Hochleistungskeramik in der Piezotechnik Advanced

Hochleistungskeramik
in der Piezotechnik
CeramTec GmbH
Multifunctional Ceramics Division
Luitpoldstraße 15
91207 Lauf, Germany
Phone: +49 9123 77-300
Fax: +49 9123 77-515
[email protected]
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S
www.ceramtec.com
MF080007• DE/EN • 1.000 • 1511 • atio (3658) • Printed in Germany
Advanced Ceramics
in Piezo Applications
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75
Typ Zürich
Füllhöhe 0 mm
Gesamtansicht außen
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Immer aktiv: Keramik in der Piezotechnik
A powerful presence – ceramics in piezo
applications
Notizen
Notes
2
Piezokeramiken dienen der Umwand-
tromechanischer Wandler als Antriebe für
lung von mechanischen Größen, wie
hydraulische und pneumatische Ventile,
Druck und Beschleunigung in elektri-
Positioniersysteme,
sche Größen, oder umgekehrt von elek-
und Dosiersysteme für Flüssigkeiten und
trischen Signalen in mechanische Bewe-
Gase.
Piezoelektrische Sensoren
Piezoceramic sensors
Mikromanipulatoren
•
Leistungsultraschallgeber
High-power ultrasonic
gung oder Schwingungen.
Bei dieser großen Vielfalt der Anwen-
transducers
kommen
dungsmöglichkeiten ist es sinnvoll, schon
•
für unterschiedlichste elektromechanische
in der Entwicklungsphase neuer Syste-
Aktoren
Wandler in einem weiten Frequenzbereich
me und Verfahren mit den Experten der
Actuators
zum Einsatz. Sie ermöglichen in Sensoren
CeramTec in Kontakt zu treten. Als An-
die Umwandlung von Kräften, Drücken
sprechpartner stehen erfahrene Mitarbei-
und Beschleunigungen in elektrische Sig-
ter zur Verfügung. Im Dialog werden Ein-
nale und bei Schall- und Ultraschallgebern
satzbedingungen, Anforderungskriterien
die Umwandlung von elektrischen Span-
sowie konstruktive Bedingungen heraus-
nungen in Schwingungen oder Deforma-
gearbeitet und wirtschaftliche Problem-
tionen.
lösungen angeboten. Moderne Herstel-
Piezokeramische
Bauteile
lungsverfahren ermöglichen die Fertigung
In der Automobiltechnik sorgen Senso-
piezokeramischer Bauteile mit höchster
ren für die Sicherheit der Insassen und für
Qualität und in großen Stückzahlen. Ein
eine intelligente Motorsteuerung.
unternehmensweites
Qualitätsmanage-
ment sorgt dafür, dass die angebotenen
Eine seit vielen Jahren bekannte An-
Produkte die Erwartungen der Kunden
wendung der Piezokeramik, die Zündung
voll erfüllen.
von Gasen, kommt als Massenprodukt für
Gasheizungen und Gasanzünder zum Einsatz.
In der Ultraschalltechnik werden mit
piezokeramischen
Bauteilen
Berechnung des Ölstandes
über die Laufzeit des Signals
Oil level calculated using the
signal time
einerseits
Ölstand Oil level
An der Oberfläche
reflektierte Welle
Wave reflected
on the surface
Senden Send
Empfangen
Receive
Piezokeramik:
sendet und empfängt
Piezoceramic:
sends and receives
hohe Ultraschallintensitäten erzeugt, die
zum Reinigen und zum Bohren mit Ultraschall, in der Ultraschall-Schweißtechnik
oder auch zur Stimulierung von chemischen Prozessen genutzt werden. Andererseits finden piezokeramische Bauteile
als Sender und Empfänger von Ultraschall
in vielen Bereichen der Signal- und Informations-Verarbeitung Verwendung. Piezokeramische Bauteile ermöglichen Ultraschallortung in der Sonartechnik, Abstandsmessung, zerstörungsfreie Materialprüfung und medizinische Diagnostik.
Die Funktion piezokeramischer Aktoren beruht auf der Tatsache, dass Deforwerden können. Dieses Verhalten eröffnet
Elektronischer Ölstandsensor mit Piezokeramik
neue Anwendungsmöglichkeiten elek-
Electronic oil level sensor with piezoceramics
hcirüZ pyT
mm 0 ehöhllüF
neßua thcisnatmaseG
57
mationen im Mikrometerbereich erzeugt
3
Piezoceramics are capable of converting
The operation of piezoceramic actua-
mechanical quantities such as pressure
tors relies on the ability of piezo elements
and acceleration into electrical quantities
to produce controlled deformation in the
or, conversely, of transforming electri-
micrometer range. This characteristic en­
cal signals into mechanical movement or
ables new applications for electromecha­
­oscillations.
nical transducers as drivers in hydraulic and
pneumatic valves, positioning systems,
Piezoceramic components are used in
micromanipulators,
a broad spectrum of electromechanical
systems for liquid and gaseous media.
and
proportioning
transducers covering a wide frequency
range. In sensors, they enable the conver-
Given this broad diversity of applica-
sion of forces, pressures and accelerations
tions, it is recommended to discuss with
to electrical signals. In sound generators
CeramTec´s experts at the development
and ultrasonic transducers, they transform
stage of a new product or system. Our
voltages into oscillations or deformations.
experienced staff will gladly assist. In dialogue with your company‘s experts, Cer-
In automotive engineering, sensor sys-
amTec can help to specify application con-
tems assure the safety of occupants and
ditions, requirement criteria and design
provide intelligent engine control capabili-
prerequisites, and to propose costeffec-
ties.
tive solutions. Advanced manufacturing
methods enable CeramTec to produce
A
piezoceramic
application
known
piezoceramic components of unsurpassed
for many years – the ignition of gases –
quality in large volume. CeramTec´s com-
is ­
manufactured as a mass product for
panywide quality management system
­heating installations and gas igniters.
­assures that its products and services will
be fully in line with customer‘s expecta-
In ultrasonic applications, piezoceramic
components generate high-power ultrasonic waves for ultrasonic cleaning, drilling
and welding and for stimulating of
­chemical processes. On the other hand,
piezoceramics are found in many signal
and information processing solutions in
the form of ultrasonic receivers and
­transmitters. They also play a key role in
advanced sonar locating and ranging,
non-destructive material testing, and medical ­diagnostic equipment.
tions.
Grundlagen der keramischen Piezotechnik
Fundamentals of piezoceramics
4
Direkter piezoelektrischer Effekt
Direct piezoelectric effect
Piezoelektrizität: spannend von
Piezoelectrics: performance under
Grund auf
strain
Unter Piezoelektrizität versteht man
Piezoelectricity is based on the ability of
die Eigenschaft bestimmter Kristalle, bei
certain crystals to generate an electrical
mechanischer Deformation infolge Druck
charge when mechanically loaded with
oder Zug elektrische Ladungen freizuset-
pressure or tension (direct piezo effect).
zen (direkter Piezoeffekt). Die Umkehrung
Conversely, these crystals undergo a con­
dieses Vorgangs, nämlich die Erzeugung
trolled deformation when exposed to an
mechanischer Deformationen durch elek-
electric field – a behavior referred to as the
trische Felder, bezeichnet man als den in-
inverse piezo effect.
versen Piezoeffekt.
The polarity of the charge depends on
Die Polarität der Ladung hängt von der
the orientation of the crystal relative to
Orientierung des Kristalls bezüglich der
the direction of the pressure.
Richtung des Druckes ab.
Inverser piezoelektrischer Effekt
Inverse piezoelectric effect
5
Die Struktur des Perowskit
The perovskite structure
Keramiken, die den Piezoeffekt zeigen,
Ceramics exhibiting piezoelectric pro-
gehören zur Gruppe der Ferroelektrika.
perties belong to the group of ferroelec-
Heute werden fast ausnahmslos Systeme
tric materials. Today‘s systems are based
auf Bleizirkonat-Titanat-Basis (PZT) ver-
mostly on lead zirconate titanate (PZT),
wendet, also Mischkristalle aus Bleizirko-
i.e., they consist of mixed crystals of
nat (PbZrO3) und Bleititanat (PbTiO3).
lead zirconate (PbZrO3) and lead titanate
Ein piezokeramisches Bauelement ist
(PbTiO3).
ein polykristallines Gebilde, also aus einer
Vielzahl von Kristalliten (Domänen) aufge-
Piezoceramic components have a poly-
baut, die wiederum aus einer Vielzahl von
crystalline structure comprising numerous
Elementarzellen bestehen.
crystallites (domains) each of which con-
Die Elementarzellen dieser ferroelektri-
sists of a plurality of elementary cells.
schen Keramiken haben die Kristallstruk-
The elementary cells of these ferroelec-
tur des Perowskit, die allgemein mit der
tric ceramics exhibit the perovskite crystal
Strukturformel
A2+B4+O32-
beschrieben
structure, which can generally be descri-
werden kann.
bed by the structural formula A2+B4+O32-.
Zur näheren Erläuterung werden in
For greater clarity, the following gra-
den folgenden Abbildungen zwei alter-
phics show two alternative views of an
native Ansichten einer Elementarzelle der
elementary cell of this lattice structure. In
Gitterstruktur gezeigt. Die zweite ist im
the second view, the structure has been
Vergleich zur vorherigen Abbildung ver-
shifted from its previously shown position,
schoben, so dass die Anionen jetzt in den
so that now the anions lie in the center of
Flächenzentren des Würfels liegen und
the cube faces and the tetravalent cation is
sich das vierwertige Kation im Raumzen-
body-centered, while the bivalent cations
trum befindet, während die zweiwertigen
are located at the corners of the cube. At
Kationen an den Ecken des Würfels positi-
temperatures above the Curie point (Tc),
oniert sind. Oberhalb der Curietemperatur
this lattice is of the “body-centered cubic“
(Tc) ist dieses Gitter kubisch raumzentriert
type top and lower left diagrams, p. 6.
(obere und untere linke Abbildung S.6).
At temperatures below the Curie
Unterhalb der Curietemperatur verzerrt
point, the lattice becomes distorted and
sich das Gitter, und es verschieben sich die
the center of charge gets shifted which
Ladungsschwerpunkte, wodurch ein per-
­gives rise to a permanent dipole momen­
manentes Dipolmoment entsteht (rechte
tum (right diagram p.6). This pheno-
Abbildung S.6). Man spricht hier auch
menon is referred to as “spontaneous
von spontaner Polarisation. Die Verzerrung
polarization“. In the case of PZT, the
des Gitters kann bei PZT je nach molarem
lattice distortion may be either tetrago-
Zr/Ti-Verhältnis tetragonal oder rhombo-
nal or rhombohedral, depending on the
edrisch sein.
Zr/Ti molar ratio.
