Die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten der Piezoelektrizität in modernen Anwendungen

1. Einleitung
2. Anwendungen für Unterhaltungselektronik
3. Anwendung in der Automobilelektronik
4. Anwendungen in der industriellen Steuerungstechnik, Medizintechnik und im IoT
5. Schlussfolgerung

Einführung
Piezoelektrizität ist eine sehr spezifische physikalische Eigenschaft, die von einigen Kristallen, Keramiken und Polymeren gezeigt wird. Unter mechanischer Spannung erzeugen diese Materialien eine elektrische Ladung. Wird hingegen ein elektrisches Feld angelegt, verändern sie ihre Abmessungen oder erzeugen Schwingungen. Diese Phänomene werden als direkter und inverser piezoelektrischer Effekt bezeichnet. Zusammen ermöglichen sie es, ein und dasselbe Material sowohl als Sensor als auch als Aktor einzusetzen. Aufgrund dieser Dualität ist die Piezoelektrizität zu einer wichtigen Grundlage moderner elektronischer Systeme geworden.
Obwohl die piezoelektrischen Eigenschaften bereits seit über einem Jahrhundert bekannt sind, nahmen die kommerziellen Anwendungen nach der Entwicklung von … stark zu. Piezokeramik wie beispielsweise PZT (Bleizirkonattitanat). Diese Keramiken zeichnen sich durch eine starke elektromechanische Kopplung und hohe Stabilität aus und können in Ring-, Rohr-, Platten- oder Mehrschichtform hergestellt werden.
Piezoelektrizität bietet einige wichtige Vorteile, darunter eine hohe Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Einwirkungen, Reaktionszeiten im Mikrosekundenbereich, geringer Energieverbrauch, geringe Größe und Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen. Im Gegensatz zu elektromagnetischen Bauelementen benötigen piezoelektrische Komponenten keine Spulen, Magnete oder schwere mechanische Bauteile und sind daher zuverlässig und langlebig. Diese Eigenschaften haben dazu beigetragen, dass die piezoelektrische Technologie in Bereichen wie Unterhaltungselektronik, Automobilelektronik, industrieller Steuerungstechnik, Medizintechnik und IoT Anwendung findet. Der folgende Blog beschreibt die Rolle der Piezoelektrizität bei der Unterstützung dieser Anwendungen.

Anwendungen für Unterhaltungselektronik
Der Markt für Unterhaltungselektronik verlangt nach dünnen, effizienten und präzise arbeitenden Bauteilen. Piezoelektrische Bauelemente erfüllen all diese Anforderungen, und ihre Verwendung nimmt zu, da immer kleinere und interaktivere Geräte entstehen.
1.Haptisches Feedback
Piezoelektrische Aktuatoren finden in der Praxis breite Anwendung in haptischen Feedbacksystemen. Im Vergleich zu herkömmlichen Vibrationsmotoren zeichnen sie sich durch eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit und ein besseres Vibrationsverhalten aus und ermöglichen sogar lokales taktiles Feedback mit Reaktionszeiten im Bereich von mehreren zehn Mikrosekunden. Haptisches Feedback auf Basis von Piezoelektrizität ermöglicht realistische Simulationen (Oberflächentexturen) und Klicks auf Smartphones, Tablets, Laptops und Spielekonsolen.
2. Ultradünne Audiokomponenten
Piezoelektrische Lautsprecher und Summer nutzen den inversen piezoelektrischen Effekt. Durch Anlegen einer Wechselspannung an das Keramikelement wird dieses in Schwingung versetzt und erzeugt so einen Ton. Diese Audiokomponenten zeichnen sich durch hohe Zuverlässigkeit und minimale elektromagnetische Störungen aus, was insbesondere für Geräte mit hohem Funkaufkommen entscheidend ist. Piezoelektrische Lautsprecher lassen sich dünner als 1 mm fertigen, wodurch die Entwicklung extrem flacher Produkte wie ultradünner Smartphones, AR/VR-Brillen und leichter Wearables ermöglicht wird.
3. Ultraschallbiometrie und -sensorik
Mittlerweile nutzen nur noch wenige Smartphones und Smart-Geräte Ultraschalltechnologie. Piezoelektrische Ultraschallwandler werden verwendet für
Modul zur Fingerabdruckerkennung, Näherungssensoren, Gestenerkennungssysteme, interne Haptik und Audiowiedergabe.
Ultraschall-Fingerabdrucksensoren nutzen akustische Wellen, die Glas und OLED-Schichten durchdringen. Dadurch bieten sie ein höheres Maß an Sicherheit und funktionieren auch mit nassen oder verschmutzten Fingern einwandfrei. Die Zuverlässigkeit piezoelektrischer Materialien macht diese Sensoren ideal für Anwendungen mit hohen Frequenzen.
4. Energiegewinnung im kleinen Maßstab
Piezoelektrische Materialien wandeln alltägliche Bewegungen (wie Klopfen, Gehen, Vibrationen oder Schallenergie) in Elektrizität um. Die gewonnene Energie ist zwar gering, aber ausreichend für extrem stromsparende Elektronik. Studien haben gezeigt, dass tragbare piezoelektrische Energiewandler bei normaler körperlicher Aktivität Leistungen zwischen 1 mW und 4 mW liefern können. Diese Eigenschaft ermöglicht den Einsatz batterieloser Sensoren, drahtloser Tags und Fernbedienungen, wodurch deren Lebensdauer verlängert und die Abhängigkeit von herkömmlichen Batterien verringert wird.

