Piezo Materials / Image by Meggitt Denmark

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Einstieg zum Accelerometer

Der piezoelektrische Effekt

Piezo-Material

 

 

Klassifizierung von Materialien

Um Ordnung in die Welt zu bringen, klassifizieren wir gewöhnlich die Gegenstände. In der Welt der Piezomaterialien haben wir bereits zwei verschiedene Kategorien gesehen, die Einkristalle und die Keramiken. Eine andere Einteilung wäre künstliche und natürliche Materialien. Fast alle technischen Piezomaterialien, die verwendet werden, sind jedoch künstlich hergestellt. Nur wenige Einkristalle kommen nur in der Natur vor wie zum Beispiel Turmalin .

Die Werkstoffspezialisten verwenden eine überwältigende Anzahl von Klassifizierungskriterien wie z.B. die Herstellungsmethode, die kristallographischen Aspekte oder die chemische Zusammensetzung. Für unseren Zweck, wenn wir einen piezoelektrischen Sensor bauen wollen, ist eine einfache Ordnung der Empfindlichkeit (z.B. im Kompressions-Modus) am sinnvollsten. Dabei ist zu beachten, dass die piezoelektrischen Konstanten für andere Moden wie Scherung meist recht unterschiedlich sind.

Ein weiterer praktischer Aspekt bei der Verwendung oder Auswahl eines Piezomaterials ist der nutzbare Temperaturbereich. Wir haben gesehen, dass oberhalb der Curie-Temperatur der Piezoeffekt verloren geht. In der Praxis liegt die maximal zulässige Betriebstemperatur sogar deutlich darunter.

Neben der Curie-Temperatur, die eine wirklich harte Grenze darstellt, gibt es weitere limitierende Temperatureffekte. Ein besonderer Aspekt ist der elektrische Innenwiderstand eines Piezoelements, der stark von der Temperatur abhängt. Wir werden später sehen, dass wichtige Eigenschaften eines piezoelektrischen Sensors mit diesem Widerstand zusammenhängen.

Empfindlichkeit und maximale Betriebstemperatur

Das Bild zeigt einige Piezomaterialien mit ihrer Empfindlichkeit gegenüber der maximal zulässigen Betriebstemperatur.

Es zeigt die enorme Abnahme der Empfindlichkeit mit zunehmender Temperaturtauglichkeit des Materials.

Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) ist die am häufigsten verwendete Piezokeramik mit Kompressionsmodus-Ladungskonstanten von einigen hundert pC / N und vernünftigen Betriebstemperaturen.

Sensitivity versus the maximum operation temperature of some typical piezo-materials

PNM-PT ist eine Gruppe kürzlich entwickelter Einkristalle mit extrem hoher Empfindlichkeit. Sie zeigen Ladungskonstanten von 1000 bis 2000 pC / N, jedoch mit Curie-Temperaturen von 30 bis 80 ° C.

Die Wismut-Titanate (BT) sind Keramiken im Bereich von 500 bis 600 ° C mit d33 von 10 bis 20 pC / N.

Schliesslich gibt es eine echte Hochtemperaturgruppe (alle Einkristalle). Hier finden wir Langatit und Langasit (LGT, LGS), Galliumphosphat (GaPO) oder die Seltenerd- Calciumoxoborate wie YCOB mit etwa 4 bis 8 pC / N. Zu dieser Gruppe gehört auch der natürliche Kristall Turmalin mit 2 pC / N.

Interner Widerstand

Der Innenwiderstand eines Piezoelements ist der elektrische Widerstand, den wir von einer Elektrode zur anderen messen.

Ein Piezomaterial ist im Grunde genommen ein Isolator. Das bedeutet, dass der Innenwiderstand extrem hoch ist. Um ihn zu messen, benötigen wir ein so genanntes Teraohm-Meter. Dieses Instrument zeigt den Widerstand in Dekaden an, wie zum Beispiel 10⁶, 10⁷, 10⁸, 10⁹ Ohm usw.

Wusstest du, was "Ohm" bedeutet ?

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Um ein ordentliches elektrisches Signal eines Beschleunigungssensors zu erhalten, muss der Innenwiderstand so hoch wie möglich sein. Deshalb ist er eine wichtige Eigenschaft des Materials.  Bei Raumtemperatur liegt der Innenwiderstand eines guten Piezoelements normalerweise in der Größenordnung von 10¹² bis 10¹⁴ Ohm.

Betrachtet man den Verlauf des Innenwiderstandes in Abhängigkeit der Temperatur, so stellt man fest, dass der Widerstand mit steigender Temperatur exponentiell abnimmt.  Abhängig vom Material kann der Widerstand um eine Dekade (zehn Mal) bis zu mehr als zwei Dekaden (hundert Mal) pro 100°C Temperaturanstieg abnehmen.

Diese Abbildung zeigt typische Innenwiderstände in Abhängigkeit von der Temperatur für Piezoelemente üblicher Grösse.

Der Widerstand eines Piezoelements nimmt mit steigender Temperatur ab. Für ein Turmalin-Element um etwa eine Dekade pro 100°C, für ein PZT-Element um mehr als zwei Dekaden pro 100°C.

Internal resistances vs temperature for common size piezo elements.

Tourmaline

PZT

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Weisst du, wie man Piezokeramiken herstellt?

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