter 100 µm
gefertigt. Scheraktoren werden aus Scherplatten gestapelt und sind so polarisiert,
dass sie orthogonal zur anliegenden Spannung auslenken. Biegeaktoren in verschiedenen Grundformen sind in Multilayer Technik zweischichtig (bimorph) aufgebaut

und bieten dadurch eine symmetrische Auslenkung.
Piezoaktoren können mit Sensoren zur
Messung der Auslenkung versehen werden,
und eignen sich dann zur wiederholbaren Positionierung mit Nanometergenauigkeit. Häufig werden Piezoaktoren in ein mechanisches
System integriert, wobei eine Hebelübersetzung die Stellwege verlängert. Festkörperführungen sorgen dann für hohe Steifigkeit
und minimieren den seitlichen Versatz.

Piezomotoren
Piezokeramiken sind das Antriebselement
für Piezomotoren von Physik Instrumente(PI), die es ermöglichen, die besonderen Eigenschaften der Piezoaktoren auch über längere Verstellwege zu nutzen.
PILine® Piezo-Ultraschallmotoren ermöglichen sehr dynamische Zustellbewegungenund sind dabei so kompakt herstellbar, dasssie bereits in vielen neuen Anwendungeneingesetzt werden.
Piezoschreitantriebe wiederum bieten übermehrere Millimeter die hohen Kräfte, diePiezoaktoren entwickeln. Die patentierten
NEXLINE® und NEXACT® Antriebe von PI
mit ihrem komplexen Aufbau aus Longitudinal-, Scher- und Biegeelementen sowie entsprechender Kontaktierung werden komplett bei PI Ceramic gefertigt.

31

PIEZO TECHNOLOGYAnwendungsbeispiele für Piezokeramiken
VIELSEITIG UND FLEXIBEL

Akusto-elektrische Wandler
Schall- und Ultraschall-Empfänger, z. B.
Mikrofone, Füllstands- und Durchflussmessung! Geräuschanalyse! Acoustic Emission Spectroscopy!

Inverser Piezoeffekt
Das Piezoelement verformt sich bei Anlegeneiner elektrischen Spannung; es entstehenmechanische Bewegungen oder Schwingungen.

Elektro-mechanische Wandler
Aktoren, wie Translatoren, Biegeelemente,
Piezomotoren für z. B.
Mikro- und Nanopositionierung
Laser-Tuning! Schwingungsdämpfung! Mikropumpen! Pneumatikventile!
!

Sei es in der Medizintechnik, Biotechnologie
im Maschinenbau oder in der Fertigungstechnik bis hin zur Halbleitertechnologie– unzählige Felder profitieren von den piezoelektrischen Eigenschaften der Bauelemente.
Dabei werden sowohl der direkte als auch der
inverse Piezoeffekt industriell genutzt.

Direkter Piezoeffekt
Das Piezoelement wandelt mechanische
Größen wie Druck, Dehnung oder Beschleunigung in eine messbare elektrische Spannung um.

Mechano-elektrische Wandler
Sensoren für Beschleunigung und Druck! Schwingungsaufnehmer, z.B. zur Detektion von Unwuchten an rotierenden
Maschinenteilen oder Crash-Detektoren
im Automobilbereich! Zündelemente! Piezotastaturen! Generatoren, z. B. autarke Energiequellen(Energy Harvesting)! Passive Dämpfung!

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

Die Ultraschall-Signalverarbeitung nutzt
beide Effekte und wertet Laufzeiten, Reflexion und Phasenverschiebung von Ultraschallwellen 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!
!

Pump- und Dosiertechnik mit Piezoantrieben
Die fortschreitende Miniaturisierung stellt
stetig steigende Anforderungen an die verwendeten Komponenten, so auch an die Antriebe für Mikrodosiersysteme. Hier bieten
piezoelektrische Elemente die Lösung: Siearbeiten zuverlässig, schnell und präzise,
und können für den kleinsten Bauraum passend ausgeformt werden. Gleichzeitig ist ihr
Energieverbrauch gering und sie sind klein
und preiswert.
Die Dosiermengen reichen vom Milli-,
Mikro-, Nano- bis in den Picoliterbereich. Die
Anwendungsbereiche für piezoelektrische
Pumpen liegen in der Labor- und Medizintechnik, der Biotechnologie, der chemischen
Analytik und der Verfahrenstechnik, wo häufig kleinste Mengen Flüssigkeit und Gase zuverlässig dosiert werden müssen.

