Piezoelektrizität (Piezoelectricity)

Piezoelektrizität ( , USA: ) ist die elektrische Ladung, die sich in bestimmten festen Materialien ansammelt – wie zum Beispiel Kristallen, bestimmten Keramiken und biologischen Stoffen wie …

Piezoelektrizität (, US: ) bezieht sich auf die elektrische Ladung, die in bestimmten festen Materialien, einschließlich verschiedener Kristalle, bestimmter Keramiken und biologischer Substanzen wie Knochen, DNA und Proteinen, erzeugt wird, wenn sie mechanischer Belastung ausgesetzt werden.

Dieses Phänomen entsteht durch eine lineare elektromechanische Wechselwirkung zwischen den mechanischen und elektrischen Zuständen in kristallinen Materialien ohne Inversionssymmetrie. Der piezoelektrische Effekt ist von Natur aus reversibel: Materialien, die diesen Effekt zeigen, weisen auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt auf, bei dem ein angelegtes elektrisches Feld eine interne mechanische Spannung induziert. Beispielsweise erzeugen Bleizirkonat-Titanat-Kristalle messbare Piezoelektrizität, wenn ihre statische Struktur um etwa 0,1 % ihrer ursprünglichen Abmessung verformt wird. Umgekehrt erfahren dieselben Kristalle eine Dimensionsänderung von etwa 0,1 %, wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird. Der inverse piezoelektrische Effekt wird bei der Erzeugung von Ultraschallwellen genutzt.

Die französischen Physiker Jacques und Pierre Curie identifizierten die Piezoelektrizität erstmals im Jahr 1880. Der piezoelektrische Effekt wurde seitdem in zahlreichen praktischen Anwendungen genutzt, darunter zur Erzeugung und Erkennung von Schall, piezoelektrischem Tintenstrahldruck, Hochspannungsstromerzeugung, Takterzeugung in elektronischen Geräten, Mikrowaagen, Ultraschalldüsenbetätigung und ultrafeiner Fokussierung in optischen Baugruppen. Es unterstützt Rastersondenmikroskope und ermöglicht die Bildgebung im atomaren Maßstab. Darüber hinaus wird es in den Tonabnehmern bestimmter elektronisch verstärkter Gitarren und als Trigger in den meisten modernen elektronischen Trommeln eingesetzt. Zu den alltäglichen Anwendungen des piezoelektrischen Effekts gehört die Erzeugung von Funken zum Zünden von Gaskoch- und Heizgeräten, Taschenlampen und Feuerzeugen.

Etymologie

Der Begriff Piezoelektrizität bezeichnet Elektrizität, die durch Druck erzeugt wird. Seine Etymologie geht zurück auf das Altgriechische πιέζω (piézō) 'drücken oder drücken' und ἤλεκτρον (ḗlektron) 'Bernstein', eine alte Quelle statischer Elektrizität. Das deutsche Äquivalent (Piezoelektrizität) wurde 1881 vom deutschen Physiker Wilhelm Gottlieb Hankel geprägt, wobei der englische Begriff 1883 vom Deutschen abgeleitet wurde.

Verlauf

Entdeckung und frühe Forschung

Der pyroelektrische Effekt, der dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Material als Reaktion auf Temperaturschwankungen ein elektrisches Potenzial erzeugt, wurde Mitte des 18. Jahrhunderts von Carl Linnaeus und Franz Aepinus untersucht. Aufbauend auf diesem Wissen stellten sowohl René Just Haüy als auch Antoine César Becquerel die Hypothese auf, dass ein Zusammenhang zwischen mechanischer Belastung und elektrischer Ladung besteht; Ihre experimentellen Ergebnisse blieben jedoch nicht schlüssig.

Der direkte piezoelektrische Effekt wurde erstmals 1880 von den Brüdern Pierre und Jacques Curie schlüssig nachgewiesen. Sie kombinierten ihr Verständnis der Pyroelektrizität mit ihrem Wissen über die zugrunde liegenden Kristallstrukturen, die dafür verantwortlich sind, um das Kristallverhalten vorherzusagen. Bei ihrer Demonstration wurden Kristalle aus Turmalin, Quarz, Topas, Rohrzucker und Rochelle-Salz (Natriumkaliumtartrat-Tetrahydrat) verwendet, wobei Quarz und Rochelle-Salz die ausgeprägteste Piezoelektrizität aufwiesen.

Die Curies haben den umgekehrten piezoelektrischen Effekt jedoch zunächst nicht vorhergesagt. Dieses inverse Phänomen wurde 1881 von Gabriel Lippmann mathematisch aus grundlegenden thermodynamischen Prinzipien abgeleitet. Die Curies bestätigten umgehend die Existenz des umgekehrten Effekts und lieferten anschließend quantitative Beweise für die vollständige Reversibilität elektroelastomechanischer Verformungen in piezoelektrischen Kristallen.

In den darauffolgenden Jahrzehnten blieb die Piezoelektrizität größtenteils eine wissenschaftliche Kuriosität, obwohl sie 1898 maßgeblich zur Entdeckung von Polonium und Radium durch Pierre und Marie Curie beitrug. Weitere Forschungen konzentrierten sich auf die Erforschung und Definition der Kristallstrukturen, die Piezoelektrizität aufwiesen. Dies gipfelte im Jahr 1910 mit der Veröffentlichung von Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik, in dem die 20 natürlichen Kristallklassen, die zur Piezoelektrizität fähig sind, aufgezählt und die piezoelektrischen Konstanten mithilfe der Tensoranalyse genau definiert wurden.

Erster Weltkrieg und Zwischenkriegsjahre

Die erste praktische Anwendung piezoelektrischer Geräte erfolgte während des Ersten Weltkriegs mit der Entwicklung der Sonartechnologie. Ihre überlegene Leistung bei Ultraschallfrequenzen machte den Fessenden-Oszillator schnell überflüssig. Im Jahr 1917 entwickelten Paul Langevin und seine Mitarbeiter in Frankreich ein Ultraschall-U-Boot-Erkennungssystem. Dieses System bestand aus einem Wandler, der aus dünnen Quarzkristallen bestand, die sorgfältig zwischen zwei Stahlplatten befestigt waren, und einem Hydrophon, das das zurückkehrende Echo auffangen sollte. Das Prinzip besteht darin, einen Hochfrequenzimpuls vom Wandler auszusenden und anschließend die Zeit zu messen, die die Schallwellen benötigen, um von einem Objekt reflektiert zu werden und als Echo zurückzukehren, und so eine Entfernungsberechnung zu ermöglichen.

Piezoelektrische Geräte durchdrangen daraufhin zahlreiche Sektoren. Beispielsweise optimierten keramische Tonabnehmersysteme das Player-Design und boten Kosteneffizienz und Präzision, was die Herstellungskomplexität und die Wartungskosten für Plattenspieler reduzierte. Darüber hinaus ermöglichte die Einführung von Ultraschallwandlern präzise Messungen der Viskosität und Elastizität sowohl von Flüssigkeiten als auch von Feststoffen, was die Materialwissenschaft erheblich voranbrachte. Ultraschall-Zeitbereichsreflektometer, die einen Ultraschallimpuls durch ein Material senden und Reflexionen von internen Diskontinuitäten analysieren, ermöglichten die Erkennung von Fehlern in gegossenen Metall- und Steinobjekten und verbesserten so die strukturelle Integrität.