Anwendung in der Automobilelektronik
Die Automobilindustrie benötigt Sensoren und Aktoren, die auch bei wechselnden Temperaturen und Umweltbelastungen wie Vibrationen und langfristigen Umwelteinflüssen zuverlässig funktionieren.
Piezoelektrische Materialien weisen diese Eigenschaften auf.
1. Ultraschall-Parksensoren & Fahrerassistenzsensor
Ultraschall-Parksensoren nutzen piezoelektrische Schalttransistoren, um Schallwellen mit einer Frequenz zwischen 40 kHz und 60 kHz auszusenden und zu empfangen. Diese Sensoren messen die Laufzeit der reflektierten Schallwellen, um die Entfernung von Hindernissen in ihrer Umgebung zu bestimmen. Da Ultraschallwellen unempfindlich gegenüber Lichtverhältnissen sind, arbeiten piezoelektrische Sensoren auch bei Dunkelheit, Regen, Staub und Nebel präzise. Aufgrund dieser Eigenschaften werden sie auch in Fahrerassistenzsystemen (ADAS) eingesetzt, um das Rangieren bei niedrigen Geschwindigkeiten und das autonome Einparken zu unterstützen. (Mehr Informationen zu Ultraschall-Parksensoren finden Sie in diesem Blog.)Wie hilft ein Ultraschallsensor beim Einparken?)
2. Präzisions-Kraftstoffeinspritzung
Moderne Benzin- und Dieselmotoren verfügen über piezoelektrische Aktuatoren in den Einspritzdüsen. Diese Aktuatoren ermöglichen extrem kurze Reaktionszeiten im Bereich von 100 Mikrosekunden und damit eine präzise Steuerung des Kraftstoffeinspritzmusters. Dies führt zu reduzierten Emissionen, einem geringeren Kraftstoffverbrauch und einem ruhigeren Motorlauf.
3. Klopf- und Vibrationsüberwachung
Piezoelektrische Klopfsensoren überwachen die Motorschwingungen, um unnatürliche Verbrennungsvorgänge zu erkennen. Sie liefern dem Motorsteuergerät Echtzeit-Feedback, um die Zündzeitpunktanpassung zu optimieren und den Motor vor Schäden zu schützen. Dank der mechanischen und thermischen Eigenschaften piezoelektrischer Keramik eignen sie sich für hohe Temperaturen und mechanische Belastungen und sind daher ideal für den Einbau in der Nähe von Motorblöcken.
4. Elektrofahrzeuge
Elektrofahrzeuge (EVs) verfügen über piezoelektrische Komponenten für haptische Bedienelemente, Drucksensoren für die Batterien und seitlich angebrachte Ultraschallsensoren. Aufgrund der zukünftig erwarteten besseren Vernetzung und des geringeren Gewichts von EV-Plattformen steigt der Bedarf an kleinen und leistungsstarken piezoelektrischen Sensoren rasant.

