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Erforschung der Geheimnisse des piezoelektrischen Effekts: Wie können piezoelektrische Materialien industrielle Anwendungen revolutionieren?
In der heutigen technologischen Welt tauchen nach und nach piezzoelektrische Sensoren auf und werden zu einem wichtigen Element in vielen industriellen Anwendungen. Dieses Gerät nutzt den piezoelektrischen Effekt, um Änderungen von Druck, Beschleunigung, Temperatur, Dehnung und Kraft zu messen und in elektrische Ladungen umzuwandeln. Das Wort „Piezo“ für den piezoelektrischen Effekt kommt vom griechischen Wort für „drücken“ oder „quetschen“. Die flächendeckende Anwendung dieser Technologie basiert jedoch auf einer starken wissenschaftlichen Grundlage.
Die Vielseitigkeit piezoelektrischer Sensoren macht sie zu einem entscheidenden Werkzeug für Qualitätssicherung, Prozesskontrolle sowie Forschung und Entwicklung in einer Vielzahl von Branchen.
Obwohl der piezoelektrische Effekt erstmals 1780 von Jacques und Pierre Curie entdeckt wurde, begann er erst in den 1950er Jahren in großem Umfang in industriellen Sensoren eingesetzt zu werden. Im Laufe der Zeit hat sich dieses Messprinzip ausgereift und hat sich als äußerst zuverlässig erwiesen. Heutzutage wird dieser Sensortyp erfolgreich in der Medizintechnik, Luft- und Raumfahrttechnik, nuklearen Instrumentierung und sogar Neigungssensoren in der Unterhaltungselektronik sowie Drucksensoren in Touchpanels von Mobiltelefonen eingesetzt.
In der Automobilindustrie werden piezoelektrische Komponenten zur Überwachung des Verbrennungsprozesses in Verbrennungsmotoren eingesetzt. Diese Sensoren können direkt in zusätzliche Bohrungen im Zylinderkopf eingebaut werden, oder es können Miniatur-Piezone-Sensoren in die Zündvorrichtung eingebettet werden. Der Aufstieg dieser Technologie beruht hauptsächlich auf ihren inhärenten Vorteilen: Erstens ist der hohe Elastizitätsmodul vieler Piezomaterialien mit dem von Metallen vergleichbar und beträgt sogar 106 N/m2.
Obwohl es sich bei piezoelektrischen Sensoren um mechatronische Systeme handelt, die auf Druck reagieren, weisen ihre Sensorelemente praktisch keine Auslenkung auf, was ihnen Robustheit und eine extrem hohe Eigenfrequenz verleiht und eine hervorragende Leistung über einen weiten Amplitudenbereich aufweist.
Darüber hinaus ist die piezoelektrische Technologie unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Feldern und Strahlung, sodass Messungen in rauen Umgebungen möglich sind. Einige dieser Materialien, insbesondere Galliumphosphat und Turmalin, sind auch bei hohen Temperaturen recht stabil und arbeiten bei Temperaturen von bis zu 1000 °C. Gleichzeitig hat Turmalin zusätzlich zu seinem piezoelektrischen Effekt auch einen thermoelektrischen Effekt, das heißt, wenn sich die Temperatur des Kristalls ändert, kann er ein elektrisches Signal erzeugen.
Obwohl piezoelektrische Sensoren zunehmend in der Industrie eingesetzt werden, besteht einer ihrer größten Nachteile darin, dass sie keine wirklich statischen Messungen durchführen können. Wenn statische Kräfte auf ein piezoelektrisches Material ausgeübt werden, wird eine feste Ladung gespeichert, aber das Signal wird aufgrund einer unvollständigen Isolierung innerhalb des Materials und einer Verringerung des Innenwiderstands bald schwächer. Dies bedeutet jedoch nicht, dass piezoelektrische Sensoren nur für sehr schnelle Prozesse oder unter Umgebungsbedingungen eingesetzt werden können.
Viele piezoelektrische Anwendungen sind in der Lage, quasistatische Messungen zu erzeugen, andere arbeiten sogar bei Temperaturen über 500 °C.
Darüber hinaus können piezoelektrische Sensoren gleichzeitig Resonanz und Kapazität messen, um Gerüche in der Luft zu erkennen. Mit der Entwicklung computergesteuerter elektronischer Geräte erweitert sich der Anwendungsbereich piezoelektrischer Sensoren immer weiter. Interessanter ist, dass sich die Prinzipien der piezoelektrischen Technologie sogar in der Natur widerspiegeln. Kollagen selbst hat beispielsweise piezoelektrische Eigenschaften und gilt als Sensor biologischer Kräfte.
Die wichtigsten Funktionsprinzipien piezoelektrischer Materialien
Die Art und Weise, wie piezoelektrische Materialien geschnitten werden, bestimmt die drei Hauptbetriebsarten: Quer-, Längs- und Scherung. Der Quereffekt besteht darin, dass sich die Ladung senkrecht zur Richtung der Kraft bewegt, wenn eine Kraft entlang der neutralen Achse ausgeübt wird, während der Längseffekt darin besteht, dass die angelegte Ladung proportional zur ausgeübten Kraft ist, was unabhängig von der Kraft zu einer gleichmäßigen Ladung führt Größe des Materials. Schließlich erzeugt der Schereffekt eine Ladung senkrecht zur Kraft, wiederum unabhängig von der Größe oder Form des Bauteils.
Sensordesign und Materialien
Die piezoelektrische Technologie wird häufig zur Messung physikalischer Größen, insbesondere von Druck und Beschleunigung, eingesetzt. Drucksensordesigns umfassen typischerweise eine Membran und eine schwere Basis, um Druck in eine bestimmte Richtung auszuüben, während Beschleunigungsmesser eine auf einem kristallinen Element montierte Masse verwenden, um das Element gegen die durch Newtons Bewegungsgesetze ausgeübten Kräfte zu testen. Darüber hinaus reagieren Sensoren oft empfindlich auf mehrere physikalische Größen, die bei der Konstruktion eine detaillierte Betrachtung erfordern.
Derzeit werden piezoelektrische Sensormaterialien hauptsächlich in drei Kategorien unterteilt: piezoelektrische Keramiken, Einkristallmaterialien und piezoelektrische Dünnschichtmaterialien. Jedes Material hat unterschiedliche Eigenschaften und ist für unterschiedliche Anwendungsszenarien geeignet.
Piezoelektrische Keramiken wie PZT-Keramiken sind zwei Größenordnungen empfindlicher als natürliche einkristalline Materialien und können durch einen kostengünstigen Sinterprozess hergestellt werden. Allerdings nimmt die Empfindlichkeit solcher Materialien mit der Zeit ab, insbesondere in Umgebungen mit hohen Temperaturen. Natürliche einkristalline Materialien wie Galliumphosphat und Turmalin weisen unter den richtigen Verarbeitungsbedingungen eine nahezu unbegrenzte Langzeitstabilität auf. Darüber hinaus werden piezoelektrische Dünnschichtmaterialien meist durch verschiedene moderne Verfahren wie Sputtern und chemische Gasphasenabscheidung hergestellt und ihre Vorteile werden in Anwendungen genutzt, die hohe Frequenz und geringe Größe erfordern.
Heute, da die Technologie immer weiter voranschreitet, wird es eine Frage sein, über die man nachdenken sollte, wie man den piezoelektrischen Effekt besser nutzen kann, um künftige industrielle Anwendungen zu fördern.