Entwicklungen im Zweiten Weltkrieg und in der Nachkriegszeit

Während des Zweiten Weltkriegs führten unabhängige Forschungsinitiativen in den Vereinigten Staaten, der UdSSR und Japan zur Entdeckung von Ferroelektrika, einer neuartigen Klasse synthetischer Materialien, deren piezoelektrische Konstanten deutlich über denen natürlicher Gegenstücke liegen. Dieser Durchbruch löste eine intensive Forschung zur Entwicklung von Bariumtitanat- und anschließend Bleizirkonat-Titanat-Materialien aus, die mit spezifischen Eigenschaften für verschiedene Anwendungen maßgeschneidert wurden.

Eine bemerkenswerte Anwendung piezoelektrischer Kristalle ergab sich aus der Arbeit bei Bell Telephone Laboratories. Nach dem Ersten Weltkrieg entwickelte Frederick R. Lack, ein auf Funktelefonie spezialisierter Ingenieur, den „AT-Cut“-Kristall, der sich durch seinen stabilen Betrieb über ein breites Temperaturspektrum auszeichnete. Diese Innovation machte die umständliche Zusatzausrüstung früherer Kristalle überflüssig und ermöglichte so die Integration in Flugzeugsysteme. Folglich erleichterte dieser Fortschritt koordinierte Massenangriffe alliierter Luftstreitkräfte durch eine verbesserte Flugfunkkommunikation.

In den Vereinigten Staaten war die Entwicklung piezoelektrischer Geräte und Materialien weitgehend auf einzelne Unternehmen beschränkt, was hauptsächlich auf die Kriegsursprünge des Fachgebiets und die strategische Verfolgung lukrativer Patente zurückzuführen war. Während Quarzkristalle das erste kommerziell genutzte piezoelektrische Material darstellten, konzentrierte sich die laufende Forschung auf die Identifizierung und Entwicklung leistungsstärkerer Alternativen. Ungeachtet der Fortschritte in der Materialwissenschaft und den Herstellungsprozessen blieb das Wachstum des US-amerikanischen Marktes hinter dem Japans zurück. Das begrenzte Aufkommen neuartiger Anwendungen behinderte folglich die Expansion der piezoelektrischen Industrie in den USA.

Im Gegensatz dazu förderten japanische Hersteller den kollaborativen Informationsaustausch, der eine schnelle Lösung technischer und fertigungstechnischer Hürden ermöglichte und die Schaffung neuer Märkte anregte. Insbesondere Issac Koga in Japan war der Pionier eines temperaturstabilen Kristallschliffs. Japanische Initiativen zur Materialwissenschaft führten zu piezokeramischen Materialien, die mit US-amerikanischen Pendants konkurrenzfähig waren, jedoch nicht durch kostspielige Patentbeschränkungen beeinträchtigt wurden. Zu den bedeutenden japanischen piezoelektrischen Innovationen gehörten neuartige Designs für piezokeramische Filter in Radios und Fernsehgeräten, Piezo-Summer und Audiowandler, die sich direkt in elektronische Schaltkreise integrieren lassen, sowie der piezoelektrische Zünder, der durch die Kompression einer Keramikscheibe Funken für kleine Motorzündsysteme und Gasgrillanzünder erzeugt. Obwohl es schon früher Ultraschallwandler gab, die Schallwellen durch die Luft übertragen konnten, fand ihre erste weitverbreitete kommerzielle Anwendung in frühen Fernsehfernbedienungen statt. Derzeit sind diese Wandler in verschiedene Automobilmodelle integriert und dienen als Echoortungsgeräte, um Fahrer bei der Einschätzung der Entfernung zu Hindernissen zu unterstützen.

Wirkungsmechanismus

Die grundlegende Natur des piezoelektrischen Effekts ist untrennbar mit dem Vorhandensein elektrischer Dipolmomente in festen Materialien verbunden. Diese Dipole können entweder in Ionen induziert werden, die sich an Kristallgitterplätzen mit asymmetrischen Ladungsumgebungen befinden, wie in Materialien wie BaTiO₃ und PZTs beobachtet, oder sie können inhärent von Molekülgruppen getragen werden, wie am Beispiel von Rohrzucker. Die Dipoldichte, auch Polarisation genannt (mit einer Dimensionalität von [C·m/m³]), kann für Kristalle leicht berechnet werden, indem die Dipolmomente pro Volumeneinheit der kristallographischen Elementarzelle summiert werden. Da jeder Dipol ein Vektor ist, bildet die Dipoldichte P ein Vektorfeld. Benachbarte Dipole neigen dazu, sich innerhalb lokalisierter Regionen auszurichten, die als Weiss-Domänen bekannt sind. Diese Domänen sind typischerweise zufällig ausgerichtet, können aber durch einen Prozess namens Polierung (der sich von der magnetischen Polung unterscheidet) ausgerichtet werden, bei dem ein starkes elektrisches Feld über das Material angelegt wird, normalerweise bei erhöhten Temperaturen. Allerdings können nicht alle piezoelektrischen Materialien gepolt werden.

Ein entscheidender Aspekt des piezoelektrischen Effekts ist die Änderung der Polarisation P, die auftritt, wenn mechanische Belastung ausgeübt wird. Diese Veränderung kann entweder aus einer Neukonfiguration der Dipol-induzierenden Umgebung oder einer Neuausrichtung molekularer Dipolmomente unter dem Einfluss äußerer Spannungen resultieren. Piezoelektrizität kann sich somit als Variation in der Größe der Polarisation, ihrer Richtung oder beiden manifestieren, wobei die spezifischen Details von Folgendem abhängen: 1. der Ausrichtung von P innerhalb des Kristalls; 2. die dem Kristall innewohnende Symmetrie; und 3. die Eigenschaften der angewandten mechanischen Belastung. Die Modifikation von P wird als Schwankung der Oberflächenladungsdichte auf den Kristallflächen beobachtet, was wiederum zu einer Variation des elektrischen Feldes zwischen diesen Flächen führt, verursacht durch eine Änderung der Massendipoldichte. Beispielsweise kann ein 1 cm² großer Quarzwürfel, wenn er einer korrekt angewendeten Kraft von 2 kN (ca. 500 lbf) ausgesetzt wird, eine Spannung von 12.500 V erzeugen.

Umgekehrt weisen piezoelektrische Materialien auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt auf, ein Phänomen, bei dem die Anwendung eines externen elektrischen Feldes eine mechanische Verformung innerhalb der Kristallstruktur hervorruft.

Mathematische Beschreibung

Lineare Piezoelektrizität stellt das synergistische Ergebnis dar:

Die lineare elektrische Reaktion des Materials:

\mathbf {D} ={\boldsymbol {\varepsilon }}\,\mathbf {E} \quad \implies

\quad D_{i}=\sum _{j}\varepsilon _{ij}\,E_{j}\;

In diesem Zusammenhang bezeichnet D die elektrische Flussdichte, auch elektrische Verschiebung genannt; ε stellt die Permittivität oder die Dielektrizitätskonstante des freien Körpers dar; und E bezeichnet die elektrische Feldstärke. Darüber hinaus gelten die folgenden Bedingungen:

\nabla \cdot \mathbf {D} =0

25§ {\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {D} =0} und

\nabla \times \mathbf {E} =\mathbf {0}

54§ {\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =\mathbf {0} .

