Mehrschichtige piezoelektrische Aktuatoren: Kleine Schichten, hohe Leistung

1. Wo alles begann
2. Wie sie tatsächlich funktionieren
3. Wichtige Parameter
4. Arbeiten mit Bestarsensor
5. Schlussfolgerung

Wo alles begann
Einschichtig piezoelektrische Keramiken Sie waren zwar nützlich, hatten aber ein gravierendes Problem: Um eine nennenswerte Auslenkung zu erzielen, waren extrem hohe Spannungen erforderlich. Das erschwerte ihren Einsatz in praktischen Systemen, und ihre Leistung war weiterhin begrenzt.
Die Technologie der Mehrschichtaktuatoren entstand aus einer einfachen Frage: Was wäre, wenn wir anstelle einer dicken Schicht viele dünne Schichten übereinanderlegen würden? Die Antwort erwies sich als revolutionär. Niedrigere Betriebsspannung, höhere Auslenkung und geringere nutzbare Kraft – diese Kombination eröffnete völlig neue Möglichkeiten, die mit einlagigen Konstruktionen schlichtweg nicht realisierbar waren.
Die Ingenieure, mit denen wir heute sprechen, fordern keine beweglichen Teile mehr. Sie sprechen von Wiederholgenauigkeit im Nanometerbereich. Sie wünschen sich Reaktionszeiten im Mikrosekundenbereich. Sie benötigen Komponenten, die sich auch nach zehntausendstel Zyklen noch genauso verhalten wie beim ersten. Diese Anforderungen treiben moderne Präzisionssysteme an, und mehrschichtige piezoelektrische Aktuatoren werden speziell für deren Erfüllung entwickelt.

Wie sie tatsächlich funktionieren
Die Funktionsweise dieser Aktuatoren ist im Prinzip nicht komplex, wenn man sie genauer betrachtet. Legt man eine Spannung an eine piezoelektrische Keramik an, verformt sich das Kristallgitter im Inneren des Keramikhohlraums. Diese Verformung bewirkt eine geringfügige Änderung der Materialabmessungen. Wird die Spannung entfernt, kehrt das Material in seine ursprüngliche Form zurück. Der gesamte Prozess läuft ohne bewegliche Teile, Reibung oder Verschleiß ab.
Das Problem bei einlagiger piezoelektrischer Keramik besteht darin, dass die Auslenkung sehr gering ist. Eine 1 mm dicke Keramikschicht ermöglicht möglicherweise eine Bewegung von 1 Mikrometer. Das ist für die meisten Anwendungen nicht ausreichend.
Durch die Stapelung ändert sich alles. Schaltet man 200 Stapel in Reihe und verbindet sie elektrisch parallel, verformen sich nun alle Schichten gleichzeitig unter der gleichen angelegten Spannung, und all diese winzigen Verschiebungen summieren sich. Es war dieselbe Spannung nötig, um den gesamten Stapel um 200 Mikrometer zu verschieben, anstatt nur um einen Mikrometer einer einzelnen Schicht. Auch die Kraftwirkung skaliert, da einfach mehr Keramikmaterial Arbeit verrichtet. Das ist das Wesentliche des Mehrschichtdesigns.

Wichtige Parameter
Weg und Blockierkraft geben Aufschluss über die tatsächliche Leistungsfähigkeit eines Aktuators. Der Weg ist der freie Hub ohne Last. Die Blockierkraft ist der maximale Druck gegen eine vollständig eingespannte Last. Der tatsächliche Betriebspunkt liegt irgendwo dazwischen. Beide Werte sind wichtig, und das Verständnis ihres Zusammenhangs ist unerlässlich, bevor Sie sich für eine Konstruktion entscheiden.
Die Reaktionsgeschwindigkeit ist der Bereich, in dem piezoelektrische Aktuatoren der Konkurrenz deutlich überlegen sind. Reaktionszeiten im Mikrosekundenbereich sind Standard. Die Resonanzfrequenzen typischer Stapelaktuatoren reichen je nach Geometrie und Last von wenigen Kilohertz bis über 100 kHz. Kein hydraulischer oder elektromagnetischer Aktor vergleichbarer Kraft erreicht annähernd diese Werte.
Der Stromverbrauch ist geringer als allgemein erwartet. Es handelt sich um kapazitive Lasten. Im Stillstand verbraucht der Aktor nahezu keinen Strom. Energie wird nur bei Positionswechseln benötigt. Für Anwendungen, bei denen der Aktor die meiste Zeit stillsteht, ist dies ein erheblicher Vorteil.
Umweltverträglichkeit ist ein weiterer Bereich, in dem piezoelektrische Aktuatoren ihre Stärken ausspielen. Sie benötigen keine rotierenden Teile, keine Schmierstoffe und keine Reibungskontakte. Sie arbeiten im Hochvakuum ohne Ausgasung. Sie sind sowohl kryogenen als auch erhöhten Betriebstemperaturen gewachsen. In den meisten industriellen Umgebungen sind sie chemisch stabil. Für die Halbleiterfertigung, die Luft- und Raumfahrt sowie wissenschaftliche Instrumente sind diese Eigenschaften von enormer Bedeutung.

Arbeiten mit Bestarsensor
Bestar-Sensor Wir bieten mehr als nur die Auswahl einer Komponente. Wir besprechen mit Ihnen die Vorspannungsauslegung, die Kompatibilität der Ansteuerelektronik, das thermische Verhalten unter Last und die Langzeitstabilität in Ihrer spezifischen Umgebung. Erfahrungsgemäß spart die frühzeitige Klärung dieser Details im Projektverlauf später viel Zeit und Kosten.

Abschluss
Mehrlagige piezoelektrische Keramiken sind bereits Standard für die Bewegungssteuerung im Submikrometerbereich in anspruchsvollen Anwendungen. Die Technologie entwickelt sich jedoch stetig weiter.
Miniaturisierung ist ein wichtiger Entwicklungsansatz. Dünnere Schichten, kleinere Abmessungen und eine engere Integration ermöglichen neue Anwendungen in implantierbaren Medizinprodukten und der Unterhaltungselektronik der nächsten Generation. Höhere Frequenzleistung ist ein weiterer. Die Erweiterung der Betriebsfrequenzbandbreite eröffnet neue Möglichkeiten in der Ultraschallbildgebung und der zerstörungsfreien Prüfung.
Wenn Sie an einem System arbeiten, das zuverlässige, wiederholbare und schnelle Bewegungen in Größenordnungen erfordert, in denen herkömmliche Aktuatoren an ihre Grenzen stoßen, sollten Sie mehrschichtige piezoelektrische Keramiken genauer unter die Lupe nehmen.
Nehmen Sie Kontakt auf mit Bestar-Sensor Unser Team bietet Ihnen technische Dokumentation, anwendungsspezifische Anleitungen und Mustergeräte. Wir arbeiten unkompliziert mit Ihnen zusammen und unterstützen Sie gerne bei der Umsetzung Ihres Projekts.