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Vorlesung 4 / 30.06.2017

Piezosystemtechnik

Aktorik

Sensorik

Adaptronik

Kontakt : Peter.Neumeister@ikts.fraunhofer.de

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Aktorik

Bauformen

Arbeitsdiagramm

Vielschichtaktoren: spezifische Werkstoff- und Designprobleme

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Bauformen

http://www.siemens.com/innovation/de/publikationen/zeitschriften_pictures_of_the_future/pof_fruehjahr_2007/lebenswerte_megacities/laermvermeidung.htm

www.smart-material.comwww.ikts.fraunhofer.de

Multilayer-Aktor Dickschicht-Aktor Komposit-Aktor

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Bauformen

E-Feld

+

-

Kontraktion

Expansion

d33- Kopplung(d33 > 0)

d31- Kopplung (d31 < 0)

Polungsrichtung

EdS

Klassifizierung nach E-Feldrichtung und genutzter Dehnungd33 – Aktor (Elongator)d31 – Aktor (Kontraktor)

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Bauformen

Multilayer-Aktor Biege-Aktor Komposit-Aktor

E –

Feld

E- Feld und genutzte Dehnung parallel in „3“ -Richtung

S3

S1

S3

E- Feld in 3-Richtung und genutzte Dehnung senkrecht in „1“ - Richtung

E- Feld und genutzte Dehnung parallel in „3“ -Richtung

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Gleichungen, Arbeitsdiagramm

Ausgangsgleichungen:

Freie Dehnung (mechanische Spannung: Null)

Antrieb: elektrische Spannung / E-Feld

Blockierkraft / 1-achsige mechanische Spannung(in Spannungsrichtung Dehnung Null)

Antrieb: elektrische Spannung / E-Feld

EdTsS E ETdD T

t

EdS

Es

dT

E

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Freie Dehnung

Blockierung

///////////////

Sfrei

Dehnung DS vs. E-Feldstärke

T v

s. E

-Fe

ldst

ärk

e

S

-T

Arbeitsdiagramm

EdS

Es

dT

E

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Aktuation gegen elastische Umgebung

∆𝒍Aktor

-F

- ∆𝒍 ext

SfreiS

-T ext

Arbeitsdiagramm

TsSS

EdTsS

E

frei

E

Dehnung gegen externe Federsteifigkeit

Fext = Kext ∆𝒍ext

Übergangsbedingungen Aktor – Feder

Fext = FAktor ∆𝒍ext = - ∆𝒍Aktor

Kraftoptimierte Anwendungen

wegoptimierte Anwendungen

Leistungsoptimierte Anwendungen

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Beispiel: Charakterisierung von PZT-Dickschichtbiegeaktoren

freie Auslenkung

Blockierkraft

elektrische Kapazität

elektrische Feldstärke bei der Messung 2 kV/mm=> Großsignal

Laser triangulation

Forcesensor

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Beispiel: Charakterisierung von PZT-Dickschichtbiegeaktoren

Laser

Verschiebetisch

Kraftmesser

Biegestruktur

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Beispiel: Charakterisierung von PZT-Dickschichtbiegeaktoren

Messungen:

Freie Dehnung

Blockierkraft

Dehnung unter Last

Probe:Bieger 8x16mmPZT 113µm auf LTCC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1Kraft [N]

Au

sle

nku

ng

[µ

m]

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100 120

Zeit [s]

Au

sle

nku

ng

[µ

m]

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

Kra

ft [

N]

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Piezokeramische Vielschichtaktoren

Typische Keramikschichtdicke 30 – 80 µmZahl der Keramikschichten bis 400

Mechanische ReihenschaltungElektrische Parallelschaltung

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Piezokeramische Vielschichtaktoren: Herstellungsprozess (Co-Sinter-Technologie )

PZT - Pulver

Hochenergiemahlung

Foliengießen

Siebdruck der Innenelektroden

Laminieren

Schneiden

Entbindern

Sintern

Schleifen

Metallisieren

Verdrahtung

Passivieren

Polarisieren

Charakterisieren

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Multilayer Actuator Technology Quelle PI Ceramic

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PICMA® actuators

Cross sections: 2x3, 3x3, 5x5, 7x7, 10x10 mm²

Length: 9, 13.5, 18, 36 mm

Displacement 38 µm @ 36 mm Length @ 120 V

Quelle PI Ceramic

Quelle PI Ceramic Quelle PI Ceramic

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Piezoinjektoren als Schlüsselkomponente für Diesel-Einspritzsysteme

© Deutscher Zukunftspreis, Fotos: Ansgar Pudenz

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Piezokeramische Vielschichtaktoren, Herausforderungen