Das auf lineare elastische Materialien anwendbare Hookesche Gesetz besagt:

{\boldsymbol {S}}={\mathsf {s}}\,{\boldsymbol {T}}\quad \implies \quad S_{ij}=\sum _{k,\ell }s_{ijk\ell }\,T_{k\ell }\;

Hier bezeichnet S die linearisierte Dehnung, s die Nachgiebigkeit unter Kurzschlussbedingungen und T die Spannung, wie definiert durch:

\nabla \cdot {\boldsymbol {T}}=\mathbf {0} \,\,,\,{\boldsymbol {S}}={\frac {\nabla \mathbf {u} +\mathbf {u} \nabla }{2}},

28§ , S = ∇ u + u ∇ §6465§ , {\displaystyle \nabla \cdot {\boldsymbol {T}}=\mathbf {0} \,\,,\,{\boldsymbol {S}}={\frac {\nabla \mathbf {u} +\mathbf {u} \nabla }{2}},

In diesem Zusammenhang stellt u den Verschiebungsvektor dar.

Diese Elemente können integriert werden, um gekoppelte Gleichungen zu bilden, wobei die Dehnungs-Ladungs-Form konkret wie folgt dargestellt wird:

{\begin{aligned}{\boldsymbol {S}}&={\mathsf {s}}\,{\boldsymbol {T}}+{\mathfrak {d}}^{t}\,\mathbf {E} \ &&\implies \quad S_{ij}=\sum _{k,\ell }s_{ijk\ell }\,T_{k\ell }+\sum _{k}d_{ijk}^{t}\,E_{k},\\[6pt]\mathbf {D} &={\mathfrak {d}}\,{\boldsymbol {T}}+{\boldsymbol {\varepsilon }}\,\mathbf {E} &&\implies \quad D_{i}=\sum _{j,k}d_{ijk}\,T_{jk}+\sum _{j}\varepsilon _{ij}\,E_{j},\end{aligned}}

The entity ${\mathfrak {d}}$ represents the piezoelectric tensor, where the superscript 't' signifies its transpose.Angesichts der inhärenten Symmetrie des piezoelektrischen Tensors ${\mathfrak {d}}$ gelten die folgenden Beziehungen: $d_{ijk}^{t}=d_{kji}=d_{kij}$ .

Ausgedrückt in Matrixnotation lauten die Beziehungen wie folgt:

{\begin{aligned}\{S\}&=\left[s^{E}\right]\{T\}+[d^{\mathrm {t} }]\{E\},\\[6pt]\{D\}&=[d]\{T\}+\left[\varepsilon ^{T}\right]\{E\},\end{aligned}}

In diesen Ausdrücken bezeichnet [d] die Matrix, die dem direkten piezoelektrischen Effekt entspricht, während [d^t] die Matrix für den umgekehrten piezoelektrischen Effekt darstellt. Das hochgestellte E gibt den Zustand eines elektrischen Feldes von Null oder eines konstanten elektrischen Feldes an, und das hochgestellte T gibt ein Spannungsfeld von Null oder ein konstantes Spannungsfeld an. Das hochgestellte „t“ bezeichnet durchgängig die Transposition einer Matrix.

Es ist wichtig zu beachten, dass der Tensor dritter Ordnung ${\mathfrak {d}}$ wandelt Vektoren in symmetrische Matrizen um. Diese spezifische Eigenschaft impliziert das Fehlen nicht trivialer rotationsinvarianter Tensoren mit einer solchen Eigenschaft und erklärt damit, warum es keine isotropen piezoelektrischen Materialien gibt.

Die Spannungs-Ladungs-Beziehung für Materialien der 4-mm-Kristallklasse (C_4v), am Beispiel gepolter piezoelektrischer Keramiken wie tetragonalem PZT oder BaTiO₃, und auch für Materialien im 6-mm-Kristall Klasse, kann wie folgt formuliert werden (ANSI IEEE 176):

{\begin{aligned}&{\begin{bmatrix}S_{1}\\S_{2}\\S_{3}\\S_{4}\\S_{5}\\S_{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}s_{11}^{E}&s_{12} ^{E}&s_{13}^{E}&0&0&0\\s_{21}^{E}&s_{22}^{E}&s_{23}^{E}&0&0&0\\s_{31}^{E}&s_{32}^{E}&s _{33}^{E}&0&0&0\\0&0&0&s_{44}^{E}&0&0\\0&0&0&0&s_{55}^{E}&0\\0&0&0& ;0&0&s_{66}^{E}=2\left(s_{11}^{E}-s_{12}^{E}\right)\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}T_{1}\\T_{2}\\T_{3}\\T_{4}\\T_{5}\\T_{6}\ end{bmatrix}}+{\begin{bmatrix}0&0&d_{31}\\0&0&d_{32}\\0&0&d_{33}\\0&d_{24}&0\\d_{15}&0&0\ \0&0&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}E_{1}\\E_{2}\\E_{3}\end{bmatrix}}\\[8pt]&{\begin{bmatrix}D_{1}\\D_{2}\\D_{3}\end{b Matrix}}={\begin{bmatrix}0&0&0&0&d_{15}&0\\0&0&0&d_{24}&0&0\\d_{31}&d_{32}&d_{33}& amp;0&0&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}T_{1}\\T_{2}\\T_{3}\\T_{4}\\T_{5}\\T_{6}\end{bmatrix}}+{\begin{bmatrix}{\varepsilon }_{11}&0&0\\0&{\varepsilon }_{22}&0\\0&0&{\varepsilon }_{33}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}E_{1}\\E_{2}\\E_{3}\end{bmatrix}}\end{aligned}}

Die anfängliche Gleichung beschreibt den umgekehrten piezoelektrischen Effekt, während sich die nachfolgende Gleichung auf den direkten piezoelektrischen Effekt bezieht.

Während diese Gleichungen in der wissenschaftlichen Literatur häufig verwendet werden, ist eine Klärung ihrer Notation unerlässlich. Typischerweise werden D und E als Vektoren dargestellt, die kartesische Tensoren vom Rang 1 sind, während die Permittivität ε ein kartesischer Tensor vom Rang 2 ist. Obwohl Dehnung und Spannung grundsätzlich Tensoren vom Rang 2 sind, erlaubt die konventionelle Praxis aufgrund ihrer symmetrischen Natur die Umbenennung ihrer Indizes wie folgt: 11 → 1; 22 → 2; 33 → 3; 23 → 4; 13 → 5; 12 → 6. Es ist wichtig zu beachten, dass es in der Literatur alternative Konventionen gibt; Einige Autoren weisen beispielsweise möglicherweise 12 → 4, 23 → 5 und 31 → 6 zu. Diese Umbenennung erklärt, warum S und T in einer „Vektorform“ mit sechs Komponenten dargestellt werden. Folglich wird s als 6x6-Matrix und nicht als Rang-3-Tensor dargestellt. Diese umbenannte Notation wird allgemein als Voigt-Notation bezeichnet. Eine separate Überlegung betrifft die Frage, ob die Scherdehnungskomponenten S§1415§, S§1819§ und S§2223§ Tensorkomponenten oder technische Dehnungen darstellen. Im Kontext der oben genannten Gleichung müssen diese als technische Belastungen interpretiert werden, um den 6,6-Koeffizienten der Compliance-Matrix korrekt als 2(s^E
§3334§ − s^E
§4647§). Technische Scherdehnungen werden als die doppelte Größe ihrer entsprechenden Tensorscherkomponenten definiert, zum Beispiel S§5253§ = 2S§5657§. Folglich ist s₆₆ = ⁠§6465§/G§7172§⁠, wobei G§7879§ den Schubmodul bezeichnet.