Grundlagen der keramischen Piezotechnik
Fundamentals of piezoceramics
6
Pb2+
Ti4+
O2-
Zr4+
Schematische Darstellung der idealen Perowskit-
Schematic diagram of an ideal perovskite structure,
struktur unter Vernachlässigung der auftretenden Ver-
neglecting distortions due to spontaneous polarization
zerrungen durch spontane Polarisation unterhalb der
below Curie temperature. The bivalent cation is loca-
Curietemperatur. Im Zentrum des Würfels befindet
ted in the center of the cube, while the tetravalent
sich das zweiwertige Kation, während die vierwerti-
cations form the cube corners. The bivalent anions are
gen Kationen an den Ecken des Würfels positioniert
located in the center of each cube edge in this illustra-
sind. Die zweiwertigen Anionen sind in dieser Darstel-
tion.
lung in der Mitte jeder Würfelkante zu finden.
Pb2+
O2-
Ti4+ / Zr4+
Kubisch raumzentriert, oberhalb Tc
Tetragonal verzerrt, unterhalb Tc
Body-centered cubic state (above Tc )
Tetragonally distorted (below Tc )
7
Die Polarisation macht´s
The key is polarization
Unmittelbar nach dem Sinterprozess des
Immediately after sintering, the do­
keramischen Körpers zeigen die Domänen
mains of a ceramic body (i.e., the areas
(Bereiche mit Elementarzellen einheitlicher
­consisting of elementary cells of uniform
Dipolrichtung) eine willkürliche Orientie-
dipole direction) will show an arbitrary
rung mit statistischer Verteilung, so dass
(statistically distributed) orientation, i.e.,
der makroskopische Körper isotrop ist und
the macroscopic body is isotropic and
in diesem Zustand keinen piezoelektri-
shows no piezoelectric properties.
schen Effekt zeigt.
These piezoelectric properties have to
Die
Eigenschaften
be originated by “polarization“. In this
müssen durch „Polen“ hervorgerufen
piezoelektrischen
process, the ceramic body is exposed to
werden. Unter dem Einfluss eines elek-
a strong electric DC field that causes the
trischen Gleichfeldes werden die elektri-
electric dipoles to become aligned in the
schen Dipole in Feldrichtung ausgerichtet
direction of field. They will maintain this
(siehe Abbildungen). Diese Orientierung
orientation even when the DC field is no
bleibt auch nach Abschalten des elektri-
longer applied (remanent polarization) – a
schen Gleichfeldes zum großen Teil erhal-
necessary condition for the piezoelectric
ten (remanente Polarisation). Dies ist die
behavior of ferroelectric ceramics.
notwendige Voraussetzung für das piezoelektrische Verhalten der ferroelektrischen
Keramik.
Vor der Polarisation
Während der Polarisation
Nach der Polarisation
Before polarization
During polarization
After polarization
Grundlagen der keramischen Piezotechnik
Fundamentals of piezoceramics
8
Die bei diesem Vorgang erzeugte rema-
Durchfährt man diese Kurve mit positi-
In other words, the material exhibits pie-
nente Polarisation wird durch die untenste-
vem und negativem Feld mehrmals, stellt
zoelectric properties. When an opposed
hende Abbildung erläutert, die die elektri-
man fest, dass Hin- und Rücklauf nicht
field is applied, D will decrease and disap-
sche Verschiebungsdichte D als Funktion
übereinstimmen. Die sich bildende Schlei-
pear at a given field strength the coercive
der angelegten Feldstärke E zeigt. Legt
fe aus Hin- und Rücklauf wird Hysterese-
field strength -Ec.
man ein Feld an, steigt D mit wachsen-
kurve genannt.
As E becomes more negative, D will
reach a negative saturation point. If the
dem E auf der sogenannten Neukurve und
mündet in einer Sättigung. Reduziert man
The remanent polarization produced
material goes through several positive and
nun E, nimmt D nur unwesentlich ab und
by this process is illustrated by the graph
negative field cycles, it becomes apparent
behält im Remanenzpunkt für E = 0 einen
below. The dielectric displacement ­density
that the forward and return graphs do
endlichen Wert, der der remanenten Po-
D is plotted over the applied electric field
not coincide. The resulting forward/return
larisation Pr entspricht. Damit ist die Kera-
strength E. When a field is applied, D in
loop is called the hysteresis curve.
mik piezoelektrisch. Bei angelegtem Feld
creases with E along the “initial curve“
gegen die ursprüngliche Richtung sinkt
(start­ing from 0) until saturation is achieved.
D und verschwindet bei einer bestimm-
If E is reduced at this point, D will decrease
ten Feldstärke, der Koerzitivfeldstärke -Ec.
insignificantly; at the remanence point it
Wenn E noch negativer wird, erreicht D
retains a finite value for E = 0 which corres-
einen negativen Sättigungswert.
ponds to the remanent polarization level Pr.
P, D [C/cm2]
Pr
-Ec
0
Ec
E [kV/mm]
-Pr
Hysteresekurve
Hysteresis curve
D [C/cm2]
9
Trägt man, wie im nächsten Bild dar-
If we plot the strain S of the ceramic
gestellt, die Dehnung S des keramischen
body over the field strength E, as in the
Körpers in Abhängigkeit der angelegten
next illustration, we obtain a “butterfly
Feldstärke E ein, erhält man die sogenann-
curve“. The strain S initially grows fol-
te Schmetterlingskurve. S wächst anfangs
lowing the “initial curve“ (starting from 0)
entlang der Neukurve und erreicht eine
before it reaches a saturation point. At
Sättigung. Im Remanenzpunkt bleibt auch
the remanence level, the ceramic will reta-
die remanente Dehnung Sr erhalten. Das
in its residual strain, i.e., the polariza­tion
heißt: Während der Polarisation entsteht
process causes a lasting deformation Sr of
eine bleibende Verformung. Bei negati-
the ceramic. The strain S decreases with
vem E wird S kleiner, verschwindet bei -Ec
negative E and disappears at -Ec before
und nimmt anschließend wieder zu. Auch
beginning to rise again. Also, the de­
die Verformung hat also eine Hysterese.
formation effect shows a hysteresis. The
Die durch das Polen erreichte remanente
remanent deformation imparted to the
­
Dehnung definiert den Arbeitspunkt der
material defines the operating point of the
Piezokeramik. In der Umgebung von Sr
piezoceramic component. In the vincinity
antwortet die Piezokeramik bei Änderung
of Sr the piezoceramic body will respond
der Feldstärke mit einer proportionalen
to field strength variations by undergoing
Längenänderung, die in der Anwendung
a proportional length change that is
genutzt wird.
­utilized for application purposes.
S [µm]
Sr
Ec
-Ec
0
Schmetterlingskurve
Butterfly curve
E [kV/mm]
10
Die
Eigenschaften
A full or partial elimination of the do-
werden beeinträchtigt, wenn die beim
piezoelektrischen
main alignment achieved by the polarizing
Polen erreichte Ausrichtung der Domänen
process (depolarization) will degrade the
ganz oder teilweise zerstört wird (Depola-
piezoelectric properties of the material.
risation).
Depolarization may be the result of
Drei Einflussgrößen können zur Depola-
three factors:
risation führen:
• Thermal depolarization due to heat
• Thermische Depolarisation durch Er-
exposure. In application environments, wärmung. In der Anwendung sollte die the component temperature should
Betriebstemperatur die Hälfte der im not exceed one-half the Curie temper-
Datenblatt angegebenen Curietem-
ature stated in the data sheet. Storage
peratur nicht überschreiten. Auch die
temperatures should also not exceed Lagertemperatur darf diese Grenze nur this temperature by a significant margin.
unwesentlich überschreiten.
• Electric depolarization due to electric
• Elektrische Depolarisation durch elek-
fields acting against the original polari-
trische Ansteuerung gegen die ur-
zation direction.
sprüngliche Polarisationsrichtung.
• Mechanical depolarization caused by
• Mechanische Depolarisation durch high-pressure loads, especially with
hohe Druckbelastung, insbesondere
short-circuited electrodes. The maxi-
bei kurzgeschlossenen Elektroden.
mum permissible pressure level varies Der maximal zulässige Druck ist sehr largely according to the material used.
stark materialabhängig.
Since most applications will involve
Da in der Anwendung überlagerte Be-
some form of superimposed loading (e.g.,
lastungen (z.B.: elektrisches Feld gegen
exposure to an electric field opposed to
Polrichtung bei erhöhter Anwendungs-
the polarizationdirection at elevated ope-
temperatur) auftreten können und man
rating temperatures) and the depolariza-
hier das Depolarisationsverhalten nicht
tion behavior cannot be estimated in this
einschätzen kann, sind im Vorfeld entspre-
case. It is recommended to run lifetime
chende anwendungsnahe Lebensdauer-
tests under close-to-application conditions
prüfungen durchzuführen.
at the project planning stage.
S [µm]
Hochleistungswerkstoffe für die Piezotechnik
High-performance materials for piezo
applications
11
Die CeramTec hat spezielle Hochleis-
Werkstoffe für Sensoren:
Werkstoffe für Aktoren:
tungswerkstoffe für den Einsatz in der
SONOX® P5, SONOX® P502,
SONOX® P505 und SONOX® P53
Piezotechnik entwickelt. Denn piezokera-
SONOX® P504, SONOX® P508
• Sehr hohe Dehnung (1,4 –1,7‰)
mische Bauteile werden teilweise starken
• Dielektrizitätszahlen im Bereich
Beanspruchungen ausgesetzt und müs-
Beide Werkstoffe lassen sich neben der
­zwischen 1000 und 2000
sen ihre Aufgaben trotzdem mit höchster
• Große piezoelektrische Aktivität
Trockenpresstechnik auch gießen. Da-
Zuverlässigkeit erfüllen. Mit ihren unter-
(d33 ≥ 400 * 10
durch sind die Schichtdicken von 30 µm
schiedlichen Eigenschaften und Anwen-
• Geringe Gütewerte (≤100)
-12
C/N)
bis 300 µm realisierbar.
SONOX® P53 ist optimiert für diskrete
dungsmöglichkeiten sind die Werkstoffe
der Marke SONOX in der Welt der Senso-
Sensorische Anwendungen sind in den
Aufbautechnik, SONOX® P505 für mono-
ren, Aktoren und Wandler ein Begriff für
meisten Fällen kombinierte Systeme, in
lithische Vielschichttechnik.
höchste Leistungsfähigkeit und maximale
denen die Piezokeramik einerseits als
Zuverlässigkeit.
Ultras­
chall-Sender, andererseits als Emp-
Sonderwerkstoffe
fänger eingesetzt wird.
P1 bleifrei (P1LF).
®
Werkstoffkategorien
SONOX P502 und SONOX P504 sind
SONOX® P51 – sehr dünne Bauform
Die Klassifikation der piezokeramischen
speziell entwickelte Werkstoffe mit hoher
möglich bei hoher piezoelektrischer Akti-
Materialien basiert auf der chemischen
thermischer und zeitlicher Stabilität. Des-
vität (d33 > 500 pC/N).
Zusammensetzung einerseits und den
halb eignen sie sich besonders für auto-
spezifischen
motive Anwendungen im Bereich von -40
Auf Anfrage sind weitere Sonderwerk-
bis +160º Celcius.
stoffe verfügbar.
Anwendungsbedingungen
andererseits. Auswahlkriterien sind neben
®
®
den typischen Kenngrößen (siehe Datenblätter) das Verhalten bei großer elektrischer und mechanischer Last.
