Der piezoelektrische Effekt und seine Anwendungen in der industriellen Sensorik

1. Das Grundprinzip

Der piezoelektrische Effekt tritt bei bestimmten Materialien auf, bei denen mechanischer Druck eine elektrische Ladung erzeugt. Er wurde 1880 von den Gebrüdern Curie entdeckt und leitet sich vom griechischen Wort "piezein" ab, was so viel wie "drücken" bedeutet.

Es gibt zwei Arten:

• Direkter Effekt: Durch mechanische Belastung wird das Material verformt, wodurch sich interne Ladungen verschieben und eine Spannung an den Oberflächen des Materials entsteht. Dadurch wird physische Kraft in elektrische Signale umgewandelt.
• Umgekehrte Wirkung: Das Anlegen eines elektrischen Feldes führt zu einer leichten Formänderung des Materials. Dadurch wird der elektrische Input in eine präzise mechanische Bewegung umgewandelt.

2. Materialtypen

Es gibt drei Hauptkategorien. Stanford Advanced Materials (SAM) bietet Produkte für alle Kategorien an.

Piezoelektrische Kristalle

Einkristalle mit regelmäßiger atomarer Struktur. Quarz ist nach wie vor am gebräuchlichsten und bietet eine stabile Leistung bei Temperaturänderungen mit minimaler Signaldrift. Lithiumniobat und Lithiumtantalat eignen sich gut für Hochfrequenzanwendungen. Kristalle weisen im Allgemeinen eine geringere Empfindlichkeit auf als Keramiken, bieten aber eine bessere Langzeitstabilität.

Piezoelektrische Keramiken

Polykristalline Materialien, vor allem Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), dominieren den industriellen Einsatz. Sie bieten eine wesentlich höhere Empfindlichkeit als Quarz. Die Hersteller können die PZT-Zusammensetzung anpassen, um bestimmte Eigenschaften wie Empfindlichkeit oder Temperaturbeständigkeit zu betonen. Für umweltsensible Anwendungen gibt es jetzt auch bleifreie Optionen wie Kaliumnatriumniobat (KNN).

Piezoelektrische Polymere

Materialien wie PVDF bieten Flexibilität und Zähigkeit. Sie sind zwar weniger empfindlich als Keramiken, entsprechen aber in ihren akustischen Eigenschaften Wasser und Gewebe. Dies macht sie für die medizinische Bildgebung und für Unterwasser-Beschallungssysteme nützlich.

3. Wichtigste Anwendungen

Drucksensoren

Sie messen schnelle Druckänderungen in Motoren, Hydrauliksystemen und industriellen Prozessen. Quarz eignet sich am besten für Umgebungen mit hohen Temperaturen, die eine stabile Kalibrierung über Jahre hinweg erfordern. PZT bietet maximale Empfindlichkeit für die Erfassung kleiner Kräfte unter kontrollierten Bedingungen.

Ultraschallgeräte

Ultraschallwandler senden und empfangen Schallwellen. Medizinische Bildgebungsgeräte, industrielle Fehlerdetektoren, Durchflussmesser und Sonarsysteme sind alle auf sie angewiesen. Die Wahl des Materials hängt von der Betriebsfrequenz und den Leistungsanforderungen ab.

Schwingungssensoren

Beschleunigungssensoren erkennen Bewegungen und Schwingungen, indem sie die Kraft auf eine seismische Masse messen. Sie überwachen den Zustand von Brücken. Sie sagen Maschinenausfälle voraus.

Sie lösen Auto-Airbags aus. Sie testen Teile für die Luft- und Raumfahrt. Sie arbeiten mit Frequenzen von nahezu Null bis zu Tausenden von Hertz.

Präzisionspositionierer

Der umgekehrte Effekt ermöglicht eine Positionierung mit Nanometergenauigkeit. Rasterkraftmikroskope, Werkzeuge für die Chipherstellung, Kraftstoffeinspritzdüsen und Druckerköpfe nutzen piezoelektrische Aktoren für Geschwindigkeit und Präzision.

Energiegewinnungssysteme

Vibrationen von Maschinen, Fahrzeugen oder menschlichen Bewegungen können kleine Mengen an Strom erzeugen. Dies versorgt drahtlose Sensoren, bei denen ein Batteriewechsel unpraktisch ist.