Insgesamt vier verschiedene Piezoelektrische Koeffizienten sind definiert: d_ij, e_ij, g_ij und h_ij, die wie folgt ausgearbeitet werden:

{\displaystyle {\begin{aligned}d_{ij}&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial D_{i}}{\partial T_{j}}}\right)^{E}&&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial S_{j}}{\partial E_{i}}}\right)^{T}\\[6pt]e_{ij}&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial D_{i}}{\partial S_{j}}}\right)^{E}&&=-\left({\frac {\partial T_{j}}{\partial E_{i}}}\right)^{S}\\[6pt]g_{ij}&=-\left({\frac {\partial E_{i}}{\partial T_{j}}}\right)^{D}&&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial S_{j}}{\partial

In diesem Zusammenhang entspricht der anfängliche Satz von vier Begriffen dem direkten piezoelektrischen Effekt, während der nachfolgende Satz von vier Begriffen den umgekehrten piezoelektrischen Effekt darstellt. Die Äquivalenz zwischen dem direkten piezoelektrischen Tensor und der Transponierten des umgekehrten piezoelektrischen Tensors wird durch die Maxwell-Beziehungen der Thermodynamik hergestellt. Für piezoelektrische Kristalle, bei denen die Polarisation durch das Kristallfeld induziert wird, wurde ein spezieller Formalismus entwickelt, um piezoelektrische Koeffizienten d_ij aus elektrostatischen Gitterkonstanten oder Madelung-Konstanten höherer Ordnung zu berechnen.

Kristallklassen

Von den 32 Kristallklassen sind 21 nicht zentrosymmetrisch, was bedeutet, dass ihnen ein Symmetriezentrum fehlt. Davon weisen 20 eine direkte Piezoelektrizität auf, mit Ausnahme der kubischen Klasse 432. Zehn dieser Klassen werden als polare Kristallklassen kategorisiert, die aufgrund eines nicht verschwindenden elektrischen Dipolmoments, das mit ihrer Elementarzelle verbunden ist, in Abwesenheit mechanischer Spannung eine spontane Polarisation zeigen und außerdem Pyroelektrizität aufweisen. Kann dieses Dipolmoment durch Anlegen eines externen elektrischen Feldes umgekehrt werden, wird das Material als ferroelektrisch klassifiziert.

Die zehn polaren (pyroelektrischen) Kristallklassen umfassen: 1, 2, m, mm2, 4, 4 mm, 3, 3 m, 6, 6 mm.
Die verbleibenden zehn piezoelektrischen Kristallklassen sind: 222, 4, 422, 42m, 32, 6, 622, 62m, 23, §89§3m.

Bei polaren Kristallen, bei denen P ≠ 0 ohne mechanische Belastung ist, manifestiert sich der piezoelektrische Effekt durch Änderungen entweder der Größe oder der Richtung von P oder beidem.

Umgekehrt wird bei unpolaren, aber piezoelektrischen Kristallen eine Polarisation ungleich Null P allein durch die Anwendung einer mechanischen Belastung induziert laden. In diesen Materialien kann man sich mechanische Spannung als Umwandlung des Kristalls von einem unpolaren Zustand (P = 0) in einen polaren Zustand vorstellen, der durch P ≠ 0.

gekennzeichnet ist

Materialien

Zahlreiche Materialien weisen piezoelektrische Eigenschaften auf. Dazu gehören:

Kristalline Materialien

Langasit (La₃Ga₅SiO₁₄) – ein Kristall analog zu Quarz
Galliumorthophosphat (GaPO₄) – ein Kristall analog zu Quarz
Lithiumniobat (LiNbO₃)
Lithiumtantalat (LiTaO₃)
Quarz
Berlinit (AlPO₄) – ein seltenes Phosphatmineral, das strukturell mit Quarz identisch ist
Rochelle-Salz
Topas – Piezoelektrizität in Topas ist wahrscheinlich auf die Anordnung von (F,OH) innerhalb seines Gitters zurückzuführen, das ansonsten zentrosymmetrisch (orthorhombisch-bipyramidal, mmm) ist. Auch die bei Topas beobachteten anomalen optischen Eigenschaften werden dieser Ordnung zugeschrieben.
Mineralien der Turmalingruppe
Bleititanat (PbTiO₃) – Obwohl es in der Natur als Mineral Mazedonit vorkommt, wird es für die Forschung und verschiedene Anwendungen synthetisiert.

Keramik

Keramik mit zufällig ausgerichteten Körnern muss ferroelektrisch sein, um Piezoelektrizität zu zeigen. Abnormales Kornwachstum (AGG) in gesinterten polykristallinen piezoelektrischen Keramiken wirkt sich nachteilig auf die piezoelektrische Leistung aus und sollte daher verhindert werden. Dies liegt daran, dass die Mikrostruktur von Piezokeramiken, die AGG aufweisen, typischerweise eine begrenzte Anzahl ungewöhnlich großer, länglicher Körner umfasst, die in einer Matrix aus feineren, zufällig ausgerichteten Körnern eingebettet sind. Umgekehrt kann makroskopische Piezoelektrizität in strukturierten polykristallinen nichtferroelektrischen piezoelektrischen Materialien, einschließlich AlN und ZnO, erreicht werden. Piezoelektrizität wird auch in Keramikfamilien beobachtet, die Perowskit, Wolframbronze und analoge Strukturen besitzen, wie zum Beispiel:

Bleizirkonattitanat (Pb[Zr_xTi_1−x]O§910§ mit 0 ≤ x ≤ 1) – allgemein als PZT bezeichnet, das derzeit am weitesten verbreitete Piezoelektrikum Keramik.
Kaliumniobat (KNbO₃)
Natriumwolframat (Na₂WO₃)
Ba₂NaNb₅O₅
Pb₂KNb₅O₁₅
Zinkoxid (ZnO) – besitzt eine Wurtzit-Struktur. Obwohl Einkristalle aus ZnO sowohl piezoelektrische als auch pyroelektrische Eigenschaften aufweisen, zeigt polykristallines (keramisches) ZnO mit zufällig ausgerichteten Körnern keine Wirkung. Da es nicht ferroelektrisch ist, kann polykristallines ZnO nicht wie Bariumtitanat oder PZT gepolt werden. Makroskopische Piezoelektrizität und Pyroelektrizität in ZnO-Keramik und polykristallinen Dünnfilmen werden nur beobachtet, wenn das Material texturiert ist (d. h. die Körner sind bevorzugt ausgerichtet), wodurch sichergestellt wird, dass sich die piezoelektrischen und pyroelektrischen Reaktionen einzelner Körner nicht gegenseitig aufheben. Diese Textur lässt sich leicht in polykristallinen Dünnfilmen erreichen.