Es werden folgende Werkstoffkategorien unterschieden:
Typische Applikationen
Standard-Werkstoff
Werkstoffe für Leistungswandler:
Ultraschallreinigung
SONOX® P4
SONOX P4, SONOX P8
Sonartechnik
Diese Werkstoffe vertragen hohe elek-
Sensortechnik
SONOX® P5
trische Steuerspannungen sowie große
Materialprüfung
SONOX® P502
mechanische (Druck-) Lasten und zeich-
Medizinische Diagnostik
SONOX® P504
nen sich aus durch:
und Therapie
SONOX® P508
Ultraschallbearbeitung
SONOX® P8
®
®
• Geringe dielektrische Verluste
• Dielektrizitätszahlen im Bereich
zwischen 900 und 1400
• Hohe Gütewerte im Bereich
zwischen 500 und 2000
• Hohe Curietemperatur
• Große Koerzitivfeldstärke
Sie eignen sich besonders für Hochleistungs-Ultraschallanwendungen im Bereich
von 20 kHz bis zu einigen MHz.
(Schweißen, Bohren)
Aktoren
SONOX® P505
Piezoelektrische Generatoren
SONOX® P53
Hochleistungswerkstoffe für die Piezotechnik
High-performance materials for piezo
applications
12
CeramTec has developed special high-
Materials for sensors:
Materials for actuators:
performance materials for implementa­
SONOX® P5, SONOX® P502,
SONOX® P505 and SONOX® P53
tion in Piezo Applications, as piezo­ceramic
SONOX® P504, SONOX® P508
• Very high displacement (1,4-1,7‰)
components are sometimes exposed to
• Permittivity in between 1000 and 2000
high stresses, and must still fulfil their
• High piezoelectric activity
Both materials can, in addition to the
functions with maximum reliability. With
(d33 ≥ 400 * 10-12 C/N)
dry-pressing process, also be manufactu-
their different qualities and application
• Low mechanical quality factor (≤100)
options, SONOX® brand materials are
red as a ceramic tape. As a result thereof,
a layer thickness of 30 μm to 300 μm can
synonymous with premium efficiency and
Sensor applications are mainly combined
be realized.
maximum reliability in the world of sen-
systems in which the piezo ceramic is used
SONOX® P53 is optimized for discrete
sors, actuators and transducers.
as ultrasonic-transducer on the one hand
set-up technology, SONOX® P505 for mo-
and as a receiver on the other hand.
nolytic multilayer technology.
Material categories
SONOX P502 and SONOX P504 are
Piezoceramic materials are categorised
­specially developed materials with a high
Special materials
according to their chemical composition
rate of thermal and temporal stability. For
P1 lead free (P1LF).
and, on the other hand, by the specific
this reason, they are very suitable for au-
SONOX® P51 – very thin plates with high
application conditions. Besides the typical
tomotive applications in the area ranging
piezoelectric activity (d33 > 500 pC/N).
parameters (see data sheets), selection
from –40 to +160º Celsius.
®
®
­criteria include behaviour under high elec-
Additional special materials are availab-
trical and mechanical loads. The following
le upon request.
material categories are differentiated:
Materials for power transducers:
Typical applications
Suitable material
These materials withstand both high
Ultrasonic cleaning
SONOX® P4
electrical driving voltages and ­
­
intense
Sonar technique
mechanical (pressure) loads and are
­
Sensor technique
SONOX® P5
­characterised by:
Material testing
SONOX® P502
• Low dielectric loss
Medical diagnostics and therapy
SONOX® P504
SONOX® P4, SONOX® P8
SONOX® P508
• Permittivity in between 900 and 1400
• High mechanical quality factor in between 500 and 2000
Ultrasonic machining and joining
SONOX® P8
techniques (welding, drilling)
• High Curie temperature
Actuators
SONOX® P505
• High coercive field strength
Piezo electric generators
SONOX® P53
Materials of this type are specifically well
suited for high-performance ultra­
sonic
applications in the range from 20 kHz to
several MHz.
13
ROHS
ROHS
ROHS (Beschränkung der Verwendung
(Restriction of the use of certain Hazar-
bestimmter gefährlicher Substanzen in
dous Substances in electrical and electro-
elektrischen und elektronischen Geräten)
nic equipment)
Diese Richtlinie beschreibt die Vermei-
This directive describes the avoidance
dung von gefährlichen oder schädlichen
of dangerous or hazardous substances in
Substanzen in elektrischen oder elektro-
electrical or electronical equipment. The
nischen Geräten. Der Geschäftsbereich
Business Unit Multifunctional Ceramics
Multifunktionskeramik verkauft kerami-
produces and sells ceramic components
schen Bauelemente und ist somit von
which means that we are not affected by
dieser Richtlinie nicht direkt betroffen –
this directive but possibly our customers.
möglicherweise aber unsere Kunden.
The main ingredients of piezo-ceramic
Der Hauptbestandteil von piezokerami-
parts are lead – compounds as leadzirco-
sche Bauteilen sind Bleiverbindungen
nate or leadtitanate. Unfortunately this
wie Bleizirkonat und Bleititanat. Das ist
cannot be avoided which is as well the
leider nicht vermeidbar. Dieses wurde
conclusion of the European Commission.
auch von der europäischen Kommission
Therefore, lead in piezo-ceramic com-
so gesehen. Deshalb hat z.B. Blei in
pounds, for example, have an exemption
piezokeramischen Verbindungen in RoHS
from the restrictions in the RoHS and End
und der ELV („Altauto - Verordnung“) eine
of Life Vehicles directives.
Ausnahmegenehmigung.
Despite of this respectively due to this
Trotzdem oder gerade deshalb wollen
we want to assist our customers in this
wir unsere Kunden in dieser Beziehung
matter:
unterstützen:
We offer to redeem piezoceramic com-
Wir bieten an, piezokeramische Bau-
ponents and to recycle the materials in
teile zurückzunehmen und einer um-
processes which will protect the environ-
weltgerechten Entsorgung bzw. einem
ment. Precondition is, that the piezocera-
Recycling-Prozess zuzuführen. Voraus-
mic parts will be delivered without conta-
setzung ist, dass uns die Piezokeramiken
mination respectively foreign substances
ohne Fremdkomponenten (also nicht im
(not in a housing, casted or moulded).
Gehäuse oder eingegossen) angeliefert
Please give us a call, should you be inte-
werden. Sollten Sie an einem Recycling
rested. We will be happy to make you an
interessiert sein, nehmen Sie bitte Kontakt
offer.
mit uns auf. Wir machen Ihnen gerne ein
Angebot.
Bewährtes Know-how in der Fertigung
Proven manufacturing expertise
14
Die CeramTec hat die unterschiedlichen
Trotz
Werkstoff-
quirements, e.g., of the automotive and
Verfahren und Methoden des Herstel-
Zusammensetzungen
entsprechend
safety systems industries. A product mix of
lungsprozesses über Jahrzehnte hinweg
den Erfordernissen der praktischen An-
over 90% customerspecific components
perfektioniert.
wendung – läuft der keramische Herstel-
testifies to the flexibility of CeramTec´s
Überwachte Abläufe nach TS 16949 bil-
lungsprozess nach einem prinzipiellen
manufacturing systems, which produces
den die Grundlage für eine Fertigung, die
Schema ab.
single specimens with the same precision
unterschiedlicher
–
sogar die hohen Qualitätsforderungen der
as standardized volume parts.
Fahrzeug- und Sicherheitstechnik erfüllen.
CeramTec has perfected a broad range
Mehr als 90 % kundenspezifische Teile
of processes and methods over many de-
Notwithstanding the diversity of mate-
sind der beste Beweis für die Flexibilität
cades. Systems managed in compliance
rial compositions formulated to meet the
einer Fertigung, in der Musterstücke mit
with TS 16949 standard specifications
requirements, the piezoceramic manufac-
der gleichen Präzision realisiert werden,
form the basis of a production system that
turing process follows a basic scheme:
wie Standardteile in Großserien.
meets even the most exacting quality re-
PbO
TiO2
ZrO2
Dotierungen Dopants
Mischen Mixing
Kalzinieren Calcining
Pressteile Pressed Components
800…900º C
Mahlen Mixing/Milling
Multilayer-Bauteile Multilayer Components
z.B. Polyvinylacetat
Plastifizieren
Schlickeraufbereitung
Lösemittel, Binder
e.g. Polyvinylacetate
Plastification
Preperation of slurry
Solvents, binder
Sprühtrocknen
Foliengießen
Spray-drying
Tape casting
Formgeben
Drucken/Stapeln
Pressing
Printing/Stacking
Laminieren/Trennen
Laminating/Dicing
1000…1300º C
Sintern Sintering
Sintern Sintering
1000º C
Hartbearbeiten Grinding
Metallisieren Metallizing
Polarisieren Polarizing
Messen Measuring
Typische Prozessfolge zur Herstellung
von Bleizirkonat-Titanat-Bauteilen
Typical process sequence for the fabrication
of lead zirconate titanate ceramic components
Heiße Technik für präzise Ergebnisse
Precision sophisticated technology
15
Die Produkte werden in der Regel
In der abschließenden Warenausgangs-
durch
Roh-
kontrolle werden beispielsweise geomet-
stoffe entsprechend der vorgegebenen
rische Abmessungen, Haftfestigkeit der
chemischen Zusammensetzung in einem
Silbermetallisierung und piezoelektrische
Pulverpräperationsprozess gewonnen. Wei-
Daten protokolliert, bevor die Ware aus-
tere Schritte bestehen in der Verdichtung
geliefert wird. Die zu prüfenden Parame-
der konditionierten Pulver und der Form-
ter und die Prüfschärfe werden individuell
gebung z.B. durch Trockenpressen. Nach
mit dem Kunden abgestimmt. In-Prozess-
der Formgebung wird der Keramikrohling
Kontrollen und eine TS 16949-konforme
bei Temperaturen zwischen 1000 °C und
Fertigung gewährleisten ein hohes Quali-
1300 °C gesintert. Das Sintern der Kerami-
tätsniveau auch bei größten Stückzahlen.
Verarbeitung
oxidischer
ken erfolgt in kontinuierlich betriebenen
erfolgt die Bildung des polykristallinen
keramischen Gefüges. Die gesinterte Pie-
zokeramik wird durch Schleifen, Läppen,
Polieren und Trennsägen mechanisch be-
arbeitet, um geometrische Abmessungen
und die Oberflächenbeschaffenheit in en-
gen Toleranzen zu gewährleisten. Geome-
trische Abmessungen bestimmen neben
den Materialkoeffizienten die funktio-
nellen Eigenschaften, wie z.B. Kapazität
Werkstoffprüfung
oder Resonanzfrequenz. Zur elektrischen
berelektroden mittels Siebdruckverfahren
aufgebracht, die bei ca. 600 °C eingebrannt werden. Danach erfolgt der Polarisationsprozess, bei dem durch Anlegen
eines elektrischen Gleichfeldes (2…3 kV/mm)
bei Temperaturen zwischen 80 °C und
140 °C die Dipole im Material ausgerichtet
werden.
polarization step in which the product is
exposed to an electric DC field (2 to 3 kV/
mm) at temperatures between 80 °C and
140 °C to achieve the appropriate dipole
orientation within the ceramic.