Mikro-Membranpumpen,
Mikro-Dosierventile
Der Pumpenantrieb besteht aus einem piezoelektrischen Aktor und einer damit verbundenen Pumpmembran, meist aus Metalloder Silizium. Die Deformation des Piezoelements verändert das Volumen in der Pumpenkammer, wobei der Antrieb durch die
Membran vom Fördermedium abgetrennt
ist.
Abhängig von der Tropfengröße und dem
damit erforderlichen Membranhub, aberauch von der Viskosität des Mediums, kannder Antrieb mit Piezoscheiben, mit Piezostapelaktoren oder mit Hilfe hebelübersetzter
Systeme erfolgen.
Wegen ihrer kompakten Abmessungen sinddiese Dosiervorrichtungen auch für Lab-ona-chip Anwendungen geeignet.
Piezoantriebe werden auch zum Öffnen
und Schließen von Ventilen eingesetzt. Hierreicht das Spektrum vom einfachen Piezoelement oder Biegeaktor für ein Membranventil über vorgespannte Piezostapelaktoren
für viel Dynamik und Kraft bis zum Piezohebel, der Feinstdosierungen auch bei hohem
Gegendruck vornimmt.

Auch Kraftstoff-Einspritzsysteme im Automobilbereich, angetrieben mit MultilayerStapelaktoren, sind Mikro-Dosierventile.

Schlauch- oder Peristaltikpumpen,
Jet-Dispenser
Wenn Flüssigkeiten oder Gase präzise undmöglichst gleichmäßig und stoßfrei dosiert
werden sollen, bieten sich so genannte
Schlauch- oder Peristaltikpumpen an. Bei
ihnen wird das zu fördernde Medium durchäußere mechanische Verformung eines
Schlauches durch diesen hindurchgedrückt.
Die Pumprichtung wird durch die Ansteuerung der einzelnen Aktoren bestimmt.
Als Antriebselement sind – je nach Anforderungen an Kraft und Bauraum – flache
Piezobiegeelemente, kompakte Piezochipaktoren oder Piezostapelaktoren eingesetzt.
Biegewandler eignen sich dabei hauptsächlich für Anwendungen mit niedrigem
Gegendruck, z. B. für Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität.
Höhere Gegendruckfähigkeit bieten die
Piezoaktoren, die sich zur Dosierung vonStoffen höherer Viskosität eignen, jedoch
mehr Raum beanspruchen.

Piezoelektrische Mikrodispenser,
Drop-on-Demand
Piezoelektrische Mikrodispenser bestehen
aus einer flüssigkeitsgefüllten Kapillare, diezu einer Düse ausgeformt ist, und einem
umgebenden Piezorohr.
Bei Anlegen einer Spannung kontrahiert das
Piezorohr und erzeugt in der Kapillare eine
Druckwelle. Dadurch werden Einzeltropfen
abgeschnürt und auf eine Geschwindigkeit
von einigen Metern pro Sekunde beschleunigt, so dass sie einige Zentimeter zurücklegen können.
Das Tropfenvolumen variiert mit den Eigenschaften des geförderten Mediums, den
Dimensionen der Pumpenkapillaren und
den Ansteuerparametern des Piezoaktors.
Als Düsen können auch in Silizium geätzte
Mikrokanäle verwendet werden.

33

PIEZO TECHNOLOGYUltraschallanwendungen in der Medizintechnik
Der Piezoeffekt wird für eine Vielzahl vonAnwendungen im Life Science Bereich genutzt: zur Bildgebung in der medizinischen
Diagnostik, in der Therapie zur Schmerzbehandlung, zur Aerosolerzeugung oder zur
Zahnsteinentfernung, für Skalpelle in derAugenchirurgie, zur Überwachung von Flüssigkeiten, wie z. B. zur Detektion von Luftblasen bei der Dialyse, oder auch als Antriebe
für Dispenser und Mikropumpen.

