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Presentation Transcript
piezoelektrika
Piezoelektrika

Mit Piezoelektrizität (griechisch: Druckelektrizität) wird die Eigenschaft eines Werkstoffs bezeichnet, welcher elektrische Ladung an seiner Oberfläche zeigt, wenn mechanische Spannung auf ihn einwirkt oder umgekehrt ein Werkstück seine äusseren Abmessungen ändert, wenn an ihn ein elektrisches Feld angelegt wird.

Wenn Zug oder Druck auf Quarz oder Turmalin einwirkt, treten Ladungen an den Oberflächen der Proben auf.

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

polarisation durch mechanische deformation eines quarzkristalls
Polarisation durch mechanische Deformation eines Quarzkristalls.

U

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

piezoelektrika 3
Piezoelektrika-3

Der piezoelektrische Effekt kann grundsätzlich nur in nichtzentrosymmetrischen Kristallklassen auftreten, da ein zentrosymmetrischer Kristall auch nach seiner Deformation zentrosymmetrisch bleibt und deshalb keine polare Richtung besitzen kann.

  • Der Pietzoeffekt kann auftreten in:
  • unpolaren (Quarz-SiO2) Kristallen
  • polaren Kristallen (Turmalin)
  • polaren Keramiken (Ferroelektrika).

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

direkter piezoelektrischer effekt
Direkter piezoelektrischer Effekt

mechanische Deformation eines piezoelektrischen Körpers → einer zu ihr proportionalen Änderung der elektrischen Polarisation : Dann linearer Effekt:

E = d×x/x oder U = d×x

d ist der piezoelektrische Koeffizient.

Dies zeigen alle nicht-ferroelektrischen Piezowerkstoffe, also z. B. :

unpolare Kristallen (Quarz-SiO2)

polaren Kristallen (Turmalin)

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

ferroelektrische piezowerkstoffe
Ferroelektrische Piezowerkstoffe

Einen nichtlinearen Effekt beobachtet man bei der ferroelektrischen Piezokeramik (Ferroelektrika). Die Spannung beschreibt eine Hysterese gegenüber der Deformation.

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

piezoelektrische effekt
piezoelektrische Effekt

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

beispiele von vier arten des direkten piezoelektrischen effektes
Beispiele von vier Arten des direkten piezoelektrischen Effektes

In der praktischen Anwendung ist man bestrebt, solche Richtungen auszuwählen, in denen maximale Effekte auftreten. Sensoranordnungen werden so ausgelegt, dass im piezoelektrischen Material mechanische Spannungen und elektrische Felder parallel oder senkrecht zur Anisotropieachse (Achse 3) auftreten. Unter diesen Voraussetzungen kann man nur drei Hauptlagen unterscheiden

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

mechanische deformation ge polter piezoelektrischer platten durch ein elektrisches feld
Mechanische Deformation ge-polter piezoelektrischer Platten durch ein elektrisches Feld

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

wandlungsgrad
Wandlungsgrad

Der Wandlungsgrad gibt an, welcher Anteil der insgesamt zugeführten Energie in gewandelter Form verfügbar ist. Die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie kann anhand eines Kreisprozesses bestimmt werden. Dies ergibt:

k2 = umgewandelte Energie / Energieinput

Der Ausdruck k2 wird allgemein als piezoelektrischer Kopplungsfaktor bezeichnet.

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5. Pietzoelektrika

die werkstoffe
Die Werkstoffe

PZT: PbTiO3-PbZrO3

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5. Pietzoelektrika

die werkstoffe11
Die Werkstoffe

Lead Magnesium Niobate (Pb(Mg1/3Nb2/3)O3, PMN):

Relaxor ferroelectrics are a class of lead based perovskite type compounds with the general formula Pb(B1,B2)O3 where B1 is a lower valency cation (like Mg2+, Zn2+, Ni2+, Fe3+) and B2 is a higher valency cation (like Nb5+, Ta5+, W5+). Pure lead magnesium niobate (PMN or Pb(Mg1/3Nb2/3)O3) is a representative of this class of materials with a Curie point at -10° C.

Relaxor ferroelectrics like PMN can be distinguished from normal ferroelectrics such as BaTiO3 and PZT, by the presence of a broad diffused and dispersive phase transition on cooling below the Curie point.

