Das Anwendungsfeld der piezoelektrischen Keramiken dehnte sich aus in dem Maße, wie der Herstellungsprozeß für diese Keramiken verbessert werden konnte. Ein wesentlicher Aspekt ist die Synthese von Bleizirkonat- Titanat- Keramiken mit einer anspruchsvollen Spezifikation bei niedrigen Kosten einer großvolumigen Produktion. Nicht zu unterschätzen ist dabei jedoch, daß auch spezielle Anwendungen, die keine großvolumige Produktion voraussetzen und relativ hohe Kosten und Preise tolerieren, weiterhin ein außergewöhnliches Wachstum erfahren.
Für die unterschiedlichen Anwendungen erfüllen piezoelektrische Keramiken als Modifikationen des Bleizirkonat- Titanat unterschiedlicher Spezifikation unterschiedliche Anforderungen.
Dank der großen Vielfalt der aus ihnen herzustellenden Bauteile kommen die piezoelektrischen Keramiken für elektromechanische Wandler in einem weiten Frequenzbereich zum Einsatz (Bild 9). Sie dienen der Umwandlung von Kräften, Beschleunigungen (Sensoren) oder akustischen Signalen in elektrische Signale (Schall- und Ultraschall- "Mikrofone") ebenso wie der Umwandlung von elektrischen Spannungen in Schwingungen (Schall- und Ultraschallgeber) . Mit piezokeramischen Bauteilen ausgestattete Systeme dienen auch der Ultraschallortung (s. a. Einparkhilfe für Kraftfahrzeuge). Die Ultraschall- Signalverarbeitung beruht dabei auf der Bewertung von Geschwindigkeit, Absorption und Reflexion von Ultraschallwellen [1],[15],[16].

Bild 9. Einsatzbereiche piezoelektrischer Wandler

Für solche Anwendungen, wie Ultraschallgeneratoren hoher Leistung für die Ultraschallreinigung und die Sonartechnik, kommen "harte" piezoelektrische Keramiken (moderate Dielektrizitätszahl, große piezoelektrische Aktivität hohe elektrische und mechanische Güte, Stabilität bei hohen Betriebsfeldstärken und hohen mechanischen Belastungen) zum Einsatz.

Bild 10. Eigenschaften von SONOXâ Piezokeramiken für Sensoren und Aktoren [ 22 ]

Einsatzgebiete der "weichen" piezoelektrischen Keramiken (Bild 10) sind die Elektroakustik (Schallgeber und Schallempfänger), die Meßtechnik (Sensoren) und die Mikromechanik (Aktoren).
Sensoren dienen insbesondere in der Automobiltechnik als Klopf-, Drehrate- und Crash- Sensor der Erfassung von mechanischen Signalen (Schwingungen).
Die Funktion piezokeramischer Aktoren beruht auf der Tatsache, daß durch den Einfluß elektrischer Feldstärken in der Größenordnung der Polungsfeldstärke (2 kV/mm) relative Längen-änderungen) bis zu 1,7 ^o/_oo erzeugt werden können.
Laminierung und Cofiring von piezokeramischen Vielschichten erlauben Bauhöhen von 5...50 mm (40 - 500 Schichten). Eine typische Dehnungskurve von Vielschichtaktoren (mit einer Dicke der einzelnen Schichten von 100 mmmm sind in Bild 11 wiedergegeben.

Bild 11. Betriebscharakteristik von piezokeramischen Multilayer- Aktoren

Bedeutsame Systemeigenschaften piezokeramischer Vielschicht- Aktoren sind
Deformationsverhalten der spannungsgesteuerten Bewegungsquellen, hohe Auflösung der Deformation, direkte Wirkung als spannungsgesteuerte Kraftquelle im Bereich von cN bis kN, hohe Steifigkeit, hoher Wirkungsgrad, Ansprechzeit < 10 m s, geringe geometrische Abmessungen und mechanische Belastbarkeit bis zu 100 MPa.
Mit dieser Spezifikation werden die piezokeramischen Vielschichtaktoren anspruchsvollen Anforderungen neuer Einsatzgebiete in der Hochtechnologie gerecht. Die Applikation der monolithischen Vielschichtaktoren erfolgt in zunehmendem Maße in der für pneumatische und hydraulische Ventile, für Kraftstoff- Einspritzventile und aktive Schwingungsdämpfung in der Fahrzeugtechnik, für Antriebe in der Mikromechanik, für Lichtwellenleiter-Positionierung, Interferometrie und Laser- Tuning sowie für Positioniersysteme zur Feinstrukturierung in der Wafertechnik.