Das Prinzip ist jeweils ähnlich und funktioniert analog zur Ultraschall-Materialbearbeitung: Piezokeramische Verbundsysteme, die
aus 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
Wenn hohe Leistungsdichten gefordert
sind, wie z. B. bei der Ultraschall-Zahnstein-Entfernung oder für chirurgische
Instrumente, kommen hier „harte“ PZTMaterialien zum Einsatz.

Ultraschallwerkzeuge in der Chirurgie
und Kosmetik
Ultraschallgetriebene Werkzeuge ermöglichen heute minimalinvasive Operationstechniken beispielsweise in der Augen- undKieferchirurgie. Auch Geräte zur Liposuktion basieren häufig auf Ultraschalltechnik.
Bereits seit längerer Zeit werden Piezoelemente als Ultraschallerzeuger zur Entfernung von mineralischen Belägen an
menschlichen Zähnen eingesetzt.

34

Der große Vorteil der Sonografie liegt inder Unschädlichkeit der Schallwellen, weshalb das Verfahren weit verbreitet ist. Der
Schallkopf enthält ein Piezoelement, dasUltraschallwellen erzeugt und auch wieder
nachweist. Der Schallkopf sendet kurze,
gerichtete Schallwellenimpulse aus, die in
den Gewebeschichten unterschiedlich starkreflektiert und gestreut werden. Über die
Messung der Laufzeit und der Stärke derReflexionen wird ein Bild der untersuchten
Struktur erzeugt.

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

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Ultraschalltherapie

Aerosolerzeugung

Bei diesem Verfahren wird das Gewebeüber einen Schallkopf mit Ultraschallwellen
bestrahlt. Mechanische Längswellen erzeugen zum einen mechanische Vibrationen
im Gewebe, zum anderen wird ein Teil der
Ultraschallenergie in Wärme umgewandelt. Typische Arbeitsfrequenzen liegen im
Bereich 0,8 bis über 3 MHz, wobei in der Anwendung sowohl Dauer- als auch ImpulsSchallverfahren zum Einsatz kommen. Dieübertragenen Schwingungsamplituden liegen im Bereich um 1 µm.

Ultraschall ermöglicht die Verneblung von
Flüssigkeiten ohne Erhöhung des Druckes
oder der Temperatur, was speziell für empfindliche Substanzen wie Medikamente vonentscheidender Bedeutung ist.

Abhängig vom Energiegehalt der Strahlung
werden unterschiedliche Effekte erzielt.
Hochenergetische Stoßwellen werden z. B.
zur Zertrümmerung von Nierensteinen genutzt. Stoßwellen niedriger Energie bewirken eine Art von Mikromassage, und werden
unter anderem zur Knochen- und Gewebebehandlung und in der Physiotherapie eingesetzt.

Analog zur hochfrequenten Ultraschallreinigung erzeugt eine im Flüssigkeitsgefäß
befestigte und in Resonanz schwingende
Piezokeramikscheibe Ultraschallwellen großer Intensität. Die Flüssigkeitströpfchen entstehen oberflächennah durch Kapillarwellen.
Der Durchmesser der Aerosoltröpfchen wirdvon der Frequenz der Ultraschallwellen bestimmt: Je höher die Frequenz ist, desto kleiner sind die Tröpfchen.
Bei der Direktverneblung, wo das hochfrequent schwingende Piezoelement im direkten Kontakt mit der Flüssigkeit steht, wird
die Piezooberfläche speziell für aggressive
Substanzen veredelt.

Im kosmetischen Bereich gewinnt die Ultrasonophorese, also das Einbringen von Medikamenten unter die Haut, immer mehr an
Bedeutung.

Ultraschall-Sensoren:
Piezoelemente in der Messtechnik
Durchflussmessung
Die Messung von Durchflussmengen ist
in vielen Bereichen die Basis für einen geregelten Ablauf von Prozessen. Beispielsweise wird in der modernen Gebäudetechnik der Verbrauch von Wasser, Warmwasser
oder Heizenergie erfasst, und damit sowohl die Versorgung als auch die Abrechnung gesteuert.
In der Industrieautomation und speziell
in der Chemieindustrie kann die Volumenmessung das Abwiegen von Stoffmengenersetzen.
Nicht nur die Fließgeschwindigkeit, sondern
auch die Konzentration bestimmter Stoffekann erfasst werden.