4. Leitfaden zur Materialauswahl

Bei der Auswahl von Materialien bietet Stanford Advanced Materials (SAM) technische Unterstützung auf der Grundlage jahrzehntelanger Erfahrung. Kontaktieren Sie uns und erzählen Sie uns von Ihrem Projekt.

5. Stanford Advanced Materials (SAM) Produktlinie

SAM beliefert Forschungslabors und die Industrie weltweit mit piezoelektrischen Materialien, die strengen Spezifikationen entsprechen.

Quarzkristalle

SAM bietet Quarz in AT-, BT-, SC- und kundenspezifischen Schliffen an. Jeder Schliff bietet ein anderes Temperaturverhalten. Zu den Anwendungen gehören Kraftsensorik, Beschleunigungsmessung und Frequenzsteuerung, wo Stabilität am wichtigsten ist. [Quarzprodukte ansehen]

Lithium-Niobat

Lithiumniobat von SAM ist in kongruenten und stöchiometrischen Qualitäten erhältlich. Es ist in verschiedenen Schliffen erhältlich, darunter 128° Y-X, Y-36°, X-Schliff und Z-Schliff. Aufgrund seiner hohen Curie-Temperatur (>1100°C) eignet es sich für akustische Oberflächenwellenfilter und optoelektronische Anwendungen.

Lithium-Tantalat

Die bessere Temperaturstabilität als Niobat macht SAMs Tantalat zur ersten Wahl für Telekommunikationsfilter und Infrarotdetektoren. Erhältlich in 42° Y-Schliff, X-Schliff und anderen Ausrichtungen bis zu einem Durchmesser von 4 Zoll. [Lithiumtantalat-Produkte anzeigen]

PMN-PT Einkristalle

Diese Relaxorkristalle erreichen d₃₃-Werte über 1500 pC/N und Kopplungsfaktoren über 0,90. Medizinische Ultraschallwandler gewinnen an Bandbreite und Empfindlichkeit.

Aktuatoren erreichen eine größere Auslenkung. Energie-Harvester fangen mehr Energie ein.

PZT-Keramik

SAM bietet sowohl harte als auch weiche PZT-Zusammensetzungen an. Hartes PZT eignet sich für hohe Leistungen in Ultraschallreinigern und beim Schweißen.

Weiches PZT bietet maximale Empfindlichkeit für Sensoren. Erhältlich als Scheiben, Platten, Rohre und kundenspezifische Formen.

Kundenspezifische Dienstleistungen

SAM züchtet Kristalle nach Kundenspezifikationen. Benötigen Sie eine bestimmte Ausrichtung? Dotierungsgrad? Abmessungen? Elektrodenmuster? Das technische Team wird mit Ihnen zusammenarbeiten. [Kundenspezifische Dienstleistungen anzeigen]

Referenzen

1. Curie, J. und Curie, P. (1880). "Développement par compression de l'électricité polaire dans les cristaux hémièdres à faces inclinées." Bulletin de la Société Minéralogique de France, 3(4), S. 90-93.

2. Jaffe, B., Cook, W.R. und Jaffe, H. (1971). Piezoelektrische Keramiken. Akademische Presse, London.

3. IEEE-Standard zur Piezoelektrizität (1987). ANSI/IEEE Std 176-1987. The Institute of Electrical and Electronics Engineers.

4. Uchino, K. (2017). Piezoelectric Actuators: Principles and Applications. MDPI Books, Basel.

5. Safari, A. und Akdogan, E.K. (2008). Piezoelectric and Acoustic Materials for Transducer Applications. Springer Science+Business Media, New York.

6. Rödel, J., Webber, K.G., Dittmer, R., Jo, W., Kimura, M. und Damjanovic, D. (2015). "Transfering lead-free piezoelectric ceramics into application". Journal of the European Ceramic Society, 35(6), S. 1659-1681.

7. Tressler, J.F., Alkoy, S. und Newnham, R.E. (1998). "Piezoelektrische Sensoren und Sensormaterialien". Journal of Electroceramics, 2(4), S. 257-272.

8. Damjanovic, D. (1998). "Ferroelektrische, dielektrische und piezoelektrische Eigenschaften von ferroelektrischen Dünnschichten und Keramiken". Reports on Progress in Physics, 61(9), S. 1267-1324.

9. Zhang, S. und Li, F. (2012). "High performance ferroelectric relaxor-PbTiO₃ single crystals: Status and perspective." Journal of Applied Physics, 111(3), 031301.