Einschichtige vs. mehrschichtige piezoelektrische Keramiken: Ein praktischer Leitfaden für Ingenieure

1. Einleitung
2. Funktionsweise piezoelektrischer Keramik
3. Einschichtige piezoelektrische Keramik
4. Mehrschichtige piezoelektrische Keramik
5. Einschichtig vs. Mehrschichtig
6. Leistungsfähigkeit von Bestarsensor
7. Schlussfolgerung

Einführung
Die meisten Maschinen in der Fertigungsindustrie verfügen über äußerlich wahrnehmbare Bewegungssysteme. Man hört beispielsweise das Klicken eines Magnetventils oder sieht einen Servomotor rotieren. Obwohl diese in Reihe geschalteten Systeme sehr effektiv sind, gibt es in der Fertigung auch andere, präzise Bewegungssysteme, die geräuschlos und ohne Gleitzylinder arbeiten. Ein Beispiel für solche Komponenten sind piezoelektrische Keramikaktoren.
Piezoelektrische Keramik Sie sind die stillen Helden der Präzisionsindustrie. Sie sind die Aktuatoren, die die Düsen in industriellen Tintenstrahldruckern bewegen, Linsen in Lithomasken in der Halbleiterfertigung positionieren, Diesel-Einspritzmotoren und sogar die Ultraschallreiniger, die chirurgische Instrumente reinigen.
Diese Komponenten lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen: einlagige und mehrlagige. Obwohl beide Kategorien im Wesentlichen dasselbe Material und Funktionsprinzip piezoelektrischer Keramik verwenden, unterscheiden sie sich modular in ihrem Aufbau. Die Auswahl der „falschen“ Kategorie piezoelektrischer Keramik für Ihre Anwendungsbereiche kann daher zu einer mangelhaften Leistung der Ansteuerelektronik oder zu einem insgesamt unzureichenden System führen.
Dieser Blog bietet einen Überblick darüber, wie sich diese beiden Kategorien im Design unterscheiden, wie sie sich in ihrem jeweiligen Design verhalten und über die technischen Eigenschaften dieser Kategorien, und wie man diese Kategorien anhand der eigenen technischen Spezifikationen misst.

Wie piezoelektrische Keramik funktioniert
Der piezoelektrische Effekt ist einfach: Übt man Druck auf ein piezoelektrisches Material aus, entsteht eine Spannung. Vereinfacht gesagt, wird eine elektrische Spannung erzeugt. Umgekehrt verändert sich ein piezoelektrisches Material physikalisch, wenn man eine Spannung anlegt – es dehnt sich aus oder zieht sich zusammen. Die Spannung ist ein sehr präziser und kontrollierter Wert.
Dieser ausgleichende Effekt beruht auf der inneren Struktur des Materials. Das am häufigsten in der Industrie verwendete piezoelektrische Keramikmaterial ist Bleizirkonattitanat (PZT). Es enthält mikroskopisch kleine elektrische Dipole. Bei der Herstellung von PZT werden diese Dipole in einem Prozess namens Polarisation mechanisch in eine Richtung ausgerichtet. Dabei wird das Material unter einem starken elektrischen Feld erhitzt und teilweise geschmolzen (diese mechanische Ausrichtung wird anschließend fixiert). Die Ausrichtung ist dauerhaft.
Wird ein zuvor polarisiertes PZT-Material durch ein elektrisches Feld angeregt, richten sich die internen Dipole aus und es entsteht ein elektrisches Feld. Die innere Gitterstruktur des Materials polarisiert sich und bildet einen resultierenden Dipol entlang einer der Polarisationsachsen. Diese Polarisation verursacht interne Gitterverzerrungen; das elektrische Feld wird zu einer mechanischen Auslenkung.
Der wichtigste Parameter ist der piezoelektrische Ladungskoeffizient (d₃₃). Dieser Parameter beschreibt die durch eine elektrische Feldstärke (gemessen in Volt) hervorgerufene Auslenkung eines Materials und wird in Pikometern (pm) angegeben. Je größer d₃₃, desto größer ist die Auslenkung des Materials unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes. Für einen Piezoaktor stellt dieser Koeffizient die obere Auslegungsgrenze dar und ist der wichtigste Faktor vor der Festlegung der biaxialen Konfiguration des Aktors oder des Aktorstapels.