Die Laufzeitmessung basiert auf dem wechselseitigen Senden und Empfangen von
Ultraschallimpulsen in und gegen die Strömungsrichtung. Dabei werden zwei Piezowandler, die sowohl als Sender als auchals Empfänger arbeiten, in einer Schallstrecke schräg zur Strömungsrichtung angeordnet.
Beim Doppler-Prinzip wird die Phasen- bzw.
Frequenzverschiebung der Ultraschallwellen, die von Flüssigkeitspartikeln gestreut
bzw. reflektiert werden, ausgewertet. Die
Frequenzverschiebung zwischen abgestrahlter und am gleichen Piezowandler empfangener, reflektierter Wellenfront ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit.

PIEZO TECHNOLOGY35

Ultraschall-Sensoren:
Piezoelemente in der Messtechnik
Füllstandsmessung
Bei der Laufzeitmessung arbeitet der Piezowandler außerhalb des zu messenden Mediums sowohl als Sender als auch Empfänger.
Er sendet einen Luftultraschallimpuls aus,der vom Füllgut reflektiert wird. Die benötigte Laufzeit ist ein Maß für den zurückgelegten Weg im leeren Behälterteil.
Damit sind berührungslose Messungenmöglich, bei denen der Füllstand von Flüssigkeiten, aber auch von Feststoffen, z. B. in
Silos, gemessen werden kann. Die Auflösung bzw. Genauigkeit hängt davon ab, wie
gut der Ultraschallimpuls von der jeweiligen
Oberfläche reflektiert wird.
Tauchschwinger, oder Stimmgabelsensoren,
werden fast ausschließlich als Niveauschalter eingesetzt; eine Messung des Füllstandes
erfordert mehrere dieser Sensoren in verschiedenen Höhen.
Der Piezowandler regt eine Stimmgabel inihrer Eigenfrequenz an. Bei Kontakt mit dem
zu messenden Medium verschiebt sich die
Resonanzfrequenz, was elektronisch ausgewertet wird. Diese Methode funktioniert
zuverlässig und ist kaum anfällig für Störungen. Sie ist außerdem unabhängig von der
Art des Füllmediums.

Partikel und Luftblasen detektieren
Der Ultraschall-Luftblasensensor bietet einezuverlässige Kontrolle des Flüssigkeitstrans-

ports in Schlauchleitungen. Der Sensor erkennt Luft- und Gasblasen in der Flüssigkeit
berührungslos durch die Schlauchwand, undermöglicht so eine kontinuierliche Qualitätsüberwachung.
Die Einsatzmöglichkeiten liegen im medizinischen, pharmazeutischen und lebensmitteltechnischen Bereich. So dienen die Sensoren
zur Überwachung von Dialysemaschinen, Infusionspumpen oder Transfusionen. Industrielle Anwendungen liegen in der Steuer- undRegeltechnik, wie z. B. in der Überwachungvon Dosier- und Abfüllanlagen.

Beschleunigungs- und Kraftsensoren,
Kraftaufnehmer
Das Kernstück des piezoelektrischen Beschleunigungssensors ist eine Scheibe aus
piezoelektrischer Keramik, die mit der seismischen Masse verbunden ist. Wird das Gesamtsystem beschleunigt, so verstärkt diese
Masse die mechanische Deformation der Piezoscheibe, und erhöht damit die messbare
Spannung. Die Sensoren erfassen Beschleunigungen in einem breiten Frequenz- undDynamikbereich bei nahezu linearem Verhalten über den gesamten Messbereich.
Piezoelektrische Kraftsensoren eignen sichzur Messung dynamischer Zug-, Druck undScherkräfte. Sie können sehr steif ausgelegt
werden und können auch hochdynamische
Kräfte messen. Typisch ist die sehr hohe Auflösung.

Beispiel für eine Stimmgabel zur Füllstandsmessung,
OEM-Produkt

36

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Piezoelektrische Aktoren
Piezoelektrische Translatoren sind keramische Festkörperaktoren, die elektrische Energie mit theoretisch unbegrenzter Auflösung
direkt in lineare Bewegung umsetzen.
Die Länge des Aktors ändert sich dabei um
bis zu 0,15 %. Die Aktoren entwickeln gleichzeitig große statische und dynamische
Kräfte.
Ihre besonderen Eigenschaften prädestinieren Piezoaktoren für den Einsatz im
Halbleiterbereich, in der Optik und der Telekommunikation. Auch im Automobilbereich,in der pneumatischen Ventiltechnik und
Schwingungsdämpfung oder für Mikropumpen finden sie Verwendung.

