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Piezoelektrika Mit Piezoelektrizität (griechisch: Druckelektrizität) wird die Eigenschaft eines Werkstoffs bezeichnet, welcher elektrische Ladung an seiner Oberfläche zeigt, wenn mechanische Spannung auf ihn einwirkt oder umgekehrt ein Werkstück seine äusseren Abmessungen ändert, wenn an ihn ein elektrisches Feld angelegt wird. Wenn Zug oder Druck auf Quarz oder Turmalin einwirkt, treten Ladungen an den Oberflächen der Proben auf. 1 Ceramics II 5. Pietzoelektrika Polarisation durch mechanische Deformation eines Quarzkristalls. U Wird Druck auf den Kristall ausgeübt, so werden die beiden Elektroden elektrisch aufgeladen. 2 Ceramics II 5. Pietzoelektrika Piezoelektrika-3 Der piezoelektrische Effekt kann grundsätzlich nur in nichtzentrosymmetrischen Kristallklassen auftreten, da ein zentrosymmetrischer Kristall auch nach seiner Deformation zentrosymmetrisch bleibt und deshalb keine polare Richtung besitzen kann. Der Pietzoeffekt kann auftreten in: • unpolaren (Quarz-SiO2) Kristallen • polaren Kristallen (Turmalin) • polaren Keramiken (Ferroelektrika). 3 Ceramics II 5. Pietzoelektrika Direkter piezoelektrischer Effekt mechanische Deformation eines piezoelektrischen Körpers → einer zu ihr proportionalen Änderung der elektrischen Polarisation : Dann linearer Effekt: E = d×x/x oder U = d×x d ist der piezoelektrische Koeffizient. Dies zeigen alle nicht-ferroelektrischen Piezowerkstoffe, also z. B. : unpolare Kristallen (Quarz-SiO2) polaren Kristallen (Turmalin) 4 Ceramics II 5. Pietzoelektrika Ferroelektrische Piezowerkstoffe Einen nichtlinearen Effekt beobachtet man bei der ferroelektrischen Piezokeramik (Ferroelektrika). Die Spannung beschreibt eine Hysterese gegenüber der Deformation. 5 Ceramics II 5. Pietzoelektrika piezoelektrische Effekt 6 Ceramics II 5. Pietzoelektrika Beispiele von vier Arten des direkten piezoelektrischen Effektes In der praktischen Anwendung ist man bestrebt, solche Richtungen auszuwählen, in denen maximale Effekte auftreten. Sensoranordnungen werden so ausgelegt, dass im piezoelektrischen Material mechanische Spannungen und elektrische Felder parallel oder senkrecht zur Anisotropieachse (Achse 3) auftreten. Unter diesen Voraussetzungen kann man nur drei Hauptlagen unterscheiden 7 Ceramics II 5. Pietzoelektrika Mechanische Deformation ge-polter piezoelektrischer Platten durch ein elektrisches Feld 8 Ceramics II 5. Pietzoelektrika Wandlungsgrad Der Wandlungsgrad gibt an, welcher Anteil der insgesamt zugeführten Energie in gewandelter Form verfügbar ist. Die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie kann anhand eines Kreisprozesses bestimmt werden. Dies ergibt: k2 = umgewandelte Energie / Energieinput Der Ausdruck k2 wird allgemein als piezoelektrischer Kopplungsfaktor bezeichnet. Ceramics II 5. Pietzoelektrika 9 Die Werkstoffe PZT: PbTiO3-PbZrO3 10 Ceramics II 5. Pietzoelektrika Die Werkstoffe Lead Magnesium Niobate (Pb(Mg1/3Nb2/3)O3, PMN): Relaxor ferroelectrics are a class of lead based perovskite type compounds with the general formula Pb(B1,B2)O3 where B1 is a lower valency cation (like Mg2+, Zn2+, Ni2+, Fe3+) and B2 is a higher valency cation (like Nb5+, Ta5+, W5+). Pure lead magnesium niobate (PMN or Pb(Mg1/3Nb2/3)O3) is a representative of this class of materials with a Curie point at -10° C. Relaxor ferroelectrics like PMN can be distinguished from normal ferroelectrics such as BaTiO3 and PZT, by the presence of a broad diffused and dispersive phase transition on cooling below the Curie point. 11 Ceramics II 5. Pietzoelektrika PMN-PT The addition of PT, which has a Curie point of 490oC, shifts the Tc of the composition towards higher temperatures. The morphotropic phase boundary composition (0.65 PMN and 0.35 PT) is piezoelectric in nature. Ceramics with this composition are excellent candidates for piezoelectric transducers. Compositions with a Curie point near room temperature (like 0.95 PMN and 0.10 PT) have very large dielectric constants (er > 20,000) which makes them very attractive for multilayer capacitor and strain actuator applications. 