DE10137425B4

DE10137425B4 - Piezoelektrisches Element

Info

Publication number: DE10137425B4
Application number: DE10137425A
Authority: DE
Inventors: Michael Birth; Petros Badaljan; Svetlana Poljakova; Elena Brajceva
Original assignee: Holmberg GmbH and Co KG
Current assignee: Holmberg GmbH and Co KG
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2021-07-28
Also published as: DE10137425A1

Abstract

Piezoelektrisches Element zur Umwandlung von Drucksignalen in elektrische Signale und umgekehrt mit einem porösen Keramikkörper und mit mindestens zwei auf den Keramikkörper aufgebrachten Elektroden, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Keramikkörper (1) offene Poren ohne Füllstoffe aufweist und zumindest auf der nicht von den Elektroden (2) eingenommenen Oberfläche mit einer elastischen Beschichtung (4) versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Element zur Umwandlung von Drucksignalen in elektrische Signale und umgekehrt nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Aus der DE 40 29 972 ist ein Piezoelement bekannt, das als Ultraschallwandler ausgebildet ist und das aus mehreren übereinander angeordneten Schichten aus einer porösen Piezokeramik mit dazwischen geschalteten Elektroden besteht. Jede Schicht der porösen Piezokeramik wird durch Ziehen einer Kunststofffolie durch ein Vorratsgefäß, das einen mit einem Perlpolymerisat gemischten Keramikschlicker enthält, hergestellt. Das Perlpolymerisat bleibt in der porösen Keramik auch nach Fertigstellung des Ultraschallwandlers eingeschlossen.

Aus der DE 197 14 973 C2 ist eine Anordnung zur Feststellung einer Überfüllung in einem Behälter bekannt, bei der ein Ultraschallwandler verwendet wird. Der Ultraschallwandler weist einen aus einer Scheibe aus porösem piezokeramischen Material (mit einer "Konnektivität 3-3") bestehenden Schwinger auf, der in einem Gehäuse untergebracht ist, dessen Boden als Membran ausgebildet ist. Zwischen Schwinger und Boden ist eine Anpassschicht aus Kunststoff eingefügt und auf der der Membran abgewandten Seite des Schwingers ist das Gehäuse ganz oder teilweise mit einer Vergussmasse gefüllt.

Die US 4 707 311 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Körpers aus poröser Keramik, bei der die Poren und die Keramikbereiche dreidimensional verbunden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein piezo elektrisches Element zur Umwandlung von Drucksignalen in elektrische Signale und umkehrt zu schaffen, bei dem die volumetrische Empfindlichkeit verbessert und gleichzeitig eine ausreichende mechanische Stabilität zur Verfügung gestellt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Unter poröser Piezokeramik ist piezokeramisches Material zu verstehen, z.B. auf der Basis eines über piezoelektrische Eigenschaften verfügendes verfestigtes Bleititanzirkonat-Gemisch, das Poren enthält. In Abhängigkeit davon, ob der Keramikkörper geschlossene, d.h. isolierte oder offene, d.h. kommunizierende Poren einschließt, gehört die poröse Piezokeramik zu den Piezokomposita, die einer Bindung 3-0 oder 3-3 entsprechen.

Es hat sich gezeigt, daß beim Übergang von hochfesten, porenarmen Keramiken zu hochporösen Piezokeramiken die volumetrische Piezoempfindlichkeit g_v signifikant anwächst, wobei insbesondere bei einer Porosität von mehr als 30 Vol.-% eine nicht lineare Erhöhung der elastischen Verformbarkeit der Keramik und eine der Zunahme der Keramikporosität entsprechende Verringerung der Poissonschen Zahl, d.h. des Querkontraktionskoeffizienten, auftreten. Die erste Eigenschaft gewährleistet ein hohe Empfindlichkeit und die zweite bewirkt, daß bei allseitiger räumlicher Einwirkung einer mechanischen Schwingung die Höhe des Übertragungskoeffizienten, d.h. der Empfindlichkeit, in der Polarisationsachse voll erhalten bleibt, während er sich bei festen Keramiken aufgrund der Überlagerung der Signalkomponenten der Hauptachse, d.h. Polarisationsachse, mit den gegenphasigen Signalkomponenten der Nebenachsen verringert, also unempfindlicher wird.