Piezosysteme mit hoher Kraftentwicklung: PICA
PICA-Hochlast-Piezoaktoren werden aus
Piezokeramik-Scheiben in Stapelbauweise
gefertigt. Die einzelnen Schichten sind dabei
in Presstechnologie hergestellt. Anwendungen der Hochlastaktoren finden sich z. B. im
Maschinenbau beim Unrunddrehen, in deraktiven Schwingungsdämpfung oder bei
Schaltanwendungen.
Viele Modifikationen sind möglich:!

Materialien!

Schichthöhe und damit Spannungsbereich!

Abmessungen und Grundform

PI Ceramic liefert neben Hunderten vonStandardausführungen auch schnell undzuverlässig Sonderanfertigungen nach Kundenwunsch.

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Krafterzeugung bzw. Belastbarkeit!

Form und Material der Endstücke!

Verringerte Längentoleranzen

Für Anwendungen, die eine hohe Linearität
der Bewegung im geschlossenen Regelkreis
erfordern, können die Aktoren mit Positionssensoren versehen werden.

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Integrierte piezoelektrische Sensorscheiben!

Erweiterter Temperaturbereich!

Vakuumkompatible und unmagnetische
Versionen

Piezoaktoren von
PI Ceramic
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Bewegung mit
Sub-NanometerAuflösung
Große Kräfte bis
80.000 N,
hohe Belastbarkeit
bis zu 100 MPa
Ansprechzeit im
MikrosekundenBereich
Spiel- und reibungsfrei
Minimale Leistungsaufnahme beim
Halten der Position
Verschleißfrei
Hohe Zuverlässigkeit(> 109 Schaltzyklen)
Vakuum- und reinraumkompatibel
Betrieb bei kryogenen Temperaturen
möglichMagnetische Felder
haben keinen Einfluss
und werden auchselbst nicht beeinflusst

Weitere Informationen
auf www.piceramic.de

Auswahl von Piezostapelaktoren

37

PIEZO TECHNOLOGYPiezoelektrische Aktoren
Zuverlässige Piezoaktoren mit niedriger
Betriebsspannung: PICMA®

Piezoelektrische PICMA® Aktoren

PICMA® Multilayer-Aktoren sind in Folientechnik aufgebaut und werden anschließend
im Multilayer-Cofiring-Verfahren gesintert.
Die spezielle PICMA® PZT-Keramik und -Fertigungstechnik kombiniert Eigenschaften
wie Steifigkeit, Kapazität, Auslenkung, Temperaturstabilität und Lebensdauer ideal. Die
typische Betriebsspannung der PICMA®
Multilayer-Aktoren beträgt 100–120 V.
PICMA® Piezoaktoren sind die weltweit einzigen Multilayeraktoren mit vollkeramischer
Isolation. Diese Technologie schützt die
PICMA® Aktoren vor Umwelteinflüssen, insbesondere Feuchtigkeit, und sorgt für die
extrem hohe Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit selbst unter harten industriellen
Einsatzbedingungen. Die Lebensdauer von
PICMA® Aktoren liegt deutlich über der vonPiezoaktoren mit herkömmlicher Polymerisolation.
Da PICMA® Piezoaktoren keine zusätzliche
Polymerisolation benötigen und bis 150 °C
betrieben werden können, bieten sie optimale Voraussetzungen für den Einsatz im
Hochvakuum. Sie arbeiten bis in den kryogenen Temperaturbereich, dann bei reduziertem Stellweg.

Hebelübersetztes System

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

Piezo-Nanopositioniersystem
mit Parallelkinematik und Positionssensoren

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Weitere Anwendungen finden sich im Bereich der aktiven Schwingungsdämpfung,in der Nanotechnologie, Messtechnik, Optik
und Interferometrie.