Bleifreie Piezokeramik

Natriumkaliumniobat ((K,Na)NbO₃), allgemein als NKN oder KNN bezeichnet, ist eine bedeutende bleifreie Piezokeramik. Im Jahr 2004 identifizierte ein Team japanischer Forscher unter der Leitung von Yasuyoshi Saito eine spezifische Natrium-Kalium-Niobat-Zusammensetzung, die vergleichbare Eigenschaften wie Bleizirkonat-Titanat (PZT) aufweist, insbesondere einen hohen T_C. Darüber hinaus zeigen bestimmte Formulierungen dieses Materials die Fähigkeit, einen hohen mechanischen Qualitätsfaktor (Q_m ≈ 900) auch bei erhöhten Vibrationspegeln aufrechtzuerhalten, eine Eigenschaft, bei der sich der mechanische Qualitätsfaktor von hartem PZT typischerweise verschlechtert. Daher gilt NKN als vielversprechende Alternative für Hochleistungsresonanzanwendungen wie piezoelektrische Transformatoren.
Bismutferrit (BiFeO₃) gilt als vielversprechender Kandidat für den Ersatz bleibasierter Keramikmaterialien.
Natriumniobat (NaNbO₃)
Bariumtitanat (BaTiO₃) hat historische Bedeutung als erste piezoelektrische Keramik, die jemals entdeckt wurde.
Wismutitanat (Bi₄Ti₃O₁₂)
Natriumwismuttitanat (NaBi(TiO₃)₂)

Die Herstellung bleifreier Piezokeramik stellt vielfältige Herausforderungen dar, die sowohl Umweltaspekte als auch die Notwendigkeit umfassen, die Leistungsmerkmale ihrer bleibasierten Vorgänger zu reproduzieren. Während der Verzicht auf Blei das Risiko einer Toxizität für den Menschen verringert, können die Abbau- und Gewinnungsprozesse für diese alternativen Materialien Gefahren für die Umwelt mit sich bringen. Eine vergleichende Umweltbewertung von PZT mit Natriumkaliumniobat (NKN oder KNN) zeigt, dass KNN bei vier Schlüsselindikatoren – Primärenergieverbrauch, toxikologischer Fußabdruck, Ökoindikator 99 und Input-Output-Treibhausgasemissionen – eine größere Umweltbelastung aufweist. Die meisten Umweltprobleme im Zusammenhang mit KNN, insbesondere seiner Nb₂O₅-Komponente, treten in den Anfangsphasen seines Lebenszyklus auf, bevor er die Herstellungsphase erreicht. Angesichts dieser Konzentration schädlicher Auswirkungen in frühen Phasen können spezifische Interventionen durchgeführt werden, um nachteilige Auswirkungen zu minimieren. Die Wiederherstellung von Flächen nach dem Bergbau, wie z. B. der Rückbau von Staudämmen oder die Wiederauffüllung nutzbarer Bodenvorräte, stellt bewährte Methoden dar, um den ökologischen Fußabdruck von Abbaubetrieben zu verringern. Im Hinblick auf die Luftqualität sind weiterhin umfassende Modellierungen und Simulationen erforderlich, um die erforderlichen Minderungsstrategien vollständig zu ermitteln. Obwohl die Gewinnung bleifreier piezokeramischer Bestandteile noch kein nennenswertes Ausmaß erreicht hat, veranlassen vorläufige Analysen Experten dazu, hinsichtlich der möglichen Auswirkungen auf die Umwelt Vorsicht walten zu lassen.

Die Herstellung bleifreier Piezokeramiken stellt eine erhebliche Herausforderung dar, wenn es darum geht, die für ihre bleibasierten Äquivalente charakteristischen Leistungs- und Stabilitätsniveaus aufrechtzuerhalten. Eine primäre technische Hürde bei diesem Herstellungsprozess besteht darin, „morphotrope Phasengrenzen (MPBs)“ zu schaffen, die stabile piezoelektrische Eigenschaften verleihen, während gleichzeitig die Bildung von „polymorphen Phasengrenzen (PPBs)“ vermieden wird, die sich nachteilig auf die Temperaturstabilität des Materials auswirken. Diese neuen Phasengrenzen werden typischerweise durch Anpassen der Additivkonzentrationen konstruiert, um sicherzustellen, dass die Phasenübergangstemperaturen den Umgebungsbedingungen entsprechen. Während das Vorhandensein eines MPB die piezoelektrischen Eigenschaften verbessert, macht die versehentliche Einführung eines PPB das Material anfällig für negative temperaturabhängige Effekte. Daher konzentrieren sich die laufenden Forschungsbemühungen auf die präzise Kontrolle der Arten von Phasengrenzen, die durch fortschrittliche Techniken wie Phasentechnik, diffundierende Phasenübergänge, Domänentechnik und chemische Modifikation gebildet werden.

III–V und II–VI Halbleiter

Ein piezoelektrisches Potenzial kann in jedem massiven oder nanostrukturierten Halbleiterkristall ohne zentrale Symmetrie erzeugt werden, einschließlich Materialien der Gruppen III–V und II–VI. Dieses Phänomen entsteht durch die Polarisation von Ionen, wenn sie äußeren Belastungen und Belastungen ausgesetzt werden. Diese Eigenschaft ist sowohl den Zinkblende- als auch den Wurtzit-Kristallstrukturen eigen. In Zinkblendestrukturen ist nur ein unabhängiger piezoelektrischer Koeffizient mit der Bezeichnung e₁₄ vorhanden, der an die Scherkomponenten der Dehnung gekoppelt ist. Umgekehrt weisen Wurtzitstrukturen drei unabhängige piezoelektrische Koeffizienten auf: e₃₁, e₃₃ und e₁₅. Die Halbleiter, die die stärkste Piezoelektrizität aufweisen, sind typischerweise solche mit Wurtzitstruktur, wie GaN, InN, AlN und ZnO.

Seit 2006 haben zahlreiche Studien signifikante nichtlineare piezoelektrische Effekte in polaren Halbleitern dokumentiert. Es wird allgemein anerkannt, dass diese Effekte erheblich sind und in ihrer Größenordnung möglicherweise sogar mit Näherungen erster Ordnung vergleichbar sind.

Polymere

Während die piezoelektrische Reaktion von Polymeren nicht so ausgeprägt ist wie die von Keramik, verfügen sie über deutliche Vorteile, die bei keramischen Gegenstücken nicht zu finden sind. Infolgedessen haben ungiftige piezoelektrische Polymere in den letzten Jahrzehnten großes Forschungsinteresse und praktische Anwendung gefunden, vor allem aufgrund ihrer inhärenten Flexibilität und geringeren akustischen Impedanz. Weitere überzeugende Eigenschaften dieser Materialien umfassen Biokompatibilität, biologische Abbaubarkeit, Kosteneffizienz und einen geringeren Stromverbrauch im Vergleich zu anderen piezoelektrischen Substanzen wie Keramik.

Piezoelektrische Polymere werden grob in Massenpolymere, mit Hohlräumen geladene Polymere (auch als „Piezoelektrete“ bekannt) und Polymerverbundstoffe eingeteilt. Die piezoelektrische Reaktion in Massenpolymeren beruht hauptsächlich auf ihrer intrinsischen Molekülstruktur. Massenpolymere werden weiter in amorphe und teilkristalline Typen unterteilt. Anschauliche Beispiele für teilkristalline Polymere sind Polyvinylidenfluorid (PVDF) und seine Copolymere, Polyamide und Parylene-C. Umgekehrt werden nichtkristalline Polymere wie Polyimid und Polyvinylidenchlorid (PVDC) als amorphe Massenpolymere klassifiziert. Hohlräume geladene Polymere manifestieren den piezoelektrischen Effekt durch Ladungen, die durch den Polungsprozess eines porösen Polymerfilms induziert werden. Wenn es einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, sammeln sich Ladungen auf den Hohlraumoberflächen an und erzeugen dadurch Dipole. Jede Verformung dieser Hohlräume kann anschließend eine elektrische Reaktion auslösen. Darüber hinaus ist der piezoelektrische Effekt in Polymerverbundwerkstoffen zu beobachten, der durch den Einbau piezoelektrischer Keramikpartikel in einen Polymerfilm erreicht wird. Insbesondere muss die Polymermatrix selbst nicht unbedingt piezoaktiv sein, um einen wirksamen Polymerverbund zu bilden. Solche Materialien können aus einer inerten Matrix in Kombination mit einer ausgeprägten piezoaktiven Komponente bestehen.