Einschichtige piezoelektrische Keramik
Struktur
Eine einschichtige piezoelektrische Keramik besteht aus einem einzelnen Block PZT-Keramik (Bleizirkonattitanat) mit einer typischen Dicke zwischen 0,5 mm und mehreren Millimetern. Auf beiden planaren Seitenflächen dieses Keramikblocks sind Metallelektroden angebracht. Wird eine Spannung an die Elektroden angelegt, erfährt der gesamte Keramikkörper eine entsprechende Dehnung.
Herstellungsverfahren: Trockenpressung
Die Herstellung einlagiger Piezokeramiken erfolgt mittels Trockenpressen. Dabei wird PZT-Pulver unter hohem mechanischem Druck in einer Matrize zu einem dichten Grünling verpresst. Dieser Grünling wird anschließend durch Sintern, also Erhitzen auf hohe Temperaturen, üblicherweise zwischen 1100 °C und 1300 °C, in eine feste, kristalline Keramikstruktur umgewandelt.
Das Trockenpressverfahren ist etabliert und reguliert. Es erzeugt mechanisch robuste, dichte und dicke Bauteile mit gleichbleibenden Maßtoleranzen. In großem Maßstab ist es zudem wirtschaftlich, da keine spezielle Bearbeitungsausrüstung benötigt wird. Ein wesentlicher Vorteil des einlagigen Formats ist seine einfache Fertigung.
Leistungsmerkmale
Die Geometrie einer einzelnen Schicht hat den größten Einfluss auf das Verhältnis zwischen Dicke, Spannung und Verschiebung.
Die elektrische Feldstärke ergibt sich aus der Spannung geteilt durch den Abstand zwischen den Elektroden. Um bei einem dicken Element die gleiche Feldstärke wie bei einem dünnen zu erzielen, ist eine proportional höhere Spannung erforderlich. Bei gleicher Auslenkung pro Längeneinheit benötigt ein 2 mm dickes, einlagiges Elementgewebe etwa die zehnfache Spannung im Vergleich zu einer 0,2 mm dicken Lage.
Aus den oben genannten Gründen sind einlagige Piezokeramiken von Natur aus Hochspannungsbauelemente.
Typische Ansteuerspannungen liegen im Bereich von 500 V bis 1000 V oder darüber. Dies stellt zwar nicht bei jeder Anwendung ein Problem dar, erfordert jedoch entsprechend dimensionierte Leitungen, Isolation und Ansteuerelektronik, was die Systemkomplexität und die Kosten erhöht.
Einschichtige Piezokeramiken bieten im Gegenzug eine hohe mechanische Belastbarkeit. Da sie monolithisch gefertigt werden, bilden sie einen massiven Körper ohne innere Grenzflächen. Sie funktionieren zuverlässig in anspruchsvollen industriellen Umgebungen, halten hohen statischen Belastungen stand und sind stoß- und vibrationsfester als mehrschichtige Strukturen.
Typische Anwendungen
1. Hochleistungs-Ultraschallwandler: Einlagige piezoelektrische Keramikscheiben und -ringe werden zur Erzeugung hoher Schallamplituden in industriellen Reinigungsbädern, Sonochemie-Reaktoren und Ultraschallschweißanlagen eingesetzt. Diese Anwendungen eignen sich ideal, da sie eine hohe mechanische Festigkeit und eine hohe Ansteuerspannung erfordern.
2. Einfache Industriesensoren: Einlagige Piezoelemente werden in Schallemissionsdetektoren, Schwingungssensoren zur Maschinenüberwachung und Klopfsensoren in Motoren eingesetzt. Für die Sensoranwendungen ist keine große Auslenkung erforderlich; ausreichend ist eine zuverlässige Umwandlung des mechanisch-elektrischen Signals.
3. Einfache Aktuatoren mit großer Formtoleranz: Einlagige Piezoelemente sind eine praktische und wirtschaftliche Option, wenn keine Platzbeschränkungen bestehen und Hochspannungsnetzteile bereits vorhanden sind.