Vorgespannte Aktoren – Hebel –Nanopositionierung
PICMA® Piezoaktoren von PI Ceramic sinddas Kernstück für Nanopositioniersysteme
von Physik Instrumente (PI). Sie werden inverschiedenen Stufen der Integration angeboten: als einfache Aktoren optional mit
Positionssensor versehen, im Gehäuse mitoder ohne Vorspannung, mit Hebelübersetzung für einen vergrößerten Stellweg, bis
hin zum Hochleistungs-Nanopositioniersystem, in dem Piezoaktoren bis zu sechs
Achsen über verschleiß- und reibungsfreie
Festkörpergelenke antreiben.
Allen gemeinsam ist die Bewegungsauflösung im Nanometerbereich und die lange
Lebensdauer und außergewöhnliche Zuverlässigkeit. Die Kombination der PICMA®
Aktoren mit Festkörperführungen und Präzisionsmesssystemen ergibt Geräte zur
Nanopositionierung in der höchsten Performanceklasse.
Die Anwendungsbereiche reichen von derHalbleitertechnik, Messtechnik, Mikroskopie,
Photonik, bis hin zu Biotechnologie, Raumfahrt, Astronomie und kryogenen Umgebungen.

Schwingungsdämpfung
Wenn ein mechanisches System aus dem
Gleichgewicht gebracht wird, kann es zu
Schwingungen kommen. Bei Anlagen, Maschinen und empfindlichen Geräten wirken
diese funktionsstörend und beeinflussen
somit die Qualität der Produkte. So lange
zu warten, bis Umgebungseinflüsse die
Schwingung dämpfen und zum Stillstandbringen, ist in vielen Anwendungen nicht
möglich; zudem überlagern sich meist mehrere Störungen zeitlich und ergeben einmehr oder weniger konfuses Schwingungsbild mit unterschiedlichsten Frequenzen.
Hier ist es notwendig, die Schwingungen zu
isolieren, um das Objekt von seiner Umgebung dynamisch zu entkoppeln und damit
die Übertragung von Erschütterungen undvon Körperschall zu verringern. Dadurch
steigt die Präzision bei Mess- oder Fertigungsabläufen und die Einschwingzeiten
reduzieren sich erheblich, wodurch höhere
Durchsatzraten realisierbar sind. Piezoelektrische Bauelemente können Schwingungenbesonders im unteren Frequenzbereich entweder aktiv oder passiv dämpfen.

Passive Schwingungsisolierung
Elastische Materialien nehmen die Schwingungen auf und mindern sie. Hierfür können auch Piezoelemente eingesetzt werden:
Sie nehmen die mechanische Energie derStrukturschwingungen auf und wandeln sie
gleichzeitig in elektrische Energie um. Anschließend wird diese z. B. über parallelgeschaltete elektrische Widerstände in Wärme
umgewandelt.
Passive Elemente werden möglichst nahe
am zu entkoppelnden Objekt angebracht.
Die zur Schwingungsisolation üblichen passiven Verfahren reichen allerdings für viele
der heutigen Technologien nicht mehr aus.

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

Aktive Schwingungsisolierung
Hier kompensieren oder minimieren Gegenbewegungen die störenden Schwingungen,und dies möglichst nahe an der Quelle. Dazu
müssen in einem geeigneten Regelkreis zunächst die Strukturschwingungen erfasst
und anschließend die Gegenbewegungenaktiv erzeugt werden.
Adaptive Materialien, wie piezokeramische
Platten oder Scheiben, können sowohl Sensor- als auch Aktorfunktionen übernehmen.
Der Frequenzbereich und die zu dämpfende
Masse entscheiden über die Auswahl der
geeigneten Piezoaktoren. Dafür sind außerdem eine externe Spannungsquelle undpassende Steuerungselektronik erforderlich.
Mehrschichtige Keramikaufbauten ermöglichen höhere Effizienz. Beispielsweisekönnen auch mehrlagige piezoelektrische
Aktoren, wie die PICMA® Multilayer Translatoren, überall dort eingesetzt werden, wo
genau dosierte Wechselkräfte auf Strukturen
einwirken sollen.
Die Anwendungsbereiche liegen vor allem
im Bereich der Luft- und Raumfahrt, wo z.
B. Treibstoff eingespart werden soll, oder
die Schwingungen von Gitteraufbauten fürAntennen gedämpft werden sollen. Im Fahrzeugbau, sei es Automobil- oder Schiffsbau,
ist eines der Ziele, die Geräusche im Innenraum zu minimieren. In zunehmendem Maßwerden auch z. B. die Vibrationen rotierender Antriebe im Maschinenbau isoliert undaktiv unterdrückt.