In the final outgoing product inspection, the component is tested for a wide
range of parameters (e.g., geometrical dimensions, adhesion strength of the silver
metallization layer). Its piezoelectric data
are recorded prior to shipping.
Elektroöfen. Im Verlauf des Sinterprozesses
Kontaktierung werden üblicherweise Sil-
at approx. 600 °C. This is followed by the
Material testing
The parameters to be inspected and the
severity of the test conditions are agreed
with the customer on an individual basis.
In-process inspections and an TS 16949
compliant manufacturing process assure a
high quality level even in volume production.
Production normally involves a powder
preparation process in which oxide raw
materials are mixed to obtain the defined
chemical product composition. Further
steps include the compaction of the conditioned powder and a forming stage
such as dry-pressing. The ceramic blank is
then sintered at temperatures between
1000 °C and 1300 °C in a continuous tunnel style electric furnace. In the course of
this sintering step the product develops
its polycrystalline ceramic structure. The
sintered piezoceramic component is mechanically finished by grinding, lapping,
polishing, and sawing to assure its geometrical dimensions and surface finish
remain within the specified narrow tolerances. The geometrical dimensions of the
product, apart from material coefficients,
determine its functional characteristics
such as capacitance or resonant frequency. Electrical connections are usually made
by applying silver electrodes in a screen
printing process with subsequent sintering
Läppen Lapping
Piezokeramik: Vielseitig in Form
Piezoceramics – diversity in shape
16
So vielseitig wie die Anwendungen und
die darauf abgestimmten Werkstoffe gestaltet sich auch die Formgebung für piezokeramische Bauteile.
Typische Formen sind Scheiben, Rechteckplatten, Stäbe, Lochscheiben, Zylinder,
Rohre, Rohrsegmente, Kugeln und Kugel-
Formen
Typische Abmessungen1)
Loch- und Vollscheiben
Durchmesser
5 mm – 120 mm
Dicke
0,2 mm – 30 mm
Durchmesser
5 mm – 120 mm
Höhe
< 30 mm
Länge
3 mm – 120 mm
Breite
2 mm – 120 mm
Höhe
0,2 mm – 30 mm
Monolithische Vielschichtaktoren
Länge
5 mm – 10 mm
(Sonderprospekt vorhanden)
Breite
2 mm – 10 mm
Höhe
10 mm – 40 mm
Anzahl der Kera-
100 – 400
Zylinder
Rechteckkörper
segmente.
mikschichten
Halbkugel
Radius bis ca. 25 mm
Standardtoleranzen
± 1 % der jeweiligen Abmessung
± 0,05 mm bei geschliffenen Dicken
± 0,1 mm f. unbearb. Dicken bis 10 mm
± 10 % bei spezifizierter Resonanzfrequenz2)
Piezokeramische Bauteile
Piezoceramic components
1)
Richtwerte, die nach Rücksprache unter- oder überschritten werden können.
Eine Kombination von Extremwerten ist nicht möglich.
2)
Bei manchen resonanten Anwendungen ist es üblich, anstelle einer mechanischen
Abmessung die über die Frequenzkonstante definierte Resonanzfrequenz zu spezifizieren.
Beispiel: Scheibe aus SONOX® P4 Ø 20 mm ± 0,2 mm x 2 MHz ± 10 %
2 MHz ist dabei die Resonanzfrequenz der Dickenschwingung der Scheibe und entspricht
einer Scheibendicke von ca. 1 mm (siehe hierzu auch die Datentafeln und das Glossar).
Aktoren
Actuators
Piezokeramische Folien
Piezoceramic tapes
17
Shape
Typical dimensions1)
Rings and disks
Diameter
5 mm – 120 mm
Thickness
0.2 mm – 30 mm
Diameter
5 mm – 120 mm
Height
< 30 mm
Length
3 mm – 120 mm
Width
2 mm – 120 mm
Height
0.2 mm – 30 mm
Monolithic multilayer actuators
Length
5 mm – 10 mm
( special brochure available )
Width
2 mm – 10 mm
Height
10 mm – 40 mm
Number of cera-
100 – 400
Cylinders
Rectangular plates
mic layers
Semispherical bodies
Radius: up to about 25 mm
Standard tolerances
± 1 % of the respective dimension
± 0.05 mm thickness tolerance onground
products
± 0.1 mm on unmachined products not
exceeding 10 mm in thickness
± 10% in case of specified
resonance frequency2)
1)
Reference values which may be higher or lower on actual product, depending on agreement with
the customer.
2)
In some resonant applications it has become standard practice to specify the resonance frequency
(defined via the frequency constant) instead of a mechanical dimension.
Example: Disk made of SONOX® P 4 Ø 20 mm ± 0.2 mm x 2 MHz ± 10 %.
2 MHz is the resonance frequency of the thickness-mode oscillation of the disk, corresponding to a disk
thickness of approximately 1 mm (refer also to the data charts and glossary section for explanations).
The production and forming processes
used in the manufacture of piezoceramic
parts are as diverse as their applications
and the associated suitability criteria.
Typical shapes include disks, rectangular
plates, rods, rings, cylinders, tubes, spheres and semi-spheres.
Dynamisches Verhalten von Piezokeramik
Dynamic behavior of piezoceramics
18
Wird ein piezokeramisches Bauteil mit
Stellt man den Wechselstromwiderstand
By plotting the AC resistance Z over the
einer elektrischen Wechselspannung be-
Z in Abhängigkeit der Frequenz dar, erhält
frequency, the following curve results:
aufschlagt, ändert es seine Abmessungen
man die folgende Kurve:
periodisch entsprechend der Frequenz des
Steuersignals.
Aufgrund der beteiligten Steifigkeiten
log Z
und Massen des schwingenden Bauteils
treten geometrieabhängige Resonanzfrequenzen auf, bei denen die Schwingamplitude bei konstanter Steuerspannung
stark ansteigt. In der Nähe der Resonanzfrequenz lässt sich das schwingende piezokeramische Bauteil durch das folgende
elektrische Ersatzschaltbild beschreiben.
When a piezoceramic component is
connected to an AC voltage, it undergoes
fs
a periodic change in dimension according
to the frequency of the control signal.
Due to the stiffness and mass of the
oscillating component, we can observe
geometry related resonance frequencies at which the amplitude rises steeply
Dabei gelten folgende Analogien:
­although the control voltage remains un-
The analogies are as follows:
changed. In the vicinity of that frequency,
the oscillating piezoceramic component
C1
L1
R1
can be described by the following equi­
valent circuit diagram:
C2
C1: Reziprokwert der Federsteifigkeit
inverse of spring stiffness
C2: dielektrische Kapazität
dielectric capacity
L1: träge Masse inert mass
R1: innere Verluste interior loss
fp
f
19
Näherungsweise ergeben sich die Serien-
Roughly speaking, you obtain the se-
resonanzfrequenz fs bei Impedanzmini-
ries resonance frequency fs at minimum
mum und die Parallelresonanzfrequenz
impedance and the parallel resonance fre-
fp bei Impedanzmaximum. Wird also ein
quency fp at maximum impedance. Thus,
piezokeramischer Körper in seiner Serien-
if a piezoceramic body is driven with its
resonanzfrequenz angesteuert, wird seine
series resonance frequency, its current
Stromaufnahme maximal, und die Schwin-
con­sumption will peak and its oscillation
gamplitude erhöht sich im ungedämpften
amplitude will increase (in the absence of
Fall um den Faktor der mechanischen
external damping) by the mechanical qua-
Schwinggüte.
lity factor (Q).
Mit der in den Datentafeln angegebe-
With the aid of the frequency constants,
nen Frequenzkonstanten N (Serienreso-
N, given in the data tables (N = series re-
nanzfrequenz x frequenzbestimmende
sonance frequency times the frequency-
Abmessung) kann man die Resonanzfre-
determining dimension), the resonance
quenzen eines piezokeramischen Körpers
frequencies of a piezoceramic body can
leicht bestimmen (siehe hierzu auch die
be readily determined (refer also to the
Darstellungen auf den folgenden Seiten).
illustrations on the following pages).
Grundschwingungsformen piezoelektrischer
Resonatoren
Basic oscillating modes of piezoelectric
resonators
20
Längsschwingung
einer dünnen Platte
Longitudinal oscillation of
a thin rectangular plate
Planarschwingung
einer dünnen Scheibe
Planar oscillation
of a thin circular disc
Dickenschwingung
einer dünnen Scheibe
Thickness mode
oscillation of a thin disc
Längsschwingung
eines Zylinders
Longitudinal oscillation
of a cylinder
Scherschwingung
Shear oscillation
= Polarisationsrichtung Direction of polarization
= Richtung der Auslenkung Direction of displacement
21
Geometriever-
Errechnete
Mechanischer
Ladungskonstante
Spannungskonstante
hältnis
Resonanzfrequenz
Kopplungsfaktor
Charge constant
Voltage
Geometrical
Calculated reso-
Mechanical
ratio
nance frequency
coupling factor
constant
I
t,b
>5
fS =
N1
I
, fS =
N1
k312
b
1-k31
2
=
fp
π
2
fS
g31
d31
k31
tan (
π
fp - fs
2
fp
)
d31 = k31
ε33T · S11E
g31 =
d31
ε33T
kp
d
t
> 10
fS =
Np
d
kp2 ≈ {2,5
fp - fs
fp
fp - fs
-(
fp
)2}
kt
d
t
> 10
fS =
Nt
t
kt2 =
π
fs
2
fp
tan (
π
fp - fs
2
fp
)
k33
I
d
> 2,5
fS =
N3
I
k332 =
π
fs
2
fp
tan (
g33
d33
π
fp - fs
2
fp
)
d33 = k33
ε33T · S33E
g33 =
k15
I
t,b
> 3,5
I = Länge Length
fS =
NS
t
b = Breite Width
k152 =
π
fs
2
fp
tan (
t = Dicke Thickness
d33
ε33T
g15
π
fp - fs
2
fp
)
d = Durchmesser Diameter
g15 =
d15
ε11T
Anwendungsfelder piezoelektrischer Bauteile
Piezoceramic applications
22
Beispiele aus der Fahrzeugindustrie
Automotive
Klopfsensor, Rückfahrsensor, Beschleu-
Knock sensors, back-up sensors, accele-
nigungssensor, Drehratensensor, Sonar-
ration sensors, gyrometric sensors, ­sonar
wandler zur Objekterkennung, Sonar-
transducers for object identification, ­sonar
wandler
zur
Ortung/Navigation,
Füll-
transducers for locating / navigation func-
standsensoren, Luftmassenmesser, Ener-
tions, level sensors, air-mass sensors, ener-
gieerzeugung für Reifendrucksensoren.
gy harvesting for tire pressure sensors.