12 Ceramics II 5. Pietzoelektrika Polung Um einer ferroelektrischen Keramik piezoelektrische Eigenschaften aufzuzwingen, muss man zur Erzeugung einer remanenten Polarisation ein elektrisches Feld anlegen 13 Ceramics II 5. Pietzoelektrika Verhalten der Piezokeramik bei mechanischer Belastung http://www.morganelectroceramics.com/piezoguide21.html 14 Ceramics II 5. Pietzoelektrika piezoelektrischer Funkengenerator 15 Ceramics II 5. Pietzoelektrika Klopfsensor und Piezodrucktaste 16 Ceramics II 5. Pietzoelektrika Ultraschallwandler mit zwei-stufiger Resonanztransformation: Schnittbild und Richtcharakteristik 17 Ceramics II 5. Pietzoelektrika Transformator 18 Ceramics II 5. Pietzoelektrika Sensoren und deren Frequenzbereich 19 Ceramics II 5. Pietzoelektrika Cantilever bimorphs with (a) a series connection and (b) parallel connection of beams 20 Ceramics II 5. Pietzoelektrika Piezokeramik als elektromechanischer Wandler Vielschichtaktor Abstandskontrolle Echolot Einspritzpumpe 21 Ceramics II 5. Pietzoelektrika Schematics of printing pin elements 22 Ceramics II 5. Pietzoelektrika Kondensator: Aufbau 23 Ceramics II 5. Pietzoelektrika Kondensator: Herstelltechnologie 24 Ceramics II 5. Pietzoelektrika Piezokeramik: Anwendungen 25 Ceramics II 5. Pietzoelektrika Applications of Piezo Actuators and PZT NanoPositioning Systems http://www.physikinstrumente.com/tutorial/index.html Design of Simple Lever Amplifier Design of PZT Stack Actuator Microwave Dielectrics Capacitive Position Sensors with Control Module 26 Ceramics II 5. Pietzoelektrika PZT Ink Jet Printer Head 27 Ceramics II 5. Pietzoelektrika MicroPositioners: Actuators, Translation & Rotation Stages F-206 6D-Parallel-Kinematics Alignment System with optional NanoCube NanoAlignment System F-206 6D-Parallel-Kinematics Alignment System with optional NanoCube NanoAlignment System F-110 XYZ Fiber Positioning System PZT Active Optics (Piezoelectric Tilting Platforms) Micropositioning Systems Piezoelectric Translators (PZTs) 28 Ceramics II 5. Pietzoelektrika http://www.sp.nps.navy.mil/projects/ferro/ferro.html WWW Links http://www-rci.rutgers.edu/~rkpanda/ferroelectric/ferroelectric.html http://www.piezo.com/intro.html http://www.morganelectroceramics.com/piezoguide1.html http://www.piezo.com/2chartbg.html 1. Piezoelectricity and Pyroelectricity Database 1 http://www.gbhap-us.com/c3/lit_guide/lookup.pl 1. Applications of Ferroelectric Ceramic Materials 2 http://www-rci.rutgers.edu/~rkpanda/ferroelectric/ferroelectric.html 1. "Piezo University" by Physik Instrumente (PI), Germany 3 http://www.physikinstrumente.com/tutorial/index.html 1. Ferroelectricity Newsletter 4 http://www.sp.nps.navy.mil/projects/ferro/ferro.html 1. CeramTec Piezoceramics (very good introduction) 5 http://www.ceramtec.de/piezotechnik/piezokeramik.html 1. Open Directory 6 http://dmoz.org/Science/Methods_and_Techniques/Ultrasound/ Companies/Manufacturer_of_Piezomaterials/ 29 Ceramics II 5. Pietzoelektrika Zusammenfassung piezoelektrischer Effekt • Der piezoelektrische Effekt tritt in Werkstoffen mit nichtzentrosymmetrischen Kristallklassen auf. Bei mechanischen Spannungen werden Ladungen an der Oberfläche der Kristalle erzeugt und umgekehrt, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, werden diese Kristalle deformiert. • Der piezoelektrische Kopplungsfaktor k2 gibt den Wandlungsgrad (Verhältnis zwischen zugeführter Energie und umgewandelter Energie) bei einem piezoelektrischen Kreisprozess an. • Als keramische Piezowerkstoffe werden modifizierte PZT-Keramiken eingesetzt. Durch Substitutionen und Dotierungen lassen sich ihre Eigenschaften optimieren. Man unterscheidet dabei Härter, die die Polarisierbarkeit erschweren, Weichmacher, welche die Keramik leichter polarisierbar machen und Stabilisatoren, welche die Langzeitstabilität erhöhen. 30 Ceramics II 5. Pietzoelektrika