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PIEZO TECHNOLOGY

Adaptronik
Industrielle Anwendungen der Zukunft
Für die moderne Industrie nimmt die Entwicklung selbstanpassender, adaptiver Systeme zunehmend größeren Raum ein.
Immer wichtiger werden dabei intelligente
Werkstoffe, so genannte „Smart Materials“,die sowohl sensorische als auch aktorische
Eigenschaften besitzen. Sie stellen geänderte Umfeldbedingungen wie zum Beispiel

F

U

Eine Verformung des Substrats bewirkt ein elektrisches Signal. Damit kann der DuraAct Wandler
präzise und hochdynamisch Deformationen feststellen.

F

F

U

Der DuraAct Flächenwandler kontrahiert beim Anlegen einer elektrischen Spannung. Aufgebracht
auf ein Substrat arbeitet er hier als Biegeelement.

Stoß-, Druck- oder Biegebeanspruchungenfest und reagieren darauf.
Piezokeramiken gehören zu diesen adaptiven Werkstoffen. Eine kompakte Lösung
bieten die piezoelektrischen DuraAct Flächenwandler. Grundlage ist eine dünne
piezokeramische Folie, die mit elektrischleitendem Material zur elektrischen Kontaktierung bedeckt und anschließend in einen
duktilen Polymerverbundstoff eingebettet wird. Die an sich spröde PiezokeramikFwird dadurchmechanisch vorgespannt undelektrisch isoliert und ist so robust, dasssie sogar auf gekrümmten Oberflächen mit
Biegeradien von einigen Millimetern aufgebracht werden kann.
Die Wandler werden einfach auf das entsprechende Substrat aufgeklebt oder bereits
beim Herstellungsprozess in eine Struktur integriert, wo sie Vibrationen oder Konturverformungen im Bauteil selbst erkennen odererzeugen. Die Größe der Konturänderung ist
dabei stark von den Substrateigenschaften
abhängig und reicht vom Nanometer- bis inden Millimeterbereich.
Auch bei hoher dynamischer Belastung
stellt die Bauweise eine hohe Schadenstoleranz, Zuverlässigkeit und Lebensdauer vonüber 109 Zyklen sicher. Verschleiß und Störanfälligkeit sind sehr gering, da die Wandler
als Festkörperaktoren keine beweglichen
Teile enthalten.

Energie aus Vibration – Energy Harvesting40

Um auf Batterien und den damit verbundenen Service-Aufwand zu verzichten, gibt es
die Möglichkeit, Energie aus der Umgebung
zu nutzen. Piezoelemente wandeln die kinetische Energie aus Schwingungen oder Erschütterungen in elektrische Energie.
Auch hier können die robusten und kompakten DuraAct Wandler eingesetzt werden. Ver-

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formungen des Substrats verursachen eine
Deformation der DuraAct Flächenwandler
und erzeugen damit ein elektrisches Signal.
Eine entsprechende Wandler- und Speicherelektronik kann damit beispielsweiseÜberwachungssysteme, die an schwer zugänglichen Stellen angebracht sind, dezentral versorgenMaterialbearbeitung mit Ultraschall
Ultraschallanwendungen in der Materialbearbeitung sind vor allem durch die hohe
Leistungsdichte gekennzeichnet. Die Anwendungen finden typischerweise im Resonanzbetrieb statt, um eine möglichst hohemechanische Leistung bei kleiner Anregungsamplitude zu erhalten.
Besonders geeignet für diese Leistungsschallanwendungen sind die ferroelektrisch„harten“ PZT-Materialien. Sie zeigen nur
niedrige dielektrische Verluste selbst bei
Dauereinsatz, und damit einhergehend nur
eine geringe Eigenerwärmung.
Bei den hohen mechanischen Belastungen
und Betriebsfeldstärken kommen ihre typischen piezoelektrischen Eigenschaften
besonders zum Tragen: moderate Permittivität, große piezoelektrische Kopplungsfaktoren, hohe mechanische Güten und sehr
gute Stabilität.