Am prägnantesten zeigt sich diese Wirkung bei der porösen Keramik mit offenen Poren, wobei sich jedoch mit der Zunahme der Porosität des Keramikkörpers dessen mechanische Festigkeit verringert, so daß höchstporöse Keramik üblicherweise nicht verwendet wird. Es ist bekannt, für eine Verbesserung der mechanischen Stabilität der hochporösen Piezokeramik mit offenen Poren zur Füllung der Poren verschiedene Polymerkomposita zu verwenden, obwohl sich dabei die volumetrische Piezoempfindlichkeit wesentlich verringert. Typische Füllstoffe sind dabei Epoxydharz und Silikonkautschuk.

Dadurch, daß gemäß der Erfindung der poröse Keramikkörper offene Poren ohne Füllstoffe aufweist und zumindest auf der nicht von den Elektroden eingenommenen Oberfläche mit einer elastischen Beschichtung versehen ist, wird die volumetrische Empfindlichkeit des piezoelektrischen Elementes wesentlich erhöht, wobei die elastische Beschichtung die mechanische Festigkeit des Keramikkörpers verbessert. Dabei ist besonders vorteilhaft wenn der Keramikkörper auf seiner gesamten Oberfläche mit der Beschichtung hermetisch abgedeckt ist.

Die Rolle der elastischen Beschichtung besteht außer in der Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Keramikkörpers mit höherer Porosität, wodurch dessen Verwendung in einem piezoelektrischen Element zur Um wandlung von Drucksignalen in elektrische Signale und umgekehrt möglich ist, darin, daß dank dieser Beschichtung bei Einwirkung von beispielsweise einer akustischen Welle ein Druckgefälle zwischen dem Innenvolumen des Piezoelementes und dem umgebenden Medium entsteht und eine entsprechende erhöhte Verformung des Piezoelementes bewirkt. Aufgrund der niedrigen Poissonschen Zahl der hochporösen Piezokeramik wird die erhöhte volumetrische Verformung in eine einachsige, vorrangig longitudinale Verformung transformiert, die infolge des direkten Piezoeffektes das Auftreten einer elektrischen Ladung an den Elektroden des Piezoelementes auslöst. Im Endergebnis wird das volumetrische Ausgangssignal durch das Piezoelement aus poröser Keramik mit der elastischen Beschichtung in ein ausreichend hohes elektrisches Signal transformiert. Bei Fehlen der elastischen Beschichtungen ist die Verformung des Piezoelementes wesentlich geringer, weil kein Druckgradient entsteht und damit seine volumetrische Piezoempfindlichkeit ebenfalls niedriger ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Schnitt durch das piezoelektrische Element nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In der Figur ist mit 1 ein poröser Keramikkörper bezeichnet, der offene Poren aufweist, wobei das von den Poren eingenommene Volumen nicht kleiner als 10% beträgt, vorzugsweise größer als 30%. Die Poren sind üblicherweise mit Luft gefüllt, können jedoch auch ein anderes Gas enthalten. An zwei gegenüberliegenden Oberflächen des Keramikkörpers 1 sind Elektroden 2 aufgebracht, die mit Anschlußdrähten 3 verbunden sind. Der Keramikkörper 1 ist über seinen gesamten Umfang, gegebenenfalls abgesehen von der von den Elektroden 2 eingenommenen Oberfläche, mit einer hermetisch dichten elastischen Beschichtung 4 versehen, beispielsweise aus einem Polymer wie Polyurethan, Silikonkautschuk, Isoprenkautschuk und dergleichen.
