Ceramics II

5. Pietzoelektrika

1

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.

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

2

Polarisation durch mechanische Deformation eines Quarzkristalls.

Wird Druck auf den Kristall ausgeübt, so werden die beiden Elektroden elektrisch aufgeladen.

U

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

3

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).

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

4

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)

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

5

Ferroelektrische Piezowerkstoffe

Einen nichtlinearen Effekt beobachtet man bei der ferroelektrischen Piezokeramik (Ferroelektrika). Die Spannung beschreibt eine Hysterese gegenüber der Deformation.

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

6

piezoelektrische Effekt

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

7

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

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

8

Mechanische Deformation ge-polter piezoelektrischer Platten durch ein elektrisches Feld

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

9

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

10

Die Werkstoffe PZT: PbTiO3-PbZrO3

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

11

Die WerkstoffeLead 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.

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

12

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.

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

13

Polung

Um einer ferroelektrischen Keramik piezoelektrische Eigenschaften aufzuzwingen, muss man zur Erzeugung einer remanenten Polarisation ein elektrisches Feld anlegen

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

14

Verhalten der Piezokeramik bei mechanischer Belastung

http://www.morganelectroceramics.com/piezoguide21.html

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

15

piezoelektrischer Funkengenerator

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

16

Klopfsensor und Piezodrucktaste

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

17

Ultraschallwandler mit zwei-stufiger Resonanztransformation: Schnittbild und Richtcharakteristik

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

18

Transformator

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

19

Sensoren und deren Frequenzbereich

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

20

Cantilever bimorphs with (a) a series connection and (b) parallel connection of beams

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

21

Piezokeramik als elektromechanischer Wandler

Vielschichtaktor

Einspritzpumpe

Abstandskontrolle

Echolot

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

22

Schematics of printing pin elements

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

23

Kondensator: Aufbau

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

24

Kondensator: Herstelltechnologie

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

25

Piezokeramik: Anwendungen

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

26

Applications of Piezo Actuators and PZT NanoPositioning Systems

Design of Simple Lever Amplifier Design of PZT Stack Actuator

http://www.physikinstrumente.com/tutorial/index.html

Capacitive Position Sensors with Control Module

Microwave Dielectrics

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

27

PZT Ink Jet Printer Head

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

28

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

Micropositioning Systems

PZT Active Optics (Piezoelectric Tilting Platforms) Piezoelectric Translators (PZTs)

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

29

WWW Linkshttp://www.piezo.com/intro.html

1.1

Piezoelectricity and Pyroelectricity Databasehttp://www.gbhap-us.com/c3/lit_guide/lookup.pl

1.2

Applications of Ferroelectric Ceramic Materialshttp://www-rci.rutgers.edu/~rkpanda/ferroelectric/ferroelectric.html

1.3

"Piezo University" by Physik Instrumente (PI), Germanyhttp://www.physikinstrumente.com/tutorial/index.html

1.4

Ferroelectricity Newsletterhttp://www.sp.nps.navy.mil/projects/ferro/ferro.html

1.5

CeramTec Piezoceramics (very good introduction)http://www.ceramtec.de/piezotechnik/piezokeramik.html

1.6

Open Directoryhttp://dmoz.org/Science/Methods_and_Techniques/Ultrasound/ Companies/Manufacturer_of_Piezomaterials/

http://www.morganelectroceramics.com/piezoguide1.htmlhttp://www.piezo.com/2chartbg.html

http://www-rci.rutgers.edu/~rkpanda/ferroelectric/ferroelectric.html

http://www.sp.nps.navy.mil/projects/ferro/ferro.html

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

30

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.