Piezokeramik
Piezoceramic
Seismische Masse
Seismic mass
Vibration
Vibration
Klopfsensor Knock sensor
Beispiele aus der Medizintechnik
Medical applications
Nierensteinzertrümmerer,
Zahnstein-
Lithotripters, dental plaque removers,
entferner, chirurgisches Messer, Ultra-
ultrasonic scalpels, ultrasonic nebulizers,
schall-Vernebler für Inhalatoren, Ultra-
ultrasonic diagnostics and therapy.
schall-Diagnostik und Therapie.
Lithotriptor (Nierensteinzertrümmerer)
Lithotripter
23
Piezokeramische Wandler
Beispiele aus der Aktorik
(Sender/Empfänger)
Lichtleitfaserjustierung,
Piezoceramic transducer
Präzisionsver-
stelleinrichtungen, pneumatische/hydrau-
(transmitter/receiver)
lische Ventile, aktive Schwingungsdämpfung, Schallerzeugung.
Actuators
Optical fiber alignment, precision positioning devices, pneumatic / hydraulic
valves, active vibration damping, sound
emitters.
Füllstandsensoren (Reflexionsprinzip)
Level transducers (reflection type)
Beispiele aus dem Maschinenbau
Beispiele für Consumeranwendungen
Luft -Ultraschall-Abstandssensoren, Füll-
Haushaltsgasanzünder, Piezofeuerzeuge,
standsensoren, Durchflussmessung (flüs-
Tonabnehmer für Instrumente (Gitarren-
sige und gasförmige Medien), Ultra-
tonabnehmer),
schall-Reinigung,
Zerstäuber für medizinische und kosmeti-
Ultraschall-Schweißen
(Kunststoff und Metall), Ultraschall-Mate-
Einbruchmeldeanlagen,
sche Anwendungen.
rialbearbeitung, zerstörungsfreie Materialprüfung, aktive Schwingungsdämpfung
Consumer applications
von Werkzeugen.
Household gas lighters, piezo cigarette
lighters, guitar pickups and burglar alarm
Mechanical engineering
sensors, nebulizors for medicine and cos-
Ultrasonic distance sensors, level sen-
metic applications.
sors, flow rate measurement (liquid and
gaseous media), ultrasonic cleaning, ultra-
Monolithischer Vielschichtaktor
sonic welding (plastics and metal), ultra-
Monolithic multilayer actuator
sonic machining, non-destructive testing,
active vibration control.
Gesonderter Prospekt „Multilayer-Aktoren“ verfügbar.
Separate brochure “Monolithic Multilayer Actuators“
available.
24
Empfehlungen zur Kontaktierung
Recommendations for Terminal con-
­piezoelektrischer Keramik
nections of piezoceramics
Die metallisierten Elektrodenflächen der
The metallized electrode surfaces of
CeramTec-Piezokeramiken eignen sich zur
CeramTec piezoceramics are suitable for
Kontaktierung mittels Leitgummi- oder
conductive rubber or spring-type contact
Federkontakt ebenso wie zur Kontaktie-
systems, as well as for soldered connec-
rung durch Anlöten mit einem Weichlot.
tions. In sensor applications involving
Für Sensoranwendungen, bei denen keine
small power levels, it is also possible to
großen elektrischen Leistungen übertra-
attach flexible PCB type conductors to the
gen werden müssen, ist es auch möglich,
metallized surface with a conductive bon-
flexible Leiterbahnen mittels Leitkleber auf
ding agent such as specialized epoxies.
der metallisierten Oberfläche zu fixieren.
Where terminals are to be soldered, a
Soll durch Anlöten mit einem Weichlot
number of special requirements have to
kontaktiert werden, sind einige Besonder-
be observed in order to achieve optimized
heiten zu beachten, um optimale Ergeb-
results. First, a temperature - controlled
nisse zu erzielen: Es wird die Verwendung
electronic soldering iron with an output
eines temperaturgeregelten Elektroniklöt-
of approximately 30 W should be used.
kolbens mit einer Leistung von ca. 30 W
The optimum soldering tip temperature is
empfohlen. Die optimale Lötspitzentem-
320 °C. Since the electrode is only sever-
peratur beträgt 320 °C. Da die Elektro-
al micrometers thick, a solder containing
dendicke nur wenige μm beträgt, muss
silver must be used on silver electrodes to
bei Silberelektroden ein silberhaltiges Lot
prevent the silver from diffusing into the
verwendet werden, da ansonsten das Sil-
solder. CeramTec recommends the use of
ber der Elektrode sehr schnell in das Lot
the following solder:
hineinlegiert. Wir empfehlen daher die
L Sn 96.5 Ag 3.5 DIN 29453
Verwendung des folgenden Lotes:
L-Sn 96.5 Ag 3.5 DIN 29453
Soldering is generally performed in two
steps:
Im allgemeinen erfolgt die Lötung in
a) tinning the soldering point
zwei Schritten:
b)soldering the flexible connecting lead
a) Verzinnen des Lötpunktes,
into position
b) Einlöten der Anschlusslitze.
The duration of both steps should be
Beide Vorgänge sollten so kurz wie mög-
minimized and should not exceed 1 se-
lich gehalten werden und die Dauer von je
cond. To achieve this, the use of pretin-
einer Sekunde nicht überschreiten. Dazu
ned flexible leads is required. It is often
ist es unbedingt erforderlich, vorverzinnte
beneficial to preheat the piezoceramic to
Anschlusslitzen zu verwenden. Bei massi-
facilitate and/or accelerate the soldering
ven Piezokeramikteilen kann es außerdem
process. The recommended preheating
sinnvoll sein, die Piezokeramik vorzuwär-
temperature is 60 °C.
men, um den Lötvorgang zu erleichtern/
zu beschleunigen. Hier ist eine Vorwärmtemperatur von ca. 60 °C zu empfehlen.
Piezokeramiken für die Sensorik und Aktorik
Piezoceramics for sensor systems and actuators
25
Die Werkstoffe
Materials
Trockenpresstechnik
Für Sensoranwendungen finden die
For sensor applications, SONOX® P5,
Hierfür wurden die Werkstoffe SONOX®
Werkstoffe SONOX® P5, SONOX® P502,
SONOX® P502, SONOX® P504 are the
P5, SONOX® P502 und SONOX® P504
P508 Ver-
materials of choice, given their high cou-
entwickelt. Diese Technik ist eine ratio-
wendung, die sich durch hohe Koppel-
pling factors, high charge constants, and
nelle Methode zur Herstellung großvolu-
faktoren und große Ladungskonstanten
low mechanical Q values (detailed spe-
miger Bauteile mit Dicken von > 0,5 mm.
sowie durch niedrige mechanische Güte-
cifications are provided in detail in the
Typische Bauformen sind runde Scheiben,
werte auszeichnen (detaillierte Angaben
data sheets). Their high sensitivity and
Ringe und rechteckige oder quadratische
finden Sie auf den Datenblättern). Durch
piezoelectric activity makes these mate-
Platten (Abmessungen sind aus der Tabel-
ihre hohe Empfindlichkeit und Aktivität
rials highly suitable for a broad range of
le auf Seite 16 ersichtlich).
sind diese Werkstoffe für vielfältige An-
low-power applications, particularly for
wendungen
pulsed-mode operation.
Dry pressing
insbesondere auch für den Impulsbetrieb
The reason there are so many sensor
With the dry pressing process in mind,
geeignet.
materials is simple: in piezo engineering,
CeramTec developed the SONOX® P5,
Warum so viele Werkstoffe für die Sen-
two different manufacturing techniques
SONOX® P502 and SONOX® P504 mate-
sorik zur Verfügung stehen, hat einen
are used depending on the component
rials. Dry pressing is an efficient method
einfachen Grund: Für sehr dünne Bauteile
thickness.
for producing high-volume components
SONOX
®
P504 und SONOX
®
im
Kleinleistungsbereich,
auf der einen und massive Bauteile auf der
measuring over 0.5 mm in thickness. Typical
anderen Seite werden in der Piezotechnik
product shapes include disks, rings, and
zwei unterschiedliche Herstellungstechno-
rectangular or square plates. (Dimensions
logien verwendet.
are from the table located on page 17).
Dämpfungsmaterial
Damping material
Piezokeramik
Anpassungsschicht
Adaptation layer
Luftultraschallwandler
Air-type ultrasonic transducer
Piezoceramic
26
Foliengießtechnik
Tape casting
Die Werkstoffe SONOX® P53, SONOX®
The materials SONOX® P53, SONOX®,
Standardelektrodenmaterialien
Metallisierung
sind
P505 und SONOX P508 wurden speziell
P505 and SONOX P508 were optimized
Silber oder Nickel-Gold, wobei spezielle
für die Foliengießtechnik optimiert. Damit
for the tape casting process. Very thin
Elektrodenlayouts, wie Rückkoppelelek-
lassen sich dünne Platten mit Dicken im Be-
plates in the 30 to 300 μm range can be
troden, herumgezogene Elektroden oder
reich zwischen 30 μm und 300 μm herstel-
reliably manufactured. The standard thick-
Sonderformen, möglich sind, um erwei-
len. Die Standarddickentoleranz beträgt
ness tolerance of ± 15 μm can be reduced
terte Funktionalitäten realisieren zu kön-
±15 μm und kann für spezielle Anwen-
where special requirements apply. How-
nen. Die Metallisierung kann mit und
dungen weiter eingeschränkt werden. Die
ever, the maximum dimensions of such
ohne Isolationsrand erfolgen. Wird ein
maximalen Abmessungen solcher runden,
round, square or rectangular plates are
Isolationsrand gewünscht, ist er mit ≤ 0,3
quadratischen oder rechteckigen Platten
limited to approx. 50 mm (edge length or
mm spezifiziert.
sind jedoch, abweichend von den in der
diameter, see page 17).
Da für viele Anwendungen die Polarisa-
®
®
Tabelle auf S.16 angegebenen Werten,
tionsrichtung entscheidend sein kann, ist
auf ca. 50 mm Kantenlänge oder Durch-
üblicherweise die positive Seite markiert.
messer limitiert.
Metallization
Standard electrode materials include silBeispiele für spezielles
ver or nickel-gold. Special electrode confi-
Elektrodendesign
gurations (e.g., feedback or wrap-around
Examples of special electrode designs
electrodes, custom designs) are feasible to
achieve expanded functionalities. The metal plating can be applied with or without
insulating margin. Standard insulation
margin is ≤ 0.3 mm.
Since the polarization direction is of
decisive importance in many applications,
the positive side of the piezoceramic element is usually marked.
Piezokeramiken für
Leistungs-Ultraschall-Anwendungen
Piezoceramics for high-power
ultrasonic applications
27
Leistungswandler-Verbundschwinger,
Power conversion compound trans-
auch Langevin-Bolt-Transducer (LBT) ge-
ducers, also referred to as Langevin-Bolt
nannt, werden mit speziell dafür entwi-
transducers (LBT), are made from specially
ckelten Piezokeramiken aufgebaut, die
developed piezoceramics characterized by
sich durch niedrige dielektrische Verluste
low dielectric loss and high mechanical Q
und hohe mechanische Gütewerte aus-
factors. For these applications, CeramTec
zeichnen. CeramTec stellt hierfür zwei
supplies two material types distinguished
Materialtypen mit unterschiedlichen Ei-
by different attribute profiles.
gen-schaftsprofilen zur Verfügung.
