Viele Möglichkeiten:

Miniaturisierte Piezokeramiken und ihre Anwendungen

Piezokeramische Komponenten gibt es in ganz unterschiedlichen Ausführungen, verschiedenen – auch bleifreien – Materialien und in vielen Geometrien, wie Scheiben, Platten, Rohren, Quadern, oder in nahezu beliebigen Sonderformen und OEM-Anpassungen. Bild: PI

Piezoelektrische Materialien können bei Krafteinwirkung eine Ladungsverschiebung erzeugen oder bei Anlegen eines elektrischen Feldes ihre Abmessungen verändern. Diese Effekte entdeckten die Geschwister Jacques und Pierre Curie bereits Ende des 19. Jahrhunderts. Sie gaben ihnen den Namen „Piezoeffekt“. Die Bezeichnung leitet sich vom altgriechischen Wort „Piezo“ für „Druck“ oder „Pressen“ her. Dabei sind piezoelektrische Materialien wahre Tausendsassas, denn der Piezoeffekt ist für Sensorikanwendungen ebenso nutzbar wie für die Herstellung von Aktoren. Da es piezokeramische Komponenten in kleinsten Abmessungen und unterschiedlichsten Formen gibt, lassen sie sich für unterschiedlichste Anwendungen nutzen und gut integrieren.

Die Einsatzbereiche von Piezokeramiken in Aktorik und Sensorik sind breit gefächert und ziehen sich durch viele unterschiedliche Branchen, denn sie erreichen hohe Dynamik mit Frequenzen bis zu mehreren Tausend Hertz und können so z.B. Ultraschallschwingungen in Gasen oder Flüssigkeiten erzeugen. Es gibt keine mechanischen Komponenten, die die Auflösung durch Reibung begrenzen würden, und auch keinen mechanischen Verschleiß, da die Bewegung auf kristallinen Festkörpereffekten beruht. In Halbleiter- oder Siliziumphotonik-Anwendungen beispielsweise können so adaptive Feinjustierungen von miniaturisierten optischen Elementen vorgenommen werden, also von Linsen oder Austrittsflächen von Glasfasern sowie von Spiegeln. Ebenso entstehen miniaturisierte Aktoren und Sensoren für die Nanodosierung und -fluidik oder präzise, miniaturisierte Abstandsmessungen. Da sie sehr kompakt sind, also bei kleinem Bauraum hohe Effizienz bieten, können auch Antriebe für mobile Geräte oder die Lab-on-a-Chip-Technik realisiert werden.

Unterschiedliche Geometrien, Abmessungen und Materialien

So unterschiedlich wie die Anwendungen sind allerdings auch die Anforderungen, die die piezokeramischen Sensor- oder Aktorelemente erfüllen müssen. PI Ceramic bietet piezoelektrische Komponenten deshalb in ganz unterschiedlichen Ausführungen, verschiedenen – auch bleifreien – Piezomaterialien und in vielen Geometrien an, wie Scheiben, Platten, Rohre, Quader oder in nahezu beliebigen Sonderformen und OEM-Anpassungen. Die unterschiedlichen Formen können mit Außenabmessungen von kleiner 1 mm hergestellt werden. Vakuumkompatible Ausführungen sind ebenso möglich wie spezielle, anwendungsspezifische elektrische Anschlüsse, die Integration in vom Anwender bereitgestellte oder entwickelte Bauelemente sowie das Verkleben und der Verguss. Den Anwendungsmöglichkeiten sind dadurch kaum Grenzen gesetzt.

Piezoröhrchen beispielsweise bieten eine radiale und axiale Auslenkung oder, segmentiert angesteuert, eine Scan-Bewegung in der XY-Ebene. Sie werden mit engsten Toleranzen gefertigt (0,05 mm) und können serienmäßig mit kleinsten Durchmessern von kleiner 0,8 mm hergestellt werden. Sie eignen sich z.B. als Miniaturscanner, in Alignment-Systemen zur Regelung eines optischen Signals oder werden z. B. in medizinischen Endoskopen eingesetzt.

Piezoröhrchen für Scanning-Anwendungen

Die resonante optische Single-Mode-Faser wird seitlich von einem rohrförmigen piezoelektrischen Aktor in einem sehr kompakten koaxialen Design angetrieben. Bild: PI

Die resonante optische Single-Mode-Faser wird seitlich von einem rohrförmigen piezoelektrischen Aktor in einem sehr kompakten koaxialen Design angetrieben.