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5. Pietzoelektrika

pmn pt
PMN-PT

The addition of PT, which has a Curie point of 490oC, shifts the Tc of the composition towards higher temperatures. The morphotropic phase boundary composition (0.65 PMN and 0.35 PT) is piezoelectric in nature. Ceramics with this composition are excellent candidates for piezoelectric transducers. Compositions with a Curie point near room temperature (like 0.95 PMN and 0.10 PT) have very large dielectric constants (er > 20,000) which makes them very attractive for multilayer capacitor and strain actuator applications.

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5. Pietzoelektrika

polung
Polung

Um einer ferroelektrischen Keramik piezoelektrische Eigenschaften aufzuzwingen, muss man zur Erzeugung einer remanenten Polarisation ein elektrisches Feld anlegen

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5. Pietzoelektrika

verhalten der piezokeramik bei mechanischer belastung
Verhalten der Piezokeramik bei mechanischer Belastung

http://www.morganelectroceramics.com/piezoguide21.html

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5. Pietzoelektrika

piezoelektrischer funkengenerator
piezoelektrischer Funkengenerator

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5. Pietzoelektrika

klopfsensor und piezodrucktaste
Klopfsensor und Piezodrucktaste

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

ultraschallwandler mit zwei stufiger resonanztransformation schnittbild und richtcharakteristik
Ultraschallwandler mit zwei-stufiger Resonanztransformation: Schnittbild und Richtcharakteristik

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5. Pietzoelektrika

transformator
Transformator

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

sensoren und deren frequenzbereich
Sensoren und deren Frequenzbereich

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

cantilever bimorphs with a a series connection and b parallel connection of beams
Cantilever bimorphs with (a) a series connection and (b) parallel connection of beams

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

piezokeramik als elektromechanischer wandler
Piezokeramik als elektromechanischer Wandler

Vielschichtaktor

Abstandskontrolle

Echolot

Einspritzpumpe

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5. Pietzoelektrika

schematics of printing pin elements
Schematics of printing pin elements

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5. Pietzoelektrika

slide23

Kondensator: Aufbau

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

kondensator herstelltechnologie
Kondensator: Herstelltechnologie

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

slide25

Piezokeramik: Anwendungen

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

applications of piezo actuators and pzt nanopositioning systems
Applications of Piezo Actuators and PZT NanoPositioning Systems

http://www.physikinstrumente.com/tutorial/index.html

Design of Simple Lever Amplifier

Design of PZT Stack Actuator

Microwave Dielectrics

Capacitive Position Sensors with Control Module

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

pzt ink jet printer head
PZT Ink Jet Printer Head

Ceramics II

5. Pietzoelektrika

micropositioners actuators translation rotation stages
MicroPositioners: Actuators, Translation & Rotation Stages

F-206 6D-Parallel-Kinematics Alignment System with optional NanoCube NanoAlignment System

F-206 6D-Parallel-Kinematics Alignment System with optional NanoCube NanoAlignment System

F-110 XYZ Fiber Positioning System

PZT Active Optics (Piezoelectric Tilting Platforms)

Piezoelectric Translators (PZTs)

Micropositioning Systems

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5. Pietzoelektrika

www links

http://www.sp.nps.navy.mil/projects/ferro/ferro.html

WWW Links

http://www-rci.rutgers.edu/~rkpanda/ferroelectric/ferroelectric.html

http://www.piezo.com/intro.html

http://www.morganelectroceramics.com/piezoguide1.html

http://www.piezo.com/2chartbg.html

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5. Pietzoelektrika

zusammenfassung piezoelektrischer effekt
Zusammenfassungpiezoelektrischer Effekt
  • Der piezoelektrische Effekt tritt in Werkstoffen mit nichtzentrosymmetrischen Kristallklassen auf. Bei mechanischen Spannungen werden Ladungen an der Oberfläche der Kristalle erzeugt und umgekehrt, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, werden diese Kristalle deformiert.
  • Der piezoelektrische Kopplungsfaktor k2 gibt den Wandlungsgrad (Verhältnis zwischen zugeführter Energie und umgewandelter Energie) bei einem piezoelektrischen Kreisprozess an.
  • Als keramische Piezowerkstoffe werden modifizierte PZT-Keramiken eingesetzt. Durch Substitutionen und Dotierungen lassen sich ihre Eigenschaften optimieren. Man unterscheidet dabei Härter, die die Polarisierbarkeit erschweren, Weichmacher, welche die Keramik leichter polarisierbar machen und Stabilisatoren, welche die Langzeitstabilität erhöhen.

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