Grundlagen der Piezoaktuatorik

Piezoaktoren sind Linearmotoren auf Basis der elektrisch steuerbaren Verformung eines Festkörpers. Der piezoelektrische Effekt ist die lineare elektromechanische Wechselwirkung zwischen dem mechanischen und dem elektrischen Zustand in bestimmten Kristallen. Der piezoelektrische Effekt ist ein reversibler elektromechanischer Mechanismus. Der direkte piezoelektrische Effekt beschreibt die Erzeugung von elektrischer Ladung aufgrund einer aufgebrachten mechanischen Kraft. Der umgekehrte piezoelektrische Effekt ist die Erzeugung einer inneren mechanischen Spannung aufgrund der Einwirkung eines elektrischen Feldes, das dem Piezomaterial eingeprägt wird. Ein Piezowerkstoff ist immer ein elektrischer Isolator.


Der inverse Effekt wird für piezoelektrische Aktuatoren genutzt. Piezoaktuatoren bieten entscheidende Vorteile: Sie können Ultraschallwellen erzeugen, Objekte positionieren und sogar dynamisch betätigen.


Die wichtigsten Vorteile eines Piezoaktuators sind die Fähigkeit zur Erzeugung von

  • außergewöhnlich hohen Kräften,
  • der sofortige Reaktion, und
  • präzisen, hochaufgelösten Stellbewegungen.

Die Verschiebung eines Piezoaktuators ist in erster Linie proportional zur angelegten elektrischen Spannung. Die nutzbaren Stellkräfte sind viel größer als die jedes anderen elektrischen Stellers von vergleichbarer Größe. Ein entscheidendes Merkmal ist der vergleichsweise kleine Hub, der mit einem enorm hohen Kraftvermögen einhergeht.

 

Piezoelektrische Werkstoffe

Das Elektrodenpaar auf den den Platten erzeugt ein elektrisches Feld, das elektrostriktive Kräfte auf die Kristallstruktur im Inneren des Piezomaterials ausübt. Der Körper verformt sich und erzeugt eine Verschiebung, die als Hubbewegung für technische Anwendungen nutzbar ist. Für die praktische Anwendung wurden Materialien mit besonders starkem Effekt entwickelt und selektiert. Die bevorzugte Materialklasse für piezoelektrische Aktuatorwerkstoffe ist PZT-(Bleizirkonattitanat)-Keramik. Im Mittelpunkt der Entwicklung stehen hohe Verschiebung, Krafterzeugung, geringe Verluste, Stabilität und Lebensdauer. 

Das Elektrodenpaar auf den den Platten erzeugt ein elektrisches Feld, das elektrostriktive Kräfte auf die Kristallstruktur im Inneren des Piezomaterials ausübt. Der Körper verformt sich und erzeugt eine Verschiebung, die als Hubbewegung für technische Anwendungen nutzbar ist. Für die praktische Anwendung wurden Materialien mit besonders starkem Effekt entwickelt und selektiert. Die bevorzugte Materialklasse für piezoelektrische Aktuatorwerkstoffe ist PZT-(Bleizirkonattitanat)-Keramik. Im Mittelpunkt der Entwicklung von Piezowerkstoffe für Aktuatoren stehen hohe Verschiebung, Krafterzeugung, geringe Verluste, Stabilität und Lebensdauer. 

 

Piezoaktuatoren sind elektrisch polarisierte Komponenten. Die Analogie zu einem Piezo ist der bekannte Permanentmagnet. Beide haben die Eigenschaft der Polarisierbarkeit des Materials in einem Feld. Während des Polarisationsvorgangs wird im Magnet die innere magnetische Mikrostruktur (die Domänen) ausgerichtet und im Piezo die elektrische. Dadurch erhalten die Materialien eine Vorzugsrichtung. Der Polarisationsprozess stellt die piezoelektrische Funktion des Bauteils her. Die den Piezomaterialien innewohnenden physikalischen Kopplungseffekte (Elektrostriktion, Verformung im elektrischen Feld) sind identisch mit den in den magnetischen Materialien vorhandenen Magnetostriktionseffekten. Wie bei Magneten bekannt, verschwindet die piezoelektrische Eigenschaft bei Erwärmung über die Curietemperatur, einer Kenngröße des jeweiligen Materials.

Piezoaktuator - Stapelkonstruktion

 Piezostackaktuatoren werden durch das Stapeln von Piezokeramikplatten mit zwischenliegenden Elektroden hergestellt. Der Plattenstapel wird durch Kleben oder bei modernen Stacks durch Sintern der Platten im Grünzustand gefügt. Sobald eine elektrische Spannung angelegt wird, entsteht in allen Platten ein elektrisches Feld. Der Hub des Aktuators bildet sich aus der Summe der Verformungen aller einzelnen Platten. Für die volle Ausdehnung des Materials ist eine Feldstärke von 1000 bis 2000 Volt pro mm Schichtdicke erforderlich. Da allgemein eine niedrige Spannung im Bereich von 100 Volt bevorzugt wird, werden Platten verwendet, die dünner als 100 Mikrometer dick sind. Ein übliches Konzept für die Elektrodenstruktur ist der Vielschichtkeramikkondensator (MLCC, Multi-Layer Ceramics Capacitor). Die einzelnen Elektroden werden gegenüber den gegenpoligen Elektroden innerhalb des Stapels elektrisch isoliert. Die Abbildung zeigt eindeutig, dass diese Isolationsstruktur zu einer inhomogenen Feldverteilung führt. Der Piezoeffekt führt zu mechanischen Spannungskonzentrationen, die aus dem inhomogenen Feld resultieren (siehe Kreis).

Optimierte Elektrodenstruktur

Die Homogenität des inneren elektrischen Feldes und der daraus folgenden mechanischen Spannungen ist der wichtigste Designaspekt von Piezoaktuatoren. Die Gestaltung der Elektrodenstruktur spielt dabei eine entscheidende Rolle. Eine ideale Elektrode bedeckt vollflächig die aktiven Schichten. Die Isolation gegenpoliger Elektrodenflächen gegenüber den Sammelelektroden erfolgt bei diesem Konzept an den Außenflächen des Stapels. Die idealtypische Elektronengeometrie ist die perfekte Lösung, denn sie erzeugt innerhalb der piezoelektrischen Schichten eine ideal homogene Feldverteilung. Die nachfolgende Abbildung zeigt, wie die Elektroden gemeinsamer Polarität (rot, schwarz) durch einen Metallstreifen an den Außenflächen des Aktuators verbunden sind und gegenüber der gegenpoligen Elektrode elektrisch isoliert sind.

Elektrode structure of a co-fired piezo stack

Co-Fired Multilayer Aktuator (CMA) mit externer Isolation

Die Benchmark-Lösung für Piezoaktuatoren ist die Technologie des in einem „Co-firing”-Prozess hergestellten Vielschichtaktuators (CMA). Im CMA-Produktionsprozess wird ein Stapel aus „grünen” Keramikfolien und dünnen Lagen aus Elektronenmaterial in einem Ofen bei hohen Temperaturen zu einem monolithischen Block gesintert (Co-Firing). Die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der Aktuatoren ist außergewöhnlich hoch. Wir haben mehr als 10 MIlliarden Zyklen bei voller Spannungsamplitude nachgewiesen.