Polyvinylidenfluorid (PVDF) zeigt eine piezoelektrische Reaktion, die die von Quarz deutlich übertrifft. Insbesondere zeigt PVDF eine piezoelektrische Reaktion im Bereich von etwa 20 bis 30 pC/N. Dieser Wert ist jedoch 5- bis 50-mal niedriger als die Reaktion, die bei der piezoelektrischen Keramik Bleizirkonat-Titanat (PZT) beobachtet wird. Polymere der PVDF-Familie, einschließlich Vinylidenfluorid-Co-Polytrifluorethylen, behalten ihren piezoelektrischen Effekt bis zu einer thermischen Stabilitätsschwelle von 125 °C. Zu den Hauptanwendungen für PVDF gehören Drucksensoren, Hydrophone und Stoßwellensensoren.

Aufgrund ihrer inhärenten Flexibilität wurden piezoelektrische Verbundwerkstoffe umfassend für Anwendungen als Energieernter und Nanogeneratoren untersucht. Im Jahr 2018 stellten Zhu et al. dokumentierten eine piezoelektrische Reaktion von etwa 17 pC/N eines PDMS/PZT-Nanokomposits mit 60 % Porosität. Zuvor wurde 2017 ein weiteres PDMS-Nanokomposit beschrieben, bei dem BaTiO₃ in PDMS eingearbeitet wurde, um einen dehnbaren, transparenten Nanogenerator herzustellen, der für die energieautarke physiologische Überwachung geeignet ist. Darüber hinaus führte der Einbau polarer Moleküle in einen Polyurethanschaum im Jahr 2016 zu besonders hohen piezoelektrischen Reaktionen, die bis zu 244 pC/N erreichten.

Alternative Materialien

Die überwiegende Mehrheit der Materialien zeigt zumindest eine schwache piezoelektrische Reaktion. Häufige Beispiele sind Saccharose (Haushaltszucker), Desoxyribonukleinsäure (DNA) und verschiedene virale Proteine, beispielsweise solche, die von Bakteriophagen stammen. Darüber hinaus wurde ein Aktuator aus Holzfasern (Zellulosefasern) dokumentiert. Zellulares Polypropylen weist D₃₃-Reaktionen von nahezu 200 pC/N auf. Zu den Anwendungen für Zellpolypropylen gehören Musiktastaturen, Mikrofone und ultraschallbasierte Echoortungssysteme. In jüngerer Zeit hat die einzelne Aminosäure β-Glycin eine erhebliche piezoelektrische Reaktion von 178 pm V⁻¹ gezeigt, ein Wert, der unter biologischen Materialien besonders hoch ist.

Ionische Flüssigkeiten wurden kürzlich als die erste Klasse piezoelektrischer Flüssigkeiten anerkannt.

Anwendungen

Hochspannung und Stromerzeugung

Der direkte piezoelektrische Effekt in bestimmten Substanzen wie Quarz kann Potenzialunterschiede von mehreren Tausend Volt erzeugen.

Eine weithin bekannte Anwendung ist der elektrische Zigarettenanzünder, bei dem die Betätigung eines Knopfes dazu führt, dass ein federbelasteter Hammer auf einen piezoelektrischen Kristall schlägt. Dieser Vorgang erzeugt einen elektrischen Hochspannungsstrom, der eine kleine Funkenstrecke durchquert und dadurch das Gas erhitzt und entzündet. Auch tragbare Zünder, die zum Zünden von Gasherden verwendet werden, funktionieren nach dem gleichen Prinzip, und zahlreiche moderne Gasbrenner verfügen über integrierte piezobasierte Zündsysteme.
Die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) in den Vereinigten Staaten hat ein vergleichbares Konzept im Rahmen ihrer Energy-Harvesting-Initiative untersucht, bei der versucht wurde, Gefechtsfeldausrüstung mithilfe von in Soldatenstiefel integrierten piezoelektrischen Generatoren mit Strom zu versorgen. Dennoch wirken sich solche Energiegewinnungsmethoden naturgemäß auf den menschlichen Körper aus. Das Bestreben der DARPA, beim Gehen durch kontinuierliche Schuhstöße 1–2 Watt zu erzeugen, wurde eingestellt, da es sowohl unpraktisch war als auch aufgrund des erhöhten Energieaufwands für Personen, die das Spezialschuhwerk trugen, Unbehagen verspürte. Weitere Energiegewinnungskonzepte umfassen Crowd Farm, das darauf abzielt, kinetische Energie aus menschlichen Bewegungen in öffentlichen Räumen wie Bahnhöfen zu erfassen, und Systeme, die Tanzflächenaktivitäten in Elektrizität umwandeln sollen. Darüber hinaus können piezoelektrische Materialien verwendet werden, um Vibrationen von Industriemaschinen aufzufangen und so Batterien für die Notstromversorgung aufzuladen oder Mikroprozessoren mit geringem Stromverbrauch und drahtlose Kommunikationsgeräte mit Energie zu versorgen.
Ein piezoelektrischer Transformator fungiert als Wechselspannungsvervielfacher. Im Gegensatz zu herkömmlichen Transformatoren, die auf einer magnetischen Kopplung zwischen Eingang und Ausgang basieren, nutzen piezoelektrische Transformatoren eine akustische Kopplung. Eine Eingangsspannung wird an ein Segment eines piezokeramischen Stabs, z. B. PZT, angelegt, wodurch über den inversen piezoelektrischen Effekt eine Wechselspannung innerhalb des Stabs induziert wird, die folglich den gesamten Stab zum Schwingen bringt. Die ausgewählte Vibrationsfrequenz entspricht typischerweise der Resonanzfrequenz des Blocks und liegt normalerweise im Bereich von 100 Kilohertz bis 1 Megahertz. Anschließend wird durch den direkten piezoelektrischen Effekt eine höhere Ausgangsspannung an einem anderen Abschnitt des Stabes erzeugt. Es wurden Übersetzungsverhältnisse von über 1.000:1 erreicht. Ein bemerkenswertes Merkmal dieser Transformatoren ist ihre Fähigkeit, bei Betrieb oberhalb ihrer Resonanzfrequenz ein induktives Lastverhalten zu zeigen, eine Eigenschaft, die für Schaltkreise von Vorteil ist, die einen kontrollierten Sanftanlauf erfordern. Diese Geräte finden Anwendung in DC-AC-Wechselrichtern zur Stromversorgung von Kaltkathoden-Leuchtstofflampen. Piezoelektrische Transformatoren gehören zu den kompaktesten Hochspannungsquellen.

Sensoren

Das Funktionsprinzip eines piezoelektrischen Sensors besteht darin, dass eine physikalische Größe in eine Kraft umgewandelt wird, die dann auf zwei gegenüberliegende Oberflächen des Sensorelements wirkt. Das Sensordesign bestimmt die spezifischen Belastungsmodi, die auf das piezoelektrische Element anwendbar sind, einschließlich Längs-, Quer- und Scherkonfigurationen.