Die Werkstoffe
Materials
SONOX® P4 eignet sich für Wandler
SONOX® P4 is suitable for ultrasonic
zur Ultraschallreinigung und zur zerstö-
cleaning and non-destructive testing trans-
Endmasse aus Metall
rungsfreien Materialprüfung. Die hohen
ducers. Its high coupling factors, medium-
Metallic end mass
Koppelfaktoren, mittleren Gütewerte und
range Q factors, and excellent mechanical
die große mechanische Stabilität erlauben
stability permit high oscillation amplitudes
große Schwingamplituden im Resonanz-
at resonance.
betrieb.
The achievable active power output
Es wird eine Wirkleistung von ca. 7 bis
in transducer configurations (emitting
10 W/cm2 bei einseitiger Abstrahlung in
unilaterally in water) varies between ap-
Wasser erreicht. Die maximale Betriebs-
proximately 7 and 10 W/cm2. The maxi-
temperatur der Keramik liegt bei 125 °C.
mum operating temperature of the ce-
Die Druckbelastung dieser Keramik hängt
ramic element must not exceed 125 °C.
von den Einbaubedingungen ab (homo-
Its compressive-strength depends on the
gene Flächenbelastung) und liegt bei ma-
mounting conditions (homogeneous load
ximal 70 MPa Dauerlast.
distribution) but will usually reach 70 MPa
Piezokeramische Scheibe
Piezoceramic disk
Frontmasse aus Metall
Metallic front mass
maximum in continuous mode.
SONOX® P8 ist für Leistungswandler mit
höchster Flächenbelastung ausgelegt. Die-
SONOX® P8 is designed for power trans-
ser Werkstoff besitzt hohe mechanische
ducers handling maximum loads per unit
Gütewerte bei großen Koppelfaktoren
area. This material combines high mecha-
und niedrigen dielektrischen Verlusten. In
nical Q values with high coupling factors
Verbindung mit seiner hohen Depolarisa-
and low dielectric loss. Since it also fea-
tionsfestigkeit eignet er sich daher beson-
tures a high depolarization resistance, SO-
ders für Hochleistungswandler.
NOX® P8 is particularly suitable for highpower transducers.
Hochleistungsschwinger
High-power ultrasonic transducer
28
In geeigneten mechanischen Wand-
With an appropriate transducer de-
lern lassen sich Wirkleistungen von über
sign, active power outputs in excess of
2 kW erzielen. Solchermaßen aufgebaute
2 kW can be achieved. Such transducers
Wandler werden hauptsächlich für das
are used chiefly in ultrasonic welding
Ultraschallschweißen und die Material-
and machining equipment, but also in
bearbeitung, aber auch für Reinigungs-
high-performance cleaning. Depending
anwendungen mit höchsten Ansprüchen
on the transducer design and coupling
eingesetzt. Je nach Wandleraufbau und
method,
Ankopplung werden beim Ultraschall-
may be configured with active pow-
Reinigen Wirkleistungen von 10 bis 50 W/
er outputs between 10 and 50 W/cm2
cm2 bei einseitiger Abstrahlung in Wasser
(unilateral emission in water). The maxi-
erzielt. Die Betriebstemperatur liegt bei
mum operating temperature is 125 °C,
maximal 125 °C, die Dauerdruckbelastung
while the maximum continuous compres-
der Keramik bei homogener Flächenlast
sive strength (assuming a homogeneous
bei maximal 125 MPa.
load distribution) is approx. 125 MPa.
Die Elektroden bestehen aus Einbrenn-
The electrodes are made of sintered silver
silber, das mittels Siebdrucktechnik aufge-
screen printed onto the material. On rings
bracht wird. Bei Lochscheiben bis 50 mm
up to 50 mm outside diameter, the maxi-
Außendurchmesser beträgt die Ex­zen-
mum inside/outside diameter concentrici-
trizität von Innendurchmesser zu Außen-
ty is 0.1 mm.
durchmesser maximal 0,1 mm.
The surface flatness and parallelism over
Ebenheit und Parallelität über Metalli-
the metallized layer is ≤ 20 μm. By special
sierung liegen bei ≤ 20 μm. Es können auf
arrangement, parts can be produced to si-
Anfrage jedoch auch Teile mit wesentlich
gnificantly smaller tolerances.
ultrasonic
cleaning
systems
kleineren Werten produziert werden.
For disks, the thickness tolerance over
Bei Vollscheiben beträgt die Dicken-
the metallized surface is ± 0.1 mm.
toleranz ± 0,1 mm über Metallisierung.
Flatness and parallelism values lie within
Innerhalb dieser Toleranz bewegen sich
the same tolerance band. Special designs
auch Ebenheit und Parallelität dieser Teile.
with soldered connecting wires or machi-
Sonderausführungsformen mit angelöte-
ned grooves can be produced upon re-
ten Anschlussdrähten oder eingefrästen
quest.
Nuten sind machbar.
Die Bauformen
Product shapes
Übliche Bauformen sind runde Loch-
Standard products are in the form of
scheiben oder Vollscheiben.
disks or rings.
29
In der folgenden Tabelle finden Sie Vorzugswerte für Durchmesser und Dickenkombinationen:
The following table summarizes the
preferred diameter and thickness combinations for rings:
AD (mm)
T (mm)
25
1
38
3
ID
T
(mm)
(mm)
4
2
5
2
15
8
2
25
10
4
3
5
6
AD (mm)
10
6,35
50
2,50
6
6,35
35
15
4
5
6
6,35
38
13
4
15
5
20
6
6,35
50
15
5
20
6
6,35
AD: Außendurchmesser
OD: Outside diameter
ID: Innendurchmesser
ID: Inside diameter
T: Dicke
T: Thickness
Andere Formen und Abmessungen auf Anfrage
Other shapes and dimensions available upon
request
Fachbegriffe der Piezotechnik: Glossar
30
Alterungsrate c
Np:Frequenzkonstante für die Planar-
Indizes
Die Alterungsrate gibt die relative Än-
schwingung einer Kreisscheibe
Bei piezoelektrischen Werkstoffen wird
derung des entsprechenden Koeffizienten
Nt:Frequenzkonstante für die Dicken-
die Richtung der positiven Polarisation
pro Zeitdekade an. Dabei bedeuten:
schwingung einer dünnen Platte
üblicherweise so gewählt, dass sie mit der
N1:Frequenzkonstante für die Längen-
z-Achse eines rechtwinkligen Systems kris-
cε: Alterungsrate der Kapazität
oder Breitenschwingung einer in
tallographischer Achsen zusammenfällt.
cf: Alterungsrate der Resonanzfrequenz
Dickenrichtung polarisierten dünnen Diese Koordinaten werden im allgemei-
ck: Alterungsrate des elektromechani-
Platte
nen mit den Ziffern 1, 2 und 3 bezeichnet,
N3:Frequenzkonstante für die Längs-
schen Koppelfaktors
wobei Richtung 3 die Polarisationsrichtung
schwingung eines in dieser Richtung
bezeichnet. Mechanische und elektrische
Wird beispielsweise im Datenblatt die
polarisierten schlanken Stabes oder
Größen, die in einer dieser Richtungen
Kapazitätsalterung unserer SONOX® P4-
Zylinders
wirken, werden mit einem bestimmten
Keramik mit - 4,5 % pro Dekade angegeben, bedeutet dies:
Beispielkeramik, Kapazitätswert:
Index versehen. Da piezoelektrische Bau Da bei allen Schwingungsformen geo-
elemente bereits in einer bestimmten
metriebedingte Koppelschwingungen auf-
Richtung 3 polarisiert sind und sich ent-
treten können, sind bei der Verwendung
sprechend anisotrop verhalten, sind auch
der Frequenzkonstanten für die Berech-
die Koeffizienten in den Datentafeln, die
1 Tag nach Polarisation: 100 nF
nung von Resonanzfrequenzen die Geo-
die Materialeigenschaften beschreiben,
10 Tage nach Polarisation:
metrieverhältnisse am schwingenden Kör-
richtungsabhängig und deshalb in vielen
95,5 nF (-4,5 %)
per zu beachten (siehe hierzu auch
Fällen mit zwei tiefgestellten Indizierun-
100 Tage nach Polarisation:
„Grundschwingungsformen piezoelektri-
gen und manchmal zusätzlich mit einer
91,2 nF (-4,5 %)
scher Resonatoren“).
hochgestellten Indizierung versehen.
1000 Tage nach Polarisation:
Abgesehen von Np entsprechen die an-
87,1 nF (-4,5 %)
gegebenen Frequenzkonstanten der hal-
Dabei zeigt der hochgestellte Index an,
ben Schallausbreitungsgeschwindigkeit in
welche Größe konstant bleibt, und die
der Piezokeramik.
beiden tiefgestellten Indizes zeigen, in
Curietemperatur Tc
Temperatur, bei der die relative Dielek-
welcher Richtung die Größen elektrisches
trizitätszahl von ferroelektrischen Kerami-
Gütefaktor, mechanischer Qm
Feld, elektrische Verschiebung, mechani-
ken ihr Maximum erreicht.
Amplitudenüberhöhung eines oszillie-
sche Spannung und Dehnung miteinan-
verlieren
renden piezoelektrischen Bauteils in Reso-
der verknüpft sind.
spätestens bei dieser Temperatur ihren
nanz. Definiert als das Verhältnis der pro
während der Produktion aufgeprägten
Schwingungszyklus zugeführten Energie-
Hochgestellte Indizes:
Polarisationszustand. Aus diesem Grund
menge zu der pro Schwingungszyklus ver-
T:bei konstanter mechanischer Spannung
sollte die Betriebstemperatur maximal die
brauchten (vernichteten) Energiemenge.
S: bei konstanter Dehnung
Piezoelektrische
Keramiken
Hälfte der Curietemperatur betragen.
E: bei konstanter elektrischer Feldstärke
Der mechanische Gütefaktor kann wie
Dielektrizitätszahl, relative εr
folgt berechnet werden:
Verhältnis von (absoluter) Dielektrizitätszahl zur Dielektrizitätszahl im freien Raum
(εO= 8,85 x 10-12 F/m).
fp
D:bei konstanter dielektrischer Verschiebung
2
Qm =
2 · π · fs · Zs · C · (fp2 - fs2)
Tiefgestellte Indizes:
1, 2:senkrecht zur Polarisationsrichtung;
Der mechanische Gütefaktor ist somit
die Richtungen 1 und 2 stehen
Frequenzkonstante N
eine dimensionslose Messgröße für die
­senkrecht zueinander und sind gleich-
Produkt der mechanischen Resonanz-
mechanischen Verluste des Bauteils im dy-
berechtigt (isotropes Verhalten der
frequenz und derjenigen Abmessung, die
namischen Betrieb.
Keramik)
diese Frequenz bestimmt. Der Index bezieht sich auf die Schwingungsform.
fp:Parallelresonanzfrequenz
fs:Serienresonanzfrequenz
C:Kapazitität
Zs: Impedanz in Resonanz
31
3: in Polarisationsrichtung
Kopplungsfaktor, elektro-
F: Kraft (auferlegte)
Beispiel:
mechanischer k
Für den mechanisch unbelasteten Zustand
Piezoelektrische Ladungskonstante d33
Maß für die Effizienz der Energieum-
(T = 0) gilt:
(siehe auch Datenblatt). Die bei der Mes-
wandlung elektrisch zu mechanisch.