2 Piezokeramikschicht

3 Innenelektrode

4 Anschluss +

5 Anschluss -

6 Weiterkontaktierung (Verdrahtung)

7 Abdeckschicht

Innenelektrode- Ag/Pd- Cu -> Kostensenkung

Piezokeramik- niedrige Sintertemperatur- Texturierung -> Performance

Kontaktierung- mechanisch bewegt -> erhöhte Zuverlässigkeit

Reaktions- und Diffusionsphänomene - Elektroden / Keramik- Prozesstechnik- Pulver

Zuverlässigkeit- 1010 Zyklen- Gleichspannungsbetrieb- Ansteuerungsfrequenz- Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchte)

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Unedle Innenelektroden

Motiv: Senkung der Materialkosten

Aktuelle Umsetzung mit Cu – Innenelektroden

Sintern bis 1000°C möglich, da die Schmelztemperatur 1040 °C beträgt

Schmales Prozessfenster, wegen der Oxidation von Cu zu CuO bei Reduktion des PbO; Pb bildet mit Cu eine Legierung und senkt die Schmelztemperatur

Kontrolle der Temperatur und der Atmosphäre (N2–H2–H2O and PbO (Vapor) erforderlich

Weitere Nebenreaktion: Lokal vorhandener Graphit oxidiert und bildet CO2 und CO wodurch der Sauerstoffpartialdruck P(O2) sinkt und die Kontrolle des Sintervorganges erschwert wird.

Maßnahmen: Entwicklung neuer Bindersysteme, komplexe Ausbrandprofile, Kontrolle des Sauerstoffpartialdrucks P(O2) sowie Einsatz oxidationsstabiler Cu-Pulver.

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Erniedrigung der Sintertemperatur – Flüssigphasensintern

Schematic diagram showing mechanisms surrounding

the piezoelectric ceramic sintering.

Die Oxidzusätze aktivieren alle Sinterphasen und bewirken eine beträchtliche Reduzierung der Verdichtungstemperatur.

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Erniedrigung der Sintertemperatur – Flüssigphasensintern

Ag 1−x –Pdx (0 ≤ x ≤ 0.3) und Cu – Innenelektroden erfordern Piezokeramiken mit niedriger Sintertemperatur (<< 1250 °C). Das kann z.B. durch Flüssigphasen erreicht werden, die durch Oxidbeimengungen entstehen.

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Die Polung der Aktoren erfolgt mit 2-3 kV/mm für eine Dauer von 1 bis 10 Minuten bei erhöhter Temperatur angelegt wird. Beim Polungsvorgang entstehen Risse in der inaktiven Zone des Bauteils.

Polungsrisse

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Zugspannung in inaktivem Bereich, Druckspannung in aktivem Bereich: Polungsrisse

Quelle: Siemens CT

Polungsrisse

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Maßnahme: PICMA® keramische Isolationsschicht

• Aufbringen einer keramischen Folie mit

definierter Dicke auf die nicht kontaktierte

Oberfläche im Grünzustand, Co-Sintern

• Diese Schicht ist durch ein elektrisches

Streufeld durchdrungen, undefinierte Risse

werden vermieden

Humidity

Anode

Cathode

Temperature

Ceramic insulation

Quelle PI Ceramic

Quelle PI Ceramic

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Potenzielle Ausfallmechanismen, Volumen (Bulk)

Piezokeramik feldgetriebene VerformungGradient 2000 V/mm

Inenelektrode passiv

Migration entlang der Korngrenzen,z.B. Silber

Delaminationsriss am Interface aktiv - passivIntergranularer Riss,

Scherung infolge E-Feldgradient

Durchschlagsfeldstärke 1,3 V / µm überschitten Elektrischer Durchschlag

Effektkopplung:

elektrisch-mechanisch-thermisch-elektrochemisch

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Ausfallcharakteristik

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Sensorik

Gleichungen

Messkette

Beispiel: Kraftsensoren auf Basis von PZT-Dickschichten

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Gleichungen, Messgrößen

Ausgangsgleichungen:

Elektrischer Kurzschluss (el. Spannung: Null E-Feld: Null):

elektrische Verschiebungsflussdichte (Ladung):

kraftgetrieben:

dehnungsgetrieben:

Leerlauf (Ladung/Strom: Null elektrische Flussdichte: Null)

Elektrisches Feld (el. Spannung):

kraftgetrieben:

dehnungsgetrieben:

