Piezoelemente

Piezoelemente sind Bauelemente, die auf dem Piezoelektrischen Effekt beruhen. Sie wandeln mechanische Energie in elektrische Energie um und umgekehrt: Durch mechanische Belastung entsteht eine elektrische Spannung; durch Anlegen einer elektrischen Spannung erfolgt eine Verformung. Aufgrund dieser Eigenschaft finden sie breite Anwendungen als Sensoren und als Aktoren.

Typischerweise werden piezoelektrische Keramiken eingesetzt, vor allem PZT (Bleizirkonattitanat). Daneben kommen Quarz und piezoelektrische Folien wie PVDF zum Einsatz. PZT bietet hohe Koeffizienten und Spannungsfestigkeit, weshalb Bauelemente in Disk-, Ring-, Scheibenformen oder als Stack- bzw. Linearaktoren gefertigt werden. Um eine stabile Ausrichtung der Domänen zu erreichen, erfolgt eine Polarisation durch Anlegen eines starken Felds bei erhöhten Temperaturen.

Prinzipiell gibt es den direkten und den konversen Piezoeffekt. Der direkte Effekt erzeugt eine elektrische Ladung bei mechanischer Belastung (Sensorik); der konverse Effekt bewirkt Verformung bei angelegter Spannung (Aktorik). Wichtige Kennwerte sind die piezoelektrischen Koeffizienten d33 und d31, die relative Dielektrizität εr, der mechanische Kopplungsfaktor k sowie Temperaturabhängigkeiten. In der Praxis treten Hysterese, Alterung und Depolarisierung auf, weshalb Kalibrierung und Temperaturkompensation oft nötig sind.

Anwendungsgebiete umfassen Sensoren (Beschleunigungs-, Druck- und Schwingungssensoren), Aktoren (Präzisionspositionierung, Mikro- und Nanopositionierung, Tintenstrahldruckköpfe) und Ultraschalltransduceren; außerdem werden sie in der Energiegewinnung in kleinen Mengen genutzt.

Herstellung und Umweltaspekte: Piezoelemente bestehen aus keramischen piezoelektrischen Materialien mit metallischen Elektroden. Mehrschichtaufbauten erhöhen den Verdrängungsweg. Die Bauelemente werden polarisiert und elektrisch isoliert. Pb-haltige Keramiken sind weit verbreitet, doch werden Pb-freie Alternativen weiterentwickelt.