Anwendungen in der industriellen Steuerungstechnik, Medizintechnik und im IoT
1. Automatisierte Prozesse und Überwachung von Industrien
In industriellen Umgebungen sind piezoelektrische Sensoren äußerst nützlich für Schwingungsanalysen, die Zustandsüberwachung von Maschinen und Druckmessungen. Dank ihrer hohen Empfindlichkeit lassen sich Verschleiß oder Unwuchten an Maschinen frühzeitig erkennen. Beispielsweise können piezoelektrische Beschleunigungsmesser selbst kleinste Schwingungsänderungen einer Maschine messen und so zur vorausschauenden Wartung eingesetzt werden.
Piezoelektrische Aktuatoren werden auch in der Halbleiterfertigung zur Präzisionspositionierung, zur Ausrichtung von Optiken, in Lasersystemen sowie im Mikrodruck und in der Nanotechnologie eingesetzt. Ihre Auflösung im Nanometerbereich und ihre schnelle Reaktionszeit machen sie geeignet für Automatisierungsanwendungen, die hohe Geschwindigkeiten erfordern.
2. Diagnose und Behandlung im medizinischen Bereich
Medizinische Ultraschallsysteme basieren vollständig auf piezoelektrischen Wandlern. Diese Wandler senden Schallwellen aus und empfangen deren Echo, um Bilder des Körperinneren zu erzeugen.
Piezoelektrische Vernebler und Zerstäuber werden zur Zerstäubung von Medikamenten in feinen Nebel für die Inhalation eingesetzt. Sie sind energieeffizient und leise, was insbesondere bei tragbaren medizinischen Geräten von Vorteil ist. Darüber hinaus kommen Ultraschall-Chirurgieinstrumente und Zahnskalpelle zum Einsatz, die auf Hornresonanzschwingungen basieren und so präzise Schnitte mit minimaler Gewebeschädigung ermöglichen.
3. IoT und intelligente Infrastruktur
Piezoelektrische Technologie spielt aufgrund ihrer geringen Größe und ihres niedrigen Stromverbrauchs eine wichtige Rolle in IoT-Systemen. Zu den gängigen Anwendungen gehören: Drahtlose Maschinenschwingungssensoren, Strukturüberwachung von Brücken und Gebäuden, Energiegewinnungseinheiten für batterielose IoT-Geräte, Anwesenheits- und Entfernungserkennung mittels Ultraschall sowie Mikrofone und akustische Sensoren in intelligenten Lautsprechern.
Intelligente Städte nutzen außerdem piezoelektrische Sensoren, um den Verkehrsfluss zu überwachen, abnormale Vibrationen zu erkennen und Umweltbedingungen zu überwachen.

Abschluss
Piezoelektrizität hat sich aufgrund ihrer Fähigkeit zur gleichzeitigen Sensorik und Aktorik, ihrer schnellen Reaktionszeit, ihrer geringen Größe und ihrer erstaunlichen Energieeffizienz in verschiedenen Branchen etabliert. In der Unterhaltungselektronik ermöglicht sie anspruchsvolle Haptik, flache Audiomodule, Ultraschallbiometrie und Energiegewinnung. In Automobilsystemen wird sie zur präzisen Kraftstoffbalancekontrolle, zum Einparken und zur Fahrzeugüberwachung für erweiterte Funktionalität eingesetzt. In industriellen, medizinischen und IoT-Anwendungen findet sie Anwendung in hochpräzisen Sensorik, Bildgebung, Positionierung, Strukturüberwachung usw.
Mit mehrschichtigen Keramikstrukturen und dünnen piezoelektrischen Materialien werden Leistung und Zuverlässigkeit piezoelektrischer Bauelemente weiter steigen. Die Piezoelektrizitätstechnologie bleibt eine Schlüsseltechnologie für die nächste Generation intelligenter Geräte, umweltfreundlicherer Transportmittel, moderner Gesundheitsversorgung und intelligenter Städte.

BeStar Sensortech Co., Ltd. Als weltweit führender Anbieter von mehrschichtigen piezoelektrischen Keramiken und Gerätelösungen bieten wir Ihnen hochwertige piezoelektrische Keramikkomponenten und -lösungen. Bei Fragen oder Anforderungen steht Ihnen unser Ingenieurteam gerne für eine Beratung und ein Angebot zur Verfügung.