Ein Beispiel dafür ist ein neuartiges scannendes Katheter-Endoskop (SFE) für die großflächige, vollfarbige Bildgebung mit nur 1 mm Durchmesser. Dieses scannende Faser- oder Katheterendoskop ermöglicht hochwertige, laserbasierte Videobilder bei minimalinvasiven Eingriffen, kann aber auch der biologischen Forschung neue Ergebnisse liefern. Die zentrale Komponente dieser Technologie ist ein einzelner optischer Wellenleiter, der bei mechanischer Resonanz vibriert und so RGB-Laserlicht auf das Bild scannt. Die resonante optische Single-Mode-Faser wird seitlich von einem rohrförmigen piezoelektrischen Aktor in einem sehr kompakten koaxialen Design angetrieben. Die seitliche Vibrationsbewegung kann modelliert werden. Die Faser bewegt sich dann während des Betriebs in einem spiralförmigen Scanmuster. Der anwendungsspezifische Aktor ist bei 0,45 mm Durchmesser lediglich 4 mm lang. Die elektrischen Spannungen, die während des Betriebs des SFE angelegt werden, sind niedrig, da der rohrförmige Piezo elektrisch einem kleinen Kondensator entspricht. Im typischen Betrieb liegt die Spannung unter 20 V bei 5,5 mW elektrischer Leistung. Ähnliche Scanning-Anwendungen sind auch mit Biegeaktoren realisierbar, die selbst bei kleinster Fläche relativ große Auslenkungen erreichen.

Piezoscheiben: Pumpen für die Mikrofluidik

Treibende Kraft der Mikropumpe ist ein hochdynamisches Piezoelement in Scheibenform, das direkt auf einer Siliziumscheibe appliziert wird. Bild: PI

Treibende Kraft der Mikropumpe ist ein hochdynamisches Piezoelement in Scheibenform, das direkt auf einer Siliziumscheibe appliziert wird.

Aus piezoelektrischen Materialien lassen sich aber auch leistungsfähige Antriebslösungen kreieren, die für den Einsatz in Mikrodosierpumpen die besten Voraussetzungen bieten. Sie arbeiten mit hohen Geschwindigkeiten und kurzen Ansprechzeiten; dadurch sind hohe Pumpfrequenzen und Flussraten möglich. Durch die variablen Hübe lassen sich Dosiervorgänge präzise steuern. Da sehr unterschiedliche Aufbauten möglich sind, findet sich praktisch für jede Aufgabenstellung eine maßgeschneiderte Lösung.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien (EMFT) beispielsweise arbeiten an einem aktiven Implantat, das den Augen-Innendruck effektiv und dauerhaft regulieren soll. Das Implantat besteht aus einem Mikropumpensystem, einer sensorbasierten Pumpensteuerung, einem integrierten Akku zur kontaktlosen Energieversorgung sowie einem Telemetriemodul zur Datenübertragung. Es lässt sich direkt auf dem Augapfel aufbringen. Treibende Kraft der Mikropumpe ist ein Piezoelement in Scheibenform, das direkt auf einem Siliziumträgersubstrat appliziert wird. Es erzeugt die benötigten Linearbewegungen sehr präzise und lässt sich obendrein perfekt an die Applikationsumgebung anpassen. Auch bei Gegendruck sind so die für die Therapie erforderlichen Förderraten realisierbar, indem die Schaltfrequenzen oder die Amplitude der Piezoauslenkung über eine entsprechende Regelung variiert werden. Die Pumpe im Augenimplantat arbeitet mit einer Förderrate von maximal 30 Mikrolitern pro Sekunde und kann je nach Krankheitsbild das Auge benetzen oder Kammerwasser abpumpen.

Über PI Ceramic
PI Ceramic, ein Tochterunternehmen von PI (Physik Instrumente in Karlsruhe) mit Sitz im thüringischen Lederhose, ist eines der weltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet aktorischer und sensorischer Piezoprodukte. Derzeit beschäftigt PI Ceramic über 320 Mitarbeiter, darunter allein 70 Ingenieure, in der Piezoforschung, -entwicklung und -herstellung. Breitgefächertes Knowhow im komplexen Entwicklungs- und Herstellungsprozess funktionskeramischer Bauelemente verbunden mit modernster Ausstattung gewährleisten hohe Qualität, Flexibilität und Liefertreue. Das Unternehmen liefert piezokeramische Lösungen für alle wichtigen High-Tech-Märkte, angefangen von der Industrieautomation und Halbleiterindustrie über Medizintechnik, Maschinenbau und Feinwerktechnik bis hin zu Luft- und Raumfahrt sowie dem Automobilbereich.
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Annemarie Österle

Produkmanagerin bei PI Ceramic

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

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