Mehrschichtige piezoelektrische Keramik
Struktur
Viele dünne piezoelektrische Keramikschichten (üblicherweise 20 bis 100 Mikrometer dick) werden übereinandergestapelt, um einen mehrschichtigen piezoelektrischen Aktor zu bilden. Zwischen je zwei Schichten befinden sich interne Metallelektroden. Diese Schichten sind elektrisch parallel geschaltet, wobei alle geradzahligen Schichten die gleiche Polarität und alle ungeradzahligen Schichten die andere Polarität aufweisen.
Die gesamte Ansteuerspannung liegt an jeder Schicht an, da die Schichten elektrisch parallel geschaltet sind. Alle einzelnen Auslenkungen addieren sich am Ausgang, da die Schichten mechanisch in Reihe geschaltet sind.
Das Ergebnis ist ein Bruchteil der Ansteuerspannung bei gleicher Auslenkung wie bei einem einlagigen Bauelement. Der Hub eines 5 mm langen einlagigen Elements entspricht dem eines 100-lagigen Stapels mit 50 µm dicken Schichten, jedoch bei nur einem Hundertstel der Spannung. Das ist der grundlegende technische Vorteil des Mehrschichtdesigns.
Herstellungsverfahren: Gemeinsames Brennen und Bandgießen
Das Trockenpressen eignet sich nicht zur Herstellung mehrschichtiger Piezokeramiken. Die Schichten sind zu zahlreich und zu dünn. Hersteller verwenden stattdessen das Bandgießen.
PZT-Pulver wird mit Lösungsmitteln, Bindemitteln und Weichmachern zu einer flüssigen Suspension für das Bandgießen vermischt. Ähnlich wie beim Auftragen von Farbe mit einem Lineal wird diese Suspension mithilfe eines Präzisionsmessers auf eine sich bewegende Trägerfolie gegossen und anschließend zu einem flexiblen, hauchdünnen Keramikband getrocknet.
Anschließend werden die Elektrodenmuster im Siebdruckverfahren auf jede einzelne Klebebandschicht aufgebracht. Die Schichten werden präzise ausgerichtet, unter Druck laminiert und zugeschnitten. Abschließend wird der gesamte Stapel in einem einzigen Sinterprozess gebrannt, der die Keramik verdichtet und gleichzeitig dauerhaft mit den internen Elektroden verbindet.
Das gemeinsame Sintern ist technisch anspruchsvoll. Die Keramik- und Elektrodenmaterialien müssen beim Sintern übereinstimmende Schrumpfungsraten aufweisen, da sich die Schichten sonst verziehen, reißen oder ablösen. Aus diesem Grund werden häufig Silber-Palladium-Legierungen verwendet. Um ein zuverlässiges gemeinsames Sintern von Schichtsystemen mit Hunderten von Lagen zu gewährleisten, ist eine strenge Prozesskontrolle und -überwachung in jeder Phase erforderlich.
Dies liegt genau im Kernbereich der Fertigungskompetenzen von Bestarsensor. Schichtgleichmäßigkeit, Kontrolle der inneren Spannungen und die Verbindung über die gesamte Höhe des Keramikelektrodenstapels sind technische Herausforderungen, die zuverlässige Aktuatorhersteller von unzuverlässigen unterscheiden.
Leistungsvorteile
1. Niedrige Betriebsspannung. Mehrschichtige Piezoaktoren arbeiten typischerweise mit 60 bis 200 V. Niederspannungsvarianten arbeiten mit 30 bis 60 V. Dies vereinfacht die Ansteuerelektronik erheblich und ermöglicht die praktische Integration in batteriebetriebene oder sicherheitskritische Systeme.
2. Hohe Verschiebungsdichte. Ein mehrlagiger Stapel liefert bei gleicher Feldstärke eine höhere Verschiebung pro Volumeneinheit als ein vergleichbares einlagiges Element. Dies ist insbesondere bei beengten Platzverhältnissen von Bedeutung.
3. Schnelles Ansprechverhalten. Die hohe elektrische Kapazität eines Mehrschichtsystems ermöglicht in Kombination mit der niedrigen Ansteuerspannung schnelle Lade- und Entladezyklen. Mehrschichtaktoren arbeiten üblicherweise mit Bandbreiten von einigen Kilohertz bis über 100 kHz, abhängig von den Abmessungen des Systems.
4. Präzise Steuerung. Da die Auslenkung proportional zur angelegten Spannung ist und die Ansteuerelektronik mit handhabbaren Spannungen arbeitet, ist die analoge Positionsregelung unkompliziert. Eine einfache Spannungsrampe erzeugt einen gleichmäßigen, kontinuierlichen Auslenkungsverlauf, der sich für Abtastung, Positionierung und Proportionalventilsteuerung eignet.
Typische Anwendungen
Präzisionspositioniersysteme, Hochfrequenz-Mikroventile, Kraftstoffeinspritzdüsen, medizinische Ultraschallsonden.

Einschichtig vs. Mehrschichtig:

Die Auswahlhilfe ist praxisorientiert. Verfügt Ihr System bereits über eine Hochspannungsversorgung und benötigen Sie ein mechanisches Element für leistungsstarke akustische Anwendungen, ist eine einlagige Ausführung die richtige Wahl. Arbeitet Ihr System hingegen mit einer Niederspannungsversorgung, bietet es nur begrenzten Platz und erfordert eine präzise proportionale Steuerung, ist eine mehrlagige Ausführung die richtige Wahl.

Leistungsfähigkeit von Bestarsensor
Bestar-Sensor stellt sowohl einschichtige als auch mehrschichtige piezoelektrische Keramikbauteile her und ist in der Lage, spezifische Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Bestar-Sensor kontrolliert die gesamte Fertigungskette, vom Bandgießen über das gemeinsame Brennen bis hin zur Endkontrolle, und ermöglicht so die präzise Spezifikation von Lagenanzahl, Ansteuerspannung, Kapazität, Steifigkeit und Verschiebung.

Abschluss
Einschichtige Keramiken sind die richtige Wahl, wenn mechanische Einfachheit, hohe Leistung und geringe Herstellungskosten im Vordergrund stehen. Mehrschichtige Keramiken eignen sich hingegen, wenn niedrige Ansteuerspannung, hohe Verschiebungsdichte, schnelles Ansprechverhalten und die Integration in Präzisionssysteme erforderlich sind.
Das Verständnis des Unterschieds – und die richtige Wahl – ist der erste Schritt hin zu einem zuverlässigen, effizienten piezoelektrisch angetriebenen System. Bestar-SensorDie Expertise von [Name des Unternehmens] in beiden Produktfamilien, kombiniert mit der Möglichkeit zur individuellen Anpassung, bietet Ingenieuren einen einzigen Lieferanten, der die gesamte Bandbreite an piezoelektrischen Aktuator- und Sensoranwendungen abdecken kann.
Für technische Spezifikationen, individuelle Angebote oder Unterstützung bei der Anwendungsentwicklung, Kontaktieren Sie Bestarsensor direkt.