S=d·U
sung angelegte mechanische Spannung
besitzt Richtung 3 (Polarisationsrichtung);
Für Bauteile mit elektrischer „Vorspan-
S: Dehnung (erzeugte)
die erzeugte elektrische Verschiebung hat
nung“ gilt:
U: elektrische Spannung (angelegte)
ebenfalls Richtung 3.
k2 =
Kapazität C
Kapazität
eines
piezoelektrischen
Schwingers, weit unterhalb seiner nied-
gesamte gespeicherte Energie
Nachgiebigkeit, elastische s
Die elastische Nachgiebigkeit s besteht
Für Bauteile mit mechanischer „Vor­
in dem Verhältnis zwischen Dehnung S
spannung“gilt:
und mechanischer Spannung T und ent-
rigsten Eigenresonanzfrequenz gemessen;
üblicherweise bei 1 kHz.
gespeicherte mechanische Energie
k2 =
Sie kann bei gegebener Geometrie und
gespeicherte elektrische Energie
gesamte gespeicherte Energie
spricht dem Kehrwert des Elastizitätsmoduls (auch Youngscher Modul).
Material für ein definiertes Bauteil unter
Entsprechend den Randbedingungen
Spannungskonstante, piezo-
Verwendung der relativen Dielektrizitäts-
existieren fünf unterschiedliche Koppelfak-
elektrische g
zahl aus dem Datenblatt mit folgender
toren, die die Formfaktoren und Schwin-
Verhältnis von erzeugter elektrischer
Formel errechnet werden:
gungsform des Bauteils berücksichtigen.
Feldstärke zu beaufschlagter mechani-
Sind keine eindeutigen Randbedingungen
scher Spannung, ausgedrückt in Voltme-
(z.B. ein bestimmtes Durchmesser-zu-Di-
ter/Newton (direkter Piezoeffekt), oder:
C = εr · εO · (A/d)
T
cken-Verhältnis) gegeben, wird üblicherA:Elektrodenfläche
weise der effektive
Verhältnis von erzeugter Dehnung zu
d:Elektrodenabstand
Koppelfaktor als Bewertungsmaßstab he-
beaufschlagter
Ladungsdichte,
ausge-
rangezogen. Näherungsweise lässt sich
drückt in Quadratmeter/Coulomb (inver-
In guter Näherung kann man folgende
dieser durch die folgende vereinfachte
ser Piezoeffekt).
vereinfachte Formeln zur Berechnung des
Formel ausdrücken:
Kapazitätswertes in pF piezokeramischer
k2eff. =
Körper verwenden.
Runde Scheibe/Zylinder:
εr · d
2
C=
t ·144
[pF]
fp2 - fs2
fp2
Spannungskonstante und Ladungskonstante sind über die Kapazität des Bauteils
miteinander verknüpft. Es gilt:
d = εr · εo · g
fS : Serienresonanzfrequenz
fp:Parallelresonanzfrequenz
Ladungskonstante, piezoelektrische d
εr :relative Permitivität
εo: siehe Dielektrizitätszahl, relative
t: Dicke/Höhe in mm
Verhältnis von entstehender Ladung zu
d: Durchmesser in mm
beaufschlagter Kraft; ausgedrückt in Cou-
Im folgenden sind einige Beispiele dar-
lomb/Newton (direkter Piezoeffekt) oder:
gestellt, wie unter Verwendung der Span-
Rechteckige Platte:
C=
εr · I · w
t ·113
l: Länge in mm
[pF]
nungskonstanten die am Piezokeramikteil
Verhältnis von erzeugter Dehnung zu
entstehende Spannung berechnet werden
angelegter elektrischer Spannung, aus-
kann.
gedrückt in Meter/Volt (inverser Piezoef-
Druck p
fekt).
w: Breite in mm
t: Dicke in mm
®
Bei kurzgeschlossenem piezokerami-
SONOX
U
schem Element (E = 0) gilt:
h
Fläche A
Q=d·F
·pF
U = g33 · hKraft
Q: Ladung (erzeugte)
SONOX
U
®
h
Druck p
®
SONOX
Druck p
U
h
Fläche A
32
SONOX
®
U
h
Temperaturkoeffizient αk
Kraft FA
Fläche
Gibt die relative Änderung des elektromechanischen Koppelfaktors pro Kelvin
®
SONOX
Kraft F
U
h
Temperaturänderung an.
Fläche A
SONOX
Verlustfaktor, dielektrischer tan δ
®
U
h
U = g33
U
des Bauteils weit unterhalb seiner ersten
A
SONOX
Eigenresonanzfrequenz; üblicherweise ge-
®
h
Masse m
Masse M
Fläche A
SONOX
U
Verhältnis von Verlustleistung zu Blindleistung bei sinusförmiger Ansteuerung
FlächeF A
·h
· M
Masse
messen bei 1 kHz. Für Leistungswandleranwendungen sollten Piezokeramiken mit
®
h
Masse m
Fläche A
Beschleunigung a
entsprechend niedrigen Verlustfaktorwerten verwendet werden.
Kennwerte piezoelektrischer
Keramiken
Zur Charakterisierung piezoelektri-
Beschleunigung a
scher Werkstoffe werden bestimmte
U = g33 · h ·
=
d33
C
a (M + ½ · ζ · h · A)
Kenngrößen in der nebenstehenden
A
Datentafel angegeben. Diese Kenn-
· (M + m2 ) · a
größen werden an Normprüfkörpern
als Kleinsignalwerte nach EN 50324
ermittelt und zeigen Temperatur- und
M: Masse der aufgesetzen seismischen Masse
Zeitabhängigkeit. Aus diesem Grunde
ζ: Dichte der Piezokeramik
wird üblicherweise bei Temperaturen
h: Höhe der Piezokeramik
zwischen 20 °C und 25 °C sowie 24
A: Fläche der Piezokeramik
Stunden nach der Polarisation gemes-
m: Masse der Piezokeramik
sen. Die Eigenschaften können hiervon
bei anderen Abmessungen und Herstellungsverfahren abweichen.
Die polykristalline Natur von Piezokeramik, statistische Schwankungen der
Zusammensetzung und Einflüsse des
Produktionsprozesses bedingen, dass
die angegebenen Kenngrößen typische
Mittelwerte darstellen. Diese Kennwerte können daher nur Richtwerte für das
Design von piezokeramischen Anwendungen sein. Übliche Toleranzen sind
± 20 %.
Hinweis: Die Kennwerte der Werkstoffgruppen sind in den seperaten Datenblättern ersichtlich.
Piezo Terminology: A Glossary
33
Aging rate c
Round disk/cylinder:
The aging rate indicates the relative
change in a given property per unit time,
C=
over intervals expressed on a decimal exponent basis (“decades“).
Coupling factor, electromechanical k
Measures for the efficiency of the elec-
εr · d2
[pF]
t ·144
trical-to-mechanical energy conversion.
t: thickness / height in mm
For electrically “driven“ components, the
d: diameter in mm
following equation applies:
The following variables are used:
cε: capacitance aging rate
Rectangular plate:
cf: resonance frequency aging rate
ck: aging rate of the electromechanical
C=
coupling factor
εr · I · w
[pF]
t ·113
k2 =
total energy stored
For mechanically “driven“ components,
we may write
l: length in mm
Thus, if the capacitance aging rate of
w:width in mm
SONOX® P4 ceramics is given as -4.5 %
t: thickness in mm
k2 =
per decade, the aging curve is as for example:
stored mechanical energy
stored electrical energy
total energy stored
Depending on the boundary conditions,
Charge constant, piezoelectric d
there exist five different coupling factors
Denotes the ratio between charge ge-
reflecting the form factors and oscillation
1 day after polarization: 100 nF
nerated and the force applied, indicated
mode of the component. Where bounda-
10 days after polarization:
in Coulomb per Newton (direct piezo ef-
ry conditions like a specific diameter/thick-
95.5 nF (-4.5 %)
fect), or the ratio between the strain pro-
ness ratio are not granted, the effective
100 days after polarization:
duced and the electrical voltage applied,
coupling factor is normally used as a stan-
91.2 nF (-4.5 %)
indicated in meters per volt (inverse piezo
dard. It can be approximated by means of
1000 days after polarization:
effect).
the following simplified formula:
87.1 nF (-4.5 %)
For a short-circuited piezoceramic eleCapacitance C
ment (E = 0), the following equation ap-
Capacitance of a piezoelectric trans-
plies:
fp2 - fs2
fp2
fS :series resonance frequency
Q=d·F
ducer, measured at a frequency far
k2eff. =
fp: parallel resonance frequency
below its minimum resonance frequency
(usually 1 kHz).
Q: charge (generated)
Curie Temperature, Tc
By using the relative dielectric permitti-
F: force (applied)
This is the temperature at which the di­electric permittivity of ferroelectric ceramics
vity, this parameter can be computed from
the data sheet for a defined component
For a mechanical no-load condition
will reach its maximum.
geometry and material by means of the
(T=0), the following equation can be ex-
At this temperature, a piezoelectric ce-
following formula:
pressed:
ramic will lose its polarized state. For this
S=d·U
C = εr · εO · (A/d)
S: strain (generated)
A: electrode area
reason, operating temperatures normally
should not exceed half the Curie tempe-
T
rature.
U: electrical voltage (applied)
Dielectric permittivity, relative εr
d: electrode spacing
Compliance, elastic s
Denotes the ratio between the absolute
A good approximation of the capaci-
The elastic compliance s reflects the ra-
dielectric constant and the permittivity of
tance (in pF) of a piezoceramic body can
tio between the strain S and the mechani-
free space (εO= 8.85 x 10-12 F/m).
be achieved by means of the following
cal stress T and is equal to the inverse of
simplified equations:
the modulus of elasticity (Young‘s modulus).
34
Dissipation factor, dielectric tan δ
direction. Mechanical and electrical influ-
Denotes the ratio between power loss
ences acting in any of these directions are
and reactive power when the component
identified with the corresponding index.
is excited with a sine-wave signal at a fre-
Since piezoelectric components are alrea-
quency far below its lowest resonant fre-
dy polarized in a given direction (i.e., 3)
fs: series resonance frequency
quency (usually measured at 1 kHz). For
and will therefore show an anisotropic be-
C:capacitance
power conversion applications it is recom-
havior, the coefficients given in the mate-
Zs: impedance at resonance
mended to use piezoceramics with suitab-
rial property data charts are direction-rela-
ly low dissipation factor.
ted and will often comprise two subscripts
Thus, the mechanical quality factor is a
(plus, occasionally, one superscript).
dimensionless measure for a component‘s
Frequency constant N
The superscript indicates the variab-
mechanical losses in dynamic driving
Product of the mechanical resonance fre-
le that remains constant, while the two
mode.
quency and the dimension determining
subscripts identify the direction in which
that frequency. The index indicates the
the different variables (electric field, elec-
Temperature coefficient αk
oscillation form.
tric displacement, mechanical stress and
Indicates the relative change of the elec-
strain) are linked.
tromechanical coupling factor per Kelvin
Np:Frequency constant for the planar
oscillation of a circular disk
Nt:Frequency constant for the thickness-mode oscillation of a thin plate
N1:Frequency constant for the longitudinal or transverse oscillation of a
tudinal oscillation of a slender rod
or cylinder polarized in that direction
Since geometrically induced coupledmode vibrations may occur in all of the
above oscillation forms, the geometrical
fp2
2 · π · fs · Zs · C · (fp2 - fs2)
fp: parallel resonance frequency
of temperature change.