[ 1 ] Jaffe,B. Cook, W. R., Jaffe, H."Piezoelectric Ceramics", Academic Press London, New York ,1971

[ 2] Don Berlincourt, "Piezoceramic Compositionel Development" , J. Acoust. Soc. Am. 91(1992)5, pp.3034-3040

[ 3] Ikeda, T., "Fundamentals of Piezoelectricity", Oxford University Press, Oxford New York Tokyo, 1990

[ 4] DIN EN 500324 (VDE 0336) "Piezoelektrische Eigenschaften keramischer Werkstoffe und Bauteile", Teil 1: Begriffe und Klassifikation; Teil 2: Meßverfahren und Eigenschaften Kleinsignal.

[ 5] Arlt, G., "The Influence of the Microstructure on the Properties of Ferroelectric Ceramics". Pol. Soc. Es. Sera. Vitriol, 34(1995), 5-6. p. 267-271

[ 6] Cross. L.E., "Ferroelectric Materials for Electromechanical Transducer Applications" Jpn. J. Appl. Phys. 34(1995). pp. 2525-2532

[7] Isupov, V. A., Fiz. Tverd. Tela 10(1968)4, S. 1244-1246.

[ 8] Cross, L. E., "Ferroelectric Ceramics: Tailoring Properties for Specific Applications" in Ferroelectric Ceramics, Birkhäuser Verlag, Basel, Boston, London, 1993

[ 9] Xu, Y. "Ferroelectric Materials and Their Applications", North Holland 1991.

[10] Eyraud, L., Gonnard, P., Claudel, B "Causes of Instability and Aging of Piezoelectric Power Ceramics", J. Amer. Ceram. Soc.73(1990)7, pp. 1854- 1856

[11] Dergunova, N. V., Danciger, A. J., Dudkina, S. J., Razumovskaja, O. N., Reznicenko, L. A "Piezokeramische Werkstoffe für die Antriebstechnik" (Russ.) Neorg.Mater. 29(1993)9, 1296-1297.

[12] Helke, G. , "Piezokeramiken und monolithische Vielschichtaktoren".Ber. Symp. MatFo, Würzburg1994, S.147-164

[13] Demartin, M., Carry, C., Setter, N. "The Influence of Processing and Microstructure on the Piezoelectric Properties in Fine Grained Ceramics. Proc. Electroceramics V 1(1994),pp.393-396

[14] Helke, G. Seifert, S., Cho, S. J., "Phenomenological and Structural Properties of Ferroelectric Ceramics Based on xPb(Zr,Ti)O₃ – (1–x)Sr(K_0,25Nb_0,76)O₃ (PZT/SKN) Solid Solutions" J. Europ. Soc.19(199)pp. 1265-1268

[15] Swartz, S. L., "Topics in Electronic Ceramics" IEEE Trans. El. Ins. 25(1990)5, pp.935-987

[16] Safari, A., Panda, R. K., Janas,V. F.Kex, Ferroelectricity: Materials, Characteristics & Applications. Engg. Mat. 122-124(1996),pp. 35-70

[17] Kim S., Lee, G. S., Shrout, R., Venkatarami, S. "Fabrication of fine-grain piezoelec tric ceramics using reactive calcination"
J. Mater. Sci 26(1991) 4411-4415

[18] Fukai, K., Ueda, N., Hidaka, K., Aoki, M., Abe, K., Igarashi, H. Ceramic Powder Science III. 741-744"Easily sinterable Pb(Zr_0,53Ti_0,470₂ solid solution"

[19] Yamamoto, T. "Optimum Preparation Methods for Piezoelectric Ceramics and Their Evaluation" Ceram. Bull. 71(1992)6, 978-98

[20] Helke, G., "Piezoelektrische Keramiken, Physikalische Eigenschaften, Struktur und Zusammensetzungen ..." in : Piezokeramik, expert verlag, Renningen-Malsheim, 1995

[21] Wersing, W.. "Ferroelectric Devices" in Ferroelectric Ceramics, Birkhäuser Verlag, Basel, Boston, London, 1993

[22] Firmenschrift CeramTec AG "Piezoelektrische Bauteile"

Verzeichnis der Abbildungen

Bild 1. Direkter und inverser piezoelektrischer Effekt

Bild 2. Ferroelektrische Hysterese

Bild 3. Polare Struktur von Piezokeramik

Bild 4. Deformations- Verhalten von ferroelektrischen Keramiken (Piezokeramiken) unter Einwirkung eines elektrischen Feldes

Bild 5. Physikalische Kenngrößen einer Zusammensetzungsreihe auf der Basis von Pb(Ti_xZr_y)O₃

Bild 6. Morphotrope Phasenumwandlung im System Bleizirkonattitanat

Bild 7. Typische Prozeßfolge zur Herstellung von Bleizirkonat- Titanat

Bild 8. Der Sinterprozeß piezoelektrischer Keramiken

Bild 9. Einsatzbereiche piezoelektrischer Wandler

Bild 10. Eigenschaften von SONOXâ Piezokeramiken für Sensoren und Aktoren

Bild 11. Betriebscharakteristik von piezokeramischen Multilayer- Aktoren

03. Juli 2003