EdTsS E ETdD T

TdD

SS

dD

E

TgTd

E T

T

Ss

gS

s

dS

ds

dE

D

T

TDTE

2

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Messkette „Mechanik“

Messkette piezoelektrischer Sensoren

Translatorisch

Rotatorisch

Akustisch

Kraft F

(Dreh- / Biege- / Torsion-) Moment M

Beschleunigung a

Weg/Auslenkung ξ

Winkelbeschleunigung α

Drehwinkel

(Schall-) Druck

Schallgeschwindigkeit

Quelle: http://paxmundi.de

Reale Messgrößen

Messgrößenum-former, Hilfskonstruktionen

v

F

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Messkette „Piezoelement“ und „Elektronik“

Messkette piezoelektrischer Sensoren

v

F

u

i

Piezoelektrisches Element Sensor

PiezoMechanik Elektronik

Da

ten

ve

rarb

eit

un

g

Auswerte-elektronik

iY

v

uYF

1

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Beispiel: Kraftsensoren auf Basis von PZT Dickschichten auf Al2O3 - Zylindern

Probe 049-10 (hart)

y = -0.762Ln(x) + 83.884

R2 = 0.8648

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

0.1 1 10 100

Frequenz [Hz]

La

du

ng

Q [

nC

]79

80

81

82

83

84

85

86

87

88

La

du

ng

sk

on

sta

nte

d [

pC

/N]

Ladung Q [nC]

Ladungskonstante d

[pC/N]

Logarithmisch

(Ladungskonstante d

[pC/N])

Als Lösungsansatz für eine Sensorentwicklung prinzipielle geeignet

Langsame Vorgänge werden höher bewertet

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Adaptronik

Was versteht man unter Adaptronik ?

Das intelligente System (smart system)

Aktuelle technologische Entwicklungen

Ausblick

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Inspiration aus der Natur

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Smart Materials and StructuresBob Newnham‘s analysis

“ Smart materials form part of a structural system, that has the capability to sense its environment and respond to that stimulus via an active control mechanism.”

B. Newnham

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Motivation die Strukturen zum Leben erwecken und am Leben erhalten

Intelligenter Eingriff in die Strukturdynamik

Vibrationskontrolle

Geräuschminderung

Formkontrolle

Sicherheit durch Structural HealthMonitoring (SHM)

Marktrelevanz

Erhöhte Sicherheit

Gewichtsreduktion

Reduzierte Emission

Reduzierter Energieverbrauch

Bessere Materialausnutzung

Reduzierte Betriebskosten

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Smarte Strukturen und Mikrosystemtechnologie

Modul

Sensor

kalorisches Element

Steuerelektronik

Leistungselektronik

Energieversorgung

Mechanische Struktur

Elektronik-struktur

Kommunikation

Komponenten

Biologische Struktur

Aktor

Intelligentes Mikrosystem

Steuerung

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Smarte Strukturen –Schlüsselwerkstoffe und Werkstoffvielfalt

Sensor Steuerelektronik

Leistungselektronik

Energieversorgung

Mechanische Struktur

Elektronik-struktur

Kommunikation

Komponenten

Biologische Struktur

Aktor Steuerung

kalorisches Element

Aktive Werkstoffe Packagingmaterialienz.B. LTCC

Werkstoffe der Mikroelektronik

Intelligentes Mikrosystem

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Aktive Werkstoffe / smart materials

Funktionskeramik FGL DEA

Ba

sis-

fun

kti

on

en Dielektrizität Elektrostatisch

induzierte Formänderung

Piezoelektrizität

Ferroelektrizität

Pyroelektrizität

Ph

ase

nü

be

rga

ng

s-

fun

kti

on

en

Dielektrische Anomalie

thermisch ind. Formänderung

Elektrokalorischer Effekt

magnetisch ind. Formänderung

„Superelastizität“

Aktive Werkstoffe

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Technologieansatz - Vernetzung von Struktur–Sensor–Aktor –

Ansteuerelektronik und Signalverarbeitung

Elementareinheit

Die Vernetzung des

Informationsflusses kann

z.B. über Funkkopplung

erfolgen.

Struktur:

Poymer

Metall

Keramik

Störung

Reaktion

Elektronik und Signalverarbeitung - Funktionswerkstoffe - Strukturwerkstoffe

Kontroll-

system

Energie-

quelle

Leistungs-

verstärker

Sensor

AktorElektro-

mechanisch

mechanisch

elektrisch

Schnittstelle intern

Schnittstelle intern

Schnittstelle extern

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Erste Serienanwendungen im Bereich der Sportgeräte

HEAD PRESENTS at ISMA| HERFRIED LAMMER | 28.09.2005

Sales figures since introduction.