Als konkrete beispielhafte Ausführungen wurden Piezoelemente aus piezokeramischem Material BTZ-36 mit einer Porosität von 62–63 Vol.-% in Form von Scheiben mit einem Durchmesser von 12 mm und einer Höhe von 5 mm gefertigt. Die Oberflächen der Elemente wurden von außen, nach Aufbringung einer Metallschicht auf die Stirnseiten der Scheiben, Anlöten von Drähten zur Signalabnahme an diesen Schichten und Polarisierung der Keramikkörper zwecks Vergleichs mit einer Schicht unterschiedlicher elastischer Polymere wie Polyurethan, Silikonkautschuk und synthetischem Kautschuk und unelastischer Polymere wie Epoxydharz, Polymethylmethakrylat abgedichtet.
Die volumetrische Piezoempfindlichkeit g_v wurden entsprechend der Formel gv = γ·hbestimmt, wobei γ die Empfindlichkeit des Keramikkörpers in mV/Pa und h die Höhe des Keramikkörpers darstellen, gemessen in einem reflexionsarmen Raum bei einer Frequenz von 1000 Hz. Die erzielten Ergebnisse sind in der Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1
Aus den angeführten Daten folgt, daß durch Verwendung von elastischen Beschichtungen eine hohe volumetrische Piezoempfindlichkeit der Elemente aus offen poröser Keramik erhalten wird, wobei die Empfindlichkeit desselben Keramikkörpers ohne Beschichtung um das 20-fache überstiegen wird. Aus der Tabelle 1 folgt ebenfalls, daß eine unelastische Beschichtung zu einem Ansteigen der Piezoempfindlichkeit um lediglich das 2-fache führt.
Der positive Einfluß einer elastischen Beschichtung auf die Piezoempfindlichkeit tritt in einem breiten Frequenzband auf, wobei in der Tabelle 2 die volumetrische Piezoempfindlichkeiten g_v(mV·m/N) in Abhängigkeit von der Frequenz für eine elastische und eine unelastische Beschichtung aufgeführt sind.
Tabelle 2
Im Unterschied zur Beschaffenheit der Porosität (offene oder geschlossene Poren) beeinflußt die Größe der Poren die Piezoempfindlichkeit nur gering. Tabelle 3 zeigt die Empfindlichkeitswerte von Piezoelementen mit derselben offenen Porosität in Abhängigkeit von der Porengröße bei einer Beschichtung mit Silikonkautschuk.
Tabelle 3
Mit dem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Element wird eine sehr viel höhere volumetrische Piezoempfindlichkeit als im Stand der Technik erzielt, und es weist eine einfachere Konstruktion auf. Im Vergleich zu Piezoelementen aus fester Piezokeramik weist das erfindungsgemäße Piezoelement eine um nahezu zwei Größenordnungen höhere volumetrische Piezoempfindlichkeit auf und ist durch ein breites Frequenzspektrum (10 Hz bis 200 kHz) und einen gleichmäßigen Amplitudenfrequenzgang, bei dem die Schwankungen im Audiofrequenzband 5 dB nicht übersteigen, gekennzeichnet.

Claims

Piezoelektrisches Element zur Umwandlung von Drucksignalen in elektrische Signale und umgekehrt mit einem porösen Keramikkörper und mit mindestens zwei auf den Keramikkörper aufgebrachten Elektroden, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Keramikkörper (1) offene Poren ohne Füllstoffe aufweist und zumindest auf der nicht von den Elektroden (2) eingenommenen Oberfläche mit einer elastischen Beschichtung (4) versehen ist.
Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Beschichtung (4) hermetisch abdichtend ausgebildet ist und die gesamte Oberfläche des Keramikkörpers (1) abdeckt.
Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Keramikkörper aus einem Bleititanatzirkonat-Gemisch hergestellt ist.
Piezoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität mindestens 10%, vorzugsweise mehr als 30% beträgt.
Piezoelektrisches Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität vorzugsweise zwischen 50 und 70% liegt.
Piezoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (4) aus Silikonkautschuk, Isoprenkautschuk oder Polyurethan oder dergleichen besteht.