Superscripts
T: at constant mechanical stress
Voltage constant, piezoelectric g
S: at constant strain
Denotes the ratio between the electric
E: at constant electrical field strength
field strength produced and the mecha-
D: at constant dielectric displacement
nical stress applied, indicated in voltme-
thin rectangular plate
N3:Frequency constant for the longi-
Qm =
ters/Newton (direct piezo effect), or the
Subscripts
ratio between the strain produced and
1,2:perpendicular to the direction of
the charge density applied, indicated in
polarization – directions 1 and 2
square meters per Coulomb (inverse piezo
are orthogonal to each other and
effect).
equivalent (isotropic behavior of
ceramics)
3: in the direction of polarization
configuration of the specific oscillating
The voltage constant and charge constant are interrelated via the capacitance
of the component. This relationship is ex-
body must be taken into account when
Example:
using the frequency constant for calcula-
A piezoelectric charge constant d33 (re-
ting resonance frequencies (refer also to
fer also to the data sheet) indicates that
the section “Basic Oscillation Modes of
the mechanical stress applied during the
Piezoelectric Resonators“).
measurement acts in direction 3 (pola-
Apart from Np, the frequency constants
rization direction), whereas the electric
indicated equal one-half the sound propa-
displacement produced will also occur in
The following examples illustrate how
gation velocity in the piezoceramic mate-
direction 3.
the voltage across the piezoelectric com-
pressed by the following formula:
d = εr · εo · g
εr :relative permittivity
εo: permittivity of free space
ponent can be calculated by means of the
rial.
Quality factor, mechanical Qm
Indices
Amplitude magnification of an oscil-
In piezoelectric materials, the direction
lating piezoelectric component at reso-
of positive polarization is usually made to
nance. Defined as the ratio of energy in-
coincide with the z-axis of a rectangular
put per oscillation cycle over the amount
system of crystallographic axes. These co-
of energy consumed (i.e., dissipated) per
ordinates are normally designated 1, 2, 3,
oscillation cycle. The mechanical quality
with direction 3 indicating the polarization
factor can be computed as follows:
voltage constant.
35
Pressure p
Characteristics of piezoelectric
­ceramics
®
SONOX p
Pressure
U
Piezoelectric materials are characte-
h
rized by specific parameters, some of
Area A
®
SONOX
U
U = g33
Pressure p
Area
· hForce
· p AF
SONOX
U
which are summarized in the adjacent
U
Force F®
SONOX
Area A
U
Area A
®
SONOX
Force F
table. The values of these parameters
h
are determined on standardized specimens in the form of small-signal mea-
®
h
exhibit a dependence on temperature
h
and time.
For this reason, measurements are
h
usually taken at temperatures between
Area A
Mass
M
SONOX
U
U
20 °C and 25 °C 24 hours after polarization. Properties can deviate in using
®
h
®
U = g33
U
SONOX
Fm A
Area
Mass
· hMass
· M
AreaA
A
®
SONOX
different dimensions and production
technologies. With other dimensions
h
and production methods properties
can be different.
h
Mass m
Due to the polycrystalline nature of
Area
AM
Mass
piezoceramics, but also as a result of
Acceleration ®a
SONOX
U
surements according to EN 50324 and
statistical variations in their composih
Mass m
Area A a
Acceleration
tion and productionrelated influences,
the data stated should be viewed as typical values only. They are intended as
a guide for the design of piezoceramic
applications. The standard tolerance
Acceleration a
range is ± 20 %.
U = g33 · h ·
=
d33
C
a (M + ½ · ζ · h · A)
A
· (M + ) · a
m
2
M: Mass of the attached seismic mass
ζ: Density of the piezoceramic material
h: Height of piezoceramic component
A: Area of piezoceramic component
m: Mass of the piezoceramic component
Note: The characteristic values of the
material groups are provided in detail
in separate data sheets.
Literaturliste – Piezokeramik, Grundlagen,
­Anwendungen (nach Autoren sortiert)
Bibliography – Piezoceramics, Fundamentals,
­Applications (sorted by author)
36
Piezokeramik, Grundlagen, Anwen-
„Monte Verita“: Ferroelectric Ceramics,
dungen; nach Autoren sortiert
Birkhäuser Verlag, Basel, Boston, Berlin,
1993
Bauer und Mitautoren: Technologie und
Anwendung von Ferroelektrika, Akade-
Ruschmeyer, Karl und Mitautoren:
mische Verlagsgesellschaft Geest & Portig
Piezokeramik, Expert Verlag, Renningen-
K.-G., Leipzig, 1976
Malmsheim, 1995
Cady, W. C.: Piezoelectricity, McGraw-Hill
Setter, N., Colla, E. L. (ed.): Ferroelectric
Book Co. Inc., New York, London, 1946
Ceramics, Basel, Boston, Berlin, 1993
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Setter, N., (ed.): Piezoelectric materials
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Tichy, J., Gautschi, G.: Piezoelektrische
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ramics, Academic Press, London, 1971
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Dielectric Devices, John Wiley and Sons,
New York, 1959
Wilson, O. B.: Introduction to Theory and
Design of Sonar Transducers, Los Altos
Martin: Die Ferroelektrika, Akademische
(CF), 1988
Verlagsgesellschaft Geest & Portig K.-G.,
Leipzig, 1976
Xu, Yuhuan: Ferroelectric Materials and
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Mason, W. P.: Electromechanical Trans-
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ducers and Wave Filters, D. Van Nostrand,
Princeton, 1948
Zelenka, J.: Piezoelectric Resonators and
their Applications, Amsterdam, Oxford,
Mason, W. P.: Physical Acoustics, voll, Part
A, Academic Press, New York, 1964
Mason, W. P.: Crystal Physics of Interaction Processes, Academic Press, New York,
1966
Mattiat, O. E.: Ultrasonic Transducers,
New York, London, 1971
Millner, Cobet: Ultraschalltechnik, Grundlagen und Anwendungen, Physik Verlag,
Weinheim, 1987
New York, Tokyo, 1986
Notizen
Notes
37
Notizen
Notes
38
Immer aktiv: Keramik in der Piezotechnik
A powerful presence – ceramics in piezo
applications
Notizen
Notes
2
Piezokeramiken dienen der Umwand-
tromechanischer Wandler als Antriebe für
lung von mechanischen Größen, wie
hydraulische und pneumatische Ventile,
Druck und Beschleunigung in elektri-
Positioniersysteme,
sche Größen, oder umgekehrt von elek-
und Dosiersysteme für Flüssigkeiten und
trischen Signalen in mechanische Bewe-
Gase.
Piezoelektrische Sensoren
Piezoceramic sensors
Mikromanipulatoren
•
Leistungsultraschallgeber
High-power ultrasonic
gung oder Schwingungen.
Bei dieser großen Vielfalt der Anwen-
transducers
kommen
dungsmöglichkeiten ist es sinnvoll, schon
•
für unterschiedlichste elektromechanische
in der Entwicklungsphase neuer Syste-
Aktoren
Wandler in einem weiten Frequenzbereich
me und Verfahren mit den Experten der
Actuators
zum Einsatz. Sie ermöglichen in Sensoren
CeramTec in Kontakt zu treten. Als An-
die Umwandlung von Kräften, Drücken
sprechpartner stehen erfahrene Mitarbei-
und Beschleunigungen in elektrische Sig-
ter zur Verfügung. Im Dialog werden Ein-
nale und bei Schall- und Ultraschallgebern
satzbedingungen, Anforderungskriterien
die Umwandlung von elektrischen Span-
sowie konstruktive Bedingungen heraus-
nungen in Schwingungen oder Deforma-
gearbeitet und wirtschaftliche Problem-
tionen.
lösungen angeboten. Moderne Herstel-
Piezokeramische
Bauteile
lungsverfahren ermöglichen die Fertigung
In der Automobiltechnik sorgen Senso-
piezokeramischer Bauteile mit höchster
ren für die Sicherheit der Insassen und für
Qualität und in großen Stückzahlen. Ein
eine intelligente Motorsteuerung.
unternehmensweites
Qualitätsmanage-
ment sorgt dafür, dass die angebotenen
Eine seit vielen Jahren bekannte An-
Produkte die Erwartungen der Kunden
wendung der Piezokeramik, die Zündung
voll erfüllen.
von Gasen, kommt als Massenprodukt für
Gasheizungen und Gasanzünder zum Einsatz.
In der Ultraschalltechnik werden mit
piezokeramischen
Bauteilen
Berechnung des Ölstandes
über die Laufzeit des Signals
Oil level calculated using the
signal time
einerseits
Ölstand Oil level
An der Oberfläche
reflektierte Welle
Wave reflected
on the surface
Senden Send
Empfangen
Receive
Piezokeramik:
sendet und empfängt
Piezoceramic:
sends and receives
hohe Ultraschallintensitäten erzeugt, die
zum Reinigen und zum Bohren mit Ultraschall, in der Ultraschall-Schweißtechnik
oder auch zur Stimulierung von chemischen Prozessen genutzt werden. Andererseits finden piezokeramische Bauteile
als Sender und Empfänger von Ultraschall
in vielen Bereichen der Signal- und Informations-Verarbeitung Verwendung. Piezokeramische Bauteile ermöglichen Ultraschallortung in der Sonartechnik, Abstandsmessung, zerstörungsfreie Materialprüfung und medizinische Diagnostik.
Die Funktion piezokeramischer Aktoren beruht auf der Tatsache, dass Deforwerden können. Dieses Verhalten eröffnet
Elektronischer Ölstandsensor mit Piezokeramik
neue Anwendungsmöglichkeiten elek-
Electronic oil level sensor with piezoceramics
hcirüZ pyT
mm 0 ehöhllüF
neßua thcisnatmaseG
57
mationen im Mikrometerbereich erzeugt
Hochleistungskeramik
in der Piezotechnik
CeramTec GmbH
Multifunctional Ceramics Division
Luitpoldstraße 15
91207 Lauf, Germany
Phone: +49 9123 77-300
Fax: +49 9123 77-515
[email protected]
T
H
E
C
E
R
A
M
I
C
E
X
P
E
R
T
S
www.ceramtec.com
MF080007• DE/EN • 1.000 • 1511 • atio (3658) • Printed in Germany
Advanced Ceramics
in Piezo Applications
T
H
E
C
E
R
75
Typ Zürich
Füllhöhe 0 mm
Gesamtansicht außen
A
M
I
C
E
X
P
E
R
T
S