Die häufigste Sensoranwendung umfasst die Erkennung von Druckschwankungen, die sich als Schall manifestieren, beispielsweise bei piezoelektrischen Mikrofonen, bei denen Schallwellen das piezoelektrische Material verformen, um eine schwankende Spannung zu erzeugen, und bei piezoelektrischen Tonabnehmern, die in akustisch-elektrischen Gitarren verwendet werden. Ein piezoelektrischer Sensor, der am Körper eines Instruments befestigt ist, wird üblicherweise als Kontaktmikrofon bezeichnet.

Piezoelektrische Sensoren werden insbesondere mit Hochfrequenzschall in Ultraschallwandlern sowohl für die medizinische Bildgebung als auch für die industrielle zerstörungsfreie Prüfung (NDT) eingesetzt.

Bei zahlreichen Erfassungsmethoden kann ein Gerät sowohl als Sensor als auch als Aktuator fungieren; Daher wird bei der Beschreibung dieser Doppelfähigkeit häufig der Begriff Wandler bevorzugt, obwohl die meisten piezoelektrischen Geräte von Natur aus über diese Eigenschaft der Reversibilität verfügen, unabhängig von ihrer aktiven Nutzung. Ultraschallwandler sind beispielsweise in der Lage, Ultraschallwellen in ein Medium auszusenden, anschließend die reflektierten Wellen zu empfangen und sie in ein elektrisches Signal, typischerweise eine Spannung, umzuwandeln. Die meisten medizinischen Ultraschallwandler sind piezoelektrisch.

Über die oben genannten Beispiele hinaus umfassen verschiedene Sensor- und Wandleranwendungen:

Piezoelektrische Elemente werden zusätzlich bei der Erkennung und Erzeugung von Sonarwellen eingesetzt.
Piezoelektrische Materialien finden sowohl in einachsigen als auch zweiachsigen Neigungserfassungssystemen Anwendung.
Sie werden zur Leistungsüberwachung in Hochleistungsanwendungen wie medizinischen Behandlungen, Sonochemie und industrieller Verarbeitung eingesetzt.
Piezoelektrische Mikrowaagen dienen als hochempfindliche chemische und biologische Sensoren.
Während Piezoelektrika gelegentlich in Dehnungsmessstreifen integriert werden, werden zu diesem Zweck häufiger Elemente mit piezoresistivem Effekt eingesetzt.
Ein piezoelektrischer Wandler wurde in das Penetrometer-Instrument an Bord der Huygens-Sonde integriert.
Piezoelektrische Wandler werden in elektronischen Drum-Pads eingesetzt, um den Aufprall von Trommelstöcken zu registrieren, und in der medizinischen Akzeleromyographie zur Erkennung von Muskelbewegungen.
Motormanagementsysteme für Kraftfahrzeuge nutzen piezoelektrische Wandler zur Erkennung von Motorklopfen, auch Klopfen genannt, bei bestimmten Hertz-Frequenzen. Darüber hinaus werden diese Wandler in Kraftstoffeinspritzsystemen eingesetzt, um den Ansaugkrümmer-Absolutdruck (MAP-Sensor) zu messen und so die Motorlast zu bestimmen und die genaue Dauer der Aktivierung der Kraftstoffeinspritzdüse zu regeln.
Piezoelektrische Ultraschallsensoren werden zur Erkennung akustischer Emissionen im Rahmen von Prüfmethoden für akustische Emissionen eingesetzt.
Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmesser können piezoelektrische Wandler enthalten.

Aktuatoren

Die Anwendung erheblicher elektrischer Felder führt zu winzigen Änderungen der Kristallbreite und ermöglicht so Präzisionsanpassungen im Submikrometerbereich. Diese Eigenschaft macht piezoelektrische Kristalle zu einer entscheidenden Komponente für eine hochpräzise Objektpositionierung und rechtfertigt damit ihren umfassenden Einsatz in Aktoren. Mehrschichtige Keramikkonfigurationen mit Schichten, die dünner als 100 μm sind, ermöglichen die Erzeugung hoher elektrischer Felder bei Spannungen unter 150 V. Diese Keramiken sind integraler Bestandteil von zwei primären Aktortypen: direkte Piezoaktoren und verstärkte piezoelektrische Aktoren. Während Direktaktoren typischerweise Hübe unter 100 μm aufweisen, sind verstärkte piezoelektrische Aktoren in der Lage, Verschiebungen im Millimeterbereich zu erreichen.

Lautsprecher: Bei Lautsprechern wird Spannung in die mechanische Verschiebung einer metallischen Membran umgewandelt.
Ultraschallreinigungssysteme nutzen üblicherweise piezoelektrische Elemente, um hochintensive Schallwellen in einem flüssigen Medium zu erzeugen.
Piezoelektrische Motoren: Diese Motoren nutzen piezoelektrische Elemente, um eine Richtungskraft auf eine Achse auszuüben und so eine Drehung zu induzieren. Aufgrund der geringen Verschiebungen gelten piezoelektrische Motoren als hochpräzise Alternative zu herkömmlichen Schrittmotoren.
Piezoelektrische Elemente werden bei der Laserspiegelausrichtung eingesetzt und nutzen ihre Fähigkeit, erhebliche Massen, wie z. B. Spiegelhalterungen, präzise über mikroskopische Entfernungen zu verschieben, um Laserspiegel elektronisch auszurichten. Durch die sorgfältige Steuerung des Abstands zwischen den Spiegeln kann die Laserelektronik optimale optische Bedingungen im Laserhohlraum aufrechterhalten und so die Strahlleistung maximieren.
Eine verwandte Anwendung betrifft den akusto-optischen Modulator, ein Gerät, das Schallwellen nutzt, die von piezoelektrischen Elementen in einem Kristall erzeugt werden, um Licht zu streuen. Dieser Mechanismus erweist sich für die präzise Abstimmung der Laserfrequenz als vorteilhaft.
Rasterkraftmikroskope und Rastertunnelmikroskope nutzen umgekehrte Piezoelektrizität, um die Sensorsonde in unmittelbarer Nähe der Probe zu halten.
Tintenstrahldrucker: Zahlreiche Tintenstrahldrucker enthalten piezoelektrische Kristalle, um den präzisen Ausstoß der Tinte vom Druckkopf auf das Papier zu erleichtern.
Dieselmotoren: Hochleistungs-Common-Rail-Dieselmotoren integrieren piezoelektrische Kraftstoffeinspritzdüsen, die ursprünglich von der Robert Bosch GmbH entwickelt wurden, als Alternative zu den vorherrschenden Magnetventilmechanismen.
Verstärkte Aktoren werden zur aktiven Vibrationskontrolle eingesetzt.
Röntgenverschlüsse.
XY-Tische werden für Mikroscananwendungen in Infrarotkameras eingesetzt.
Eine präzise Patientenpositionierung in aktiven CT- und MRT-Scannern wird mithilfe piezoelektrischer Systeme erreicht, da starke Strahlung oder Magnetfelder den Einsatz von Elektromotoren ausschließen.
Kristall-Ohrhörer finden gelegentlich Anwendung in Vintage- oder Low-Power-Radioempfängern.
Hochintensiver fokussierter Ultraschall kann örtliche Erwärmung oder Kavitation hervorrufen, was beispielsweise bei medizinischen Behandlungen im Körper eines Patienten oder bei bestimmten industriellen chemischen Prozessen anwendbar ist.
Aktualisierbare Braillezeilen funktionieren, indem sie einen kleinen Kristall durch Anlegen von elektrischem Strom ausdehnen, der anschließend einen Hebel betätigt, um einzelne Braillezellen anzuheben.
Ein piezoelektrischer Aktuator funktioniert, indem er einen einzelnen Kristall oder eine Reihe von Kristallen durch Anlegen von Spannung ausdehnt und so die Bewegung und Steuerung eines Mechanismus oder Systems ermöglicht.
Piezoelektrische Aktoren werden für die präzise Servopositionierung in Festplattenlaufwerken eingesetzt.