Tennis racket (2000) 80.000

Ski (2002) 45.000 pairs

Snowboard (2003) 2.000 pieces

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Tennisschläger von Head Sport AG mit Energierückspeisung zur Schwingungsdämpfung

Das aktive Teilsystem besteht aus

Piezo-Kompositwandlern und einer

elektronischen Stufe zur Aufladung

des Speicherkondensators (s. unten).

Dieser kann die Piezoelemente als

Aktor treiben.

Continum Control Corp.

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Key question: How can we marry piezoceramics with structural components in a series manufacturing process ?

piezoceramic wafer Aircraft panel Space frame , car

oil sump, carinterior, car

piezocompositeMFC

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PZT transducer elements

Ceramic Thick film on substrate

Polymer packages

Ceramic packages

PZT wafer

PZT free form elementsby spinning

PZT thick film on Si

PZT thick film on LTCC

PZT thick film on Alumina

LTCC / PZT multilayer

DurACT

Thermoplastic module

Macro Fiber Composite

Acoustic microsystem(LTCC)

PZT fiber

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PZT transducer integration

Direct integration : piezo transducer + electrode => structure

Weaving / embroidering into glass fiber fabrics

Multi-Fibre-Injection (MFI) technology

Indirect integration : piezo transducer + electrode => module or micro system =>

structure

Metal sheet forming

Thermoforming of thermoplastic sheets

Metal die-casting

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Integration of PZT fibers into glass fiber fabricsweaving and embroidering technology

ring electrode

fiber capacitor

fiber electrode PZT fiber

PZT fiber

electrode yarnembroidery thread

Sample after consolidation

Idea: A. Giebe, Diploma TU Dresden / Fraunhofer IKTS, 30.06.2017

PZT part of the weft thread

Cu wire part of the warp thread

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Integration of PZT fibers into glass fiber fabrics –functional test

Glass fiberreinforced matrix

Glass fiberreinforced matrix

Measured voltage generated by the PZT fiber groups 1 - 2

Idea : A. Giebe, Diploma at TU Dresden, 30.06.2017

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PZT transducer integration

Direct integration : piezo transducer + electrode => structure

Weaving / embroidering into glass fiber fabrics

Multi-Fibre-Injection (MFI) technology

Indirect integration : piezo transducer + electrode => module or micro system =>

structure

Metal sheet forming

Thermoforming of thermoplastic sheets

Metal die-casting

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Integration of LTCC / PZT module into die-casted Al plates*

LTCC

PZT

Al

• Tmelt ≈ 700 °C

• filling time < 50 ms

• pressure < 1000 bar

*Robert F. Singer, C. Körner et. Al, University of Erlangen-Nuremberg

17

0 m

m

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Integration of LTCC / PZT module into die-casted Al plates*

compressive stress

temperature T

electric field

Al structure

piezoceramic

CRT of the Al plate (left) showing the LTCC/PZT module, the termination and wiringCross section (right) of the sample with indication of stress distribution

*Robert F. Singer, C. Körner et. Al, University of Erlangen-NurembergA. Michaelis, S. Gebhardt, M. Flössel, TU Dresden , IFWW

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Application of LTCC / PZT module – SHM of structures

first prototype

Acoustic transducer for guided waves generation and detection

Second generation

M. Flössel, U. Lieske, T. Klesse, S. GebhardtCeramic Based Structural Health Monitoring (SHM) Modules for Rough Environment, Actuator 2012

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Application of LTCC / PZT module – SHM of structures

Simulation model of AML transducer setup

Aluminum plate

Adhesive

LTCC

PZT-Disc

x

z

100 µm

600 µm

20 mm

540 µm

2 mm

M. Flössel, U. Lieske, T. Klesse, S. GebhardtCeramic Based Structural Health Monitoring (SHM) Modules for Rough Environment, Actuator 2012

Measured wave front on AL plate

30 µs

40 µs

50 µs

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Themenschwerpunkte “Dielektrische Funktionskeramiken”

Dielektrika allgemein, Kondensatorwerkstoffe

Dielektrika im elektrischen Feld

Kondensatoren in der Bauteil- und Werkstoffentwicklung

Werkstoffbasis (Klassifizierung, Typen, Systeme, Kenngrößen)

mikroskopische Erklärung für Werkstoffverhalten einschließlich Temperaturverhalten

Polarisationserscheinungen

Polarisationsmechanismen in Dielektrika

Piezoeffekt (Phänomen, Beschreibung, Kenngrößen)

kristallographische Erklärung für die Polarisationserscheingungen

elektrische/mechanische/elektromechanische Antwort ferroelektrischer Keramiken

Piezomaterialien

typische Vertreter

Kristallstruktur und