Piezoelektrizität
Der Effekt der Piezoelektrizität (auch piezoelektrische Polarisation) beschreibt das Zusammenspiel von mechanischem Druck und elektrischer Spannung in Festkörpern. Der Piezo-Effekt kann nur in bestimmten Materialen auftreten, die Isolatoren sind, nicht in Metallen. Alle ferroelektrischen Materialien sind auch piezoelektrisch, beispielsweise Bariumtitanat, Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Jedoch verhält sich nur ein Teil der Piezoelektrika ferroelektrisch.
Ein weiteres Kriterium für das Auftreten der Piezoelektrizität ist die Kristallsymmetrie. Die Piezoelektrische Polarisation tritt nur in unsymmetrischen Gittern auf und ist richtungsabhängig. Ein piezoelektrischer Kristall muss eine polare Achse besitzen. Eine kristallographische Achse ist polar, wenn keine symmetrie-äquivalente Achse in umgekehrter Richtung vorhanden ist. Damit ist ausgeschlossen, dass ein piezoelektrischer Kristall ein Inversionszentrum besitzt. Bei allen 21 nicht-zentrosymmetrischen Punktgruppen kann Piezoelektrizität auftreten, mit Ausnahme der kubischen Punktgruppe 432.
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Geschichte
Der erste Piezometer wurde ~1820 von Hans Christian Ørsted konstruiert.
Prinzip
Durch die gerichtete Verformung einer Materialprobe bilden sich mikroskopische Dipole innerhalb der Elementarzellen. Die Aufsummierung über alle Elementarzellen des Kristalls führt zu einer makroskopisch messbaren elektrischen Spannung. Gerichtete Verformung bedeutet, dass der angelegte Druck nicht von allen Seiten auf die Probe wirkt, sondern beispielsweise nur von gegenüberliegenden Seiten aus.
Umgekehrt kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung der Kristall (bzw. das Bauteil aus Piezo-Keramik) verformt werden.
Da beide Effekte gemeinsam in einem Kristall auftreten, entstehen Schwingungen bei einmaliger äußerer Anregung. Deren Frequenz ist nur von der Schallgeschwindigkeit (eine Materialkonstante) und der Dicke des Kristalls abhängig. Dadurch sind Piezokristalle auch für Oszillatoren geeignet (siehe Anwendungen).
Berechnung
Die Polarisation Ppi:
- Ppi = d*σM ,
wobei d den piezoelektrischen Koeffizienten und σM die mechanische Spannung in Kraft pro Fläche angibt.
Die piezoelektrischen Koeffizienten:
- piezoelektrische Verzerrungskoeffizienten (Reaktion der Verzerrung auf das elektrische Feld)
- piezoelektrische Spannungskoeffizienten (Reaktion der mechanischen Spannung auf das elektrische Feld)
.
Die beiden Koeffizienten hängen über die elastischen Konstanten zusammen:
| eij,k = | ∑ | Cijlmdlm,k |
| lm |
Effekte zweiter Ordnung werden durch die elektrostriktiven Koeffizienten beschrieben.
Materialien
Für den Piezo-Effekt notwendig ist ein permanentes elektrisches Dipolmoment, das bei einer polaren Achse in einem Kristall auftritt. Polare Achsen besitzen keine Spiegelsymmetrie.
Das bekannteste Material mit Piezoeigenschaften ist Quarz (SiO2). Quarzkristalle besitzen die nicht-zentrosymmetrische, kubische Punktgruppe 32. Jedes Si-Atom sitzt in der Mitte eines Tetraeders aus vier Sauerstoff-Atomen. Eine in Richtung Grundfläche-Spitze (Kristallografische Richtung: [111]) wirkende Kraft verformt nun diese Tetraeder derart, dass die zusammengedrückten Tetraeder elektrisch polarisiert sind und auf den Oberflächen des Kristalls (in [111]-Richtung) eine Netto-Spannung auftritt.
Technisch genutzte Materialien, die einen stärkeren Piezo-Effekt als Quarz zeigen, leiten sich oft von der Perowskit-Stuktur ab, z.B. Bariumtitanat (BaTiO3). Die kubische Perowskit-Modifikation selbst besitzt die zentrosymmetrische Punktgruppe m3m und ist somit nicht piezoelektrisch, das Material kann aber unterhalb einer kritischen Temperatur (Piezoelektrische Curietemperatur TC) in eine nicht-zentrosymmetrische Perowskit-Struktur übergehen.
Es gibt auch piezoelektrische Keramiken, sog. PZT-Keramiken (Blei-Zirconat-Titanat (Pb(Zrx,Ti1-x)O3), die nur polykristallin vorkommen und vor der Verwendung polarisiert werden müssen.
Beispiele für Materialien mit ausgeprägtem piezoelektrischem Effekt sind z. B. Quarz, Turmalin und alle Ferroelektrika wie Bariumtitanat (BTO) oder Blei-Zirkonium-Titanat (PZT).
Anwendungen
Generell lassen sich die Anwendungen in zwei Bereiche aufteilen:
- Sensorik: Das Auftreten der Piezo-Spannung bei mechanischer Verformung lässt sich für Druck-Sensoren ausnutzen, bei denen eine mechanische Kraft die Verformung bewirkt, die dabei auftretende Spannung kann einfach elektrisch gemessen werden.
- In Feuerzeugen mit Piezo-Zünder ist die durch den plötzlichen Druck auftretende elektrische Spannung so hoch, dass sie sich durch einen Funkenschlag entlädt, der zum Zünden der Gasflamme dient.
- Aktorik: Die Verformung beim Anlegen einer Spannung kann für Aktoren benutzt werden: Piezo-Positionierer erlauben durch die Verformung eines oder mehrerer Piezo-Elemente präzise Bewegungen, Piezo-Lautsprecher erzeugen durch eine in der passenden Frequenz angelegte Spannung Schallwellen, bei Tintenstrahldruckern kann durch die hochfrequente Schwingung eines Piezo-Elementes die Tinte zerstäubt werden.
Da der Piezoeffekt immer auf bestimmte Richtungen des Materials festgelegt ist, müssen für zwei- oder dreidimensionale Bewegungen mehrere Piezo-Elemente so kombiniert werden, dass sie in verschiedene Richtungen wirken.
Der Effekt findet Verwendung in:
- Piezofeuerzeugen zur Erzeugung des Zündfunkens,
- Schallköpfen von Ultraschallgeräten, zur Erzeugung mechanischer Schwingungen
- Beschleunigungssensoren,
- Tonabnehmer,
- Einspritzdüsen von Pkw (Serienstart 2001)
- Druckköpfen von Tintenstrahldruckern
- Ultraschallmotoren für z.B. die Objektivautofokussierung oder Uhren
- Sensoren von Meßgeräten zur Verkehrsüberwachung, den sogenannten Starenkasten.
- Die Schwingungsfähigkeit von piezoelektrischen Kristallen wird in Oszillatoren, Resonatoren, SAW-Filtern (siehe akustische Oberflächenwelle), Verzögerungsleitungen (siehe PAL) u.v.a. mehr angewendet.
Weblinks
Siehe auch: Ferroelektrizität, Pyroelektrizität, piezoresistiver Effekt.