Frequenzstandard

Die piezoelektrischen Eigenschaften von Quarz machen ihn als Frequenznormal wertvoll.

Quarzuhren enthalten einen Quarzoszillator, der aus einem Quarzkristall gefertigt ist und sowohl direkte als auch umgekehrte Piezoelektrizität nutzt, um eine präzise zeitlich abgestimmte Folge elektrischer Impulse für die Zeitmessung zu erzeugen. Analog zu anderen elastischen Materialien besitzt der Quarzkristall eine ausgeprägte natürliche Resonanzfrequenz, die durch seine Geometrie und Abmessungen bestimmt wird und zur Stabilisierung der Frequenz einer angelegten periodischen Spannung genutzt wird.
Dieses identische Prinzip wird in bestimmten Funksendern, Empfängern und Computersystemen zur Erzeugung von Taktimpulsen angewendet. Typischerweise verwenden beide Anwendungen einen Frequenzvervielfacher, um Gigahertz-Betriebsbereiche zu erreichen.

Piezoelektrische Motoren

Piezoelektrische Motoren umfassen mehrere unterschiedliche Kategorien:

Ultraschallmotoren, die üblicherweise für Autofokus-Mechanismen in Spiegelreflexkameras (SLR) verwendet werden.
Zollschneckenmotoren, konzipiert für präzise lineare Bewegungsanwendungen.
Rechteckige Vierquadrantenmotoren, gekennzeichnet durch eine hohe Leistungsdichte von 2,5 W/cm³ und Betriebsgeschwindigkeiten von 10 Nm/s bis 800 mm/s.
Piezoelektrische Schrittmotoren, die das Stick-Slip-Phänomen für die Bewegung nutzen.

Mit Ausnahme des Schritt-Stick-Slip-Motors basieren diese Geräte auf einem einheitlichen Grundprinzip. Ihr Betrieb umfasst zwei um 90° phasenverschobene orthogonale Vibrationsmodi, die an der Kontaktschnittstelle zwischen zwei Oberflächen eine elliptische Vibrationsbahn induzieren und dadurch eine Reibungskraft erzeugen. Normalerweise bleibt eine Oberfläche stationär und erleichtert die Bewegung der anderen. Der piezoelektrische Kristall in den meisten dieser Motoren wird durch ein Sinussignal mit der Resonanzfrequenz des Motors betätigt. Diese resonante Anregung ermöglicht die Erzeugung erheblicher Schwingungsamplituden bei deutlich reduziertem Spannungseingang.

Stick-Slip-Motoren funktionieren, indem sie die Trägheit einer Masse in Verbindung mit den Reibungseigenschaften eines Klemmmechanismus nutzen. Diese Motoren sind in der Lage, äußerst kompakte Abmessungen zu erreichen. Zu den spezifischen Anwendungen gehört die Verschiebung des Kamerasensors, die Bildstabilisierungsfunktionen ermöglicht.

Minderung von Vibrationen und akustischem Lärm

Zahlreiche Forschungsteams haben Methoden zur Abschwächung von Materialvibrationen durch die Integration piezoelektrischer Elemente erforscht. Wenn eine Vibrationsablenkung in eine Richtung erkannt wird, reagiert das aktive Vibrationsreduzierungssystem, indem es dem piezoelektrischen Element elektrische Energie zuführt und so eine Gegenauslenkung induziert. Untersuchungen zu ihrer Anwendung für flexible Strukturen, einschließlich Schalen und Platten, laufen seit etwa drei Jahrzehnten.

Chirurgische Anwendungen

Piezochirurgie ist eine minimalinvasive chirurgische Methode, die darauf abzielt, Zielgewebe einzuschneiden und gleichzeitig Kollateralschäden an angrenzenden Strukturen zu minimieren. Hoigne et al. verwendeten beispielsweise Frequenzen zwischen 25 und 29 kHz und erzeugten Mikrovibrationen im Bereich von 60 bis 210 μm. Diese Technik trägt selektiv mineralisiertes Gewebe ab, ohne neurovaskuläres oder anderes Weichgewebe zu beeinträchtigen, und gewährleistet so ein blutfreies Operationsfeld, verbesserte Sicht und höchste Präzision.

Piezoelektrische Metamaterialien mit Elektro-Impuls-Kopplungen

Im Jahr 2019 haben Pernas-Salomón und Shmuel Pionierarbeit bei einer dynamischen Homogenisierungsmethode geleistet, mit der sie erstmals zeigten, dass piezoelektrische Verbundwerkstoffe eine effektive Kopplung zwischen linearem Impuls und dem elektrischen Feld aufweisen, ein Phänomen, das sie als Elektro-Impuls-Kopplung bezeichneten. Da homogene piezoelektrische Materialien diese spezifische Kopplung nicht aufweisen, werden diese Verbundwerkstoffe als Metamaterialien kategorisiert – künstlich hergestellte Medien, die so konzipiert sind, dass sie außergewöhnliche effektive Eigenschaften aufweisen, entweder in Bezug auf Größe oder Beschaffenheit. Die Elektro-Impuls-Kopplung weist eine Analogie zur in elastischen Verbundwerkstoffen beobachteten Willis-Kopplung auf, die den linearen Impuls mit der Dehnung verknüpft und ursprünglich von J. R. Willis identifiziert wurde. Die lokalisierte Komponente dieser Kopplungen, ähnlich der piezoelektrischen Kopplung, entsteht durch gebrochene Symmetrien. Piezoelektrische Metamaterialien mit Elektro-Impuls-Kopplung bieten einen Mechanismus zur Wellenmanipulation, der mit der Willis-Kopplung vergleichbar ist: Sie induzieren eine richtungsabhängige Phasenverschiebung, erleichtern die Wellenfrontformung und verfügen über den zusätzlichen Vorteil der elektrischen Abstimmbarkeit.

Referenzen

EN 50324 (2002) spezifiziert die piezoelektrischen Eigenschaften keramischer Materialien und Komponenten, dargestellt in drei Teilen.

EN 50324 (2002) Piezoelektrische Eigenschaften keramischer Materialien und Komponenten (3 Teile)
ANSI-IEEE 176 (1987) legt den Standard für Piezoelektrizität fest.
IEEE 177 (1976) bietet Standarddefinitionen und Messmethoden für piezoelektrische Vibratoren.
IEC 444 (1973) beschreibt die grundlegende Methode zur Messung der Resonanzfrequenz und des äquivalenten Serienwiderstands von Quarzkristalleinheiten mithilfe einer Nullphasentechnik innerhalb einer Pi-Netzwerkkonfiguration.
IEC 302 (1969) definiert Standarddefinitionen und Messverfahren für piezoelektrische Vibratoren, die über einen Frequenzbereich bis zu 30 MHz funktionieren.

Gautschi, Gustav H. (2002). Piezoelektrische Sensorik. Springer. ISBN 978-3-540-42259-4.

Gautschi, Gustav H. (2002). Piezoelektrische Sensorik. Springer. ISBN 978-3-540-42259-4.Quelle: TORIma Akademie Archive

Piezoelektrizität (Piezoelectricity)