Ultraschall verbindet: Fügeverfahren
Unterschiedliche Materialien, wie thermoplastische Kunststoffe und metallische Werkstoffe wie Aluminium, Kupfer und deren
Legierungen miteinander zu verbinden, ge-lingt mit Ultraschall-Fügeverfahren. Nachdiesem Prinzip arbeiten z. B. Drahtbonderin der Halbleiterindustrie und UltraschallSchweißsysteme.
Die Ultraschallenergie wird vorwiegend übermechanisch verspannte Piezo-Ringscheiben
generiert, über eine sogenannte Sonotrodeverstärkt und der Fügestelle zugeführt. Die
Reibung der Fügepartner erzeugt dann die
benötigte Wärme, um die Werkstoffe im
Bereich der Fügestelle miteinander zu verschmelzen (verschweißen).

Formgebung durch spanende Verfahren
Neben den Schweißprozessen gewinnt die
Ultraschall-Materialbearbeitung harter mineralischer oder kristalliner Werkstoffe wie Keramik, Graphit oder Glas, speziell durch Ultraschall-Bohren und durch spanabhebende
Verfahren wie das Schwing-Läppen, immer
mehr an Bedeutung. Damit können geometrisch komplexe Formen und dreidimensionale Konturen erzeugt werden, wobei nur
ein geringer Anpressdruck nötig ist. Auchhier werden speziell geformte Sonotroden
als Bearbeitungswerkzeug verwendet.

Sonartechnik und Hydroakustik
Systeme der Sonartechnik (engl.: sonar =sound navigation and ranging) und der Hydroakustik werden für Mess- und Ortungsaufgaben speziell im maritimen Bereich
eingesetzt. Die bisher vorwiegend militärischvorangetriebene Entwicklung hochauflösender Sonarsysteme wird in zunehmendem
Maße durch zivile Anwendungen ersetzt.
Neben den immer noch aktuellen Unterseeboot-Ortungssonaren werden Systeme zum

Beispiel für die Tiefenmessung, für die Ortungvon Fischschwärmen, für die Untergrundrelief-Vermessung in Flachgewässern oder für
die Unterwasser-Kommunikation, etc. eingesetzt. Die Palette der eingesetzten Piezokomponenten ist vielfältig und reicht von dereinfachen Scheibe oder Platte, über gestapelte Wandler bis zu Sonararrays, welcheeine zeilenförmige Ablenkung der Richtcharakteristik der Ultraschallwellen ermöglichen.

PIEZO TECHNOLOGY41

Meilensteine der PI Gruppe
EINE ERFOLGSGESCHICHTE

42

WWW.PICERAMIC.DE43

PIEZO TECHNOLOGYGesellschaften

Niederlassungen

DEUTSCHLAND

USA (Ost) & KANADA

USA (West) & MEXIKOPI Ceramic GmbH
Lindenstraße
Lederhose
Tel. +49 36604 882-0
Fax +49 36604 882-4109
info@piceramic.de
www.piceramic.de

PI (Physik Instrumente) L.P.
Auburn, MA 01501
www.pi-usa.us

PI (Physik Instrumente) L.P.
Irvine, CA 92620
www.pi-usa.us

USA (San Francisco Bay Area Office) UK & IRLAND

Physik Instrumente (PI)GmbH & Co. KG
Auf der Römerstraße 176228 Karlsruhe
Tel. +49 721 4846-0
Fax +49 721 4846-1019
info@pi.de
www.pi.de
PI miCos GmbH
Freiburger Straße 30
EschbachTel. +49 7634 5057-0
Fax +49 7634 5057-99
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Sausalito, CA 94965
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Physik Instrumente (PI) S. r. l.
Bressowww.pionline.it

PI Benelux B.V.
Sint-Oedenrode
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FRANKREICHSPANIENPI France SAS
Aix-en-Provence
www.pi.ws

Micos Iberia S.L.
Vilanova i la Geltrú
www.pimicos.es

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Osaka
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CAT125D R2 Piezokeramische Werkstoffe 12/2016 0.0; Änderungen vorbehalten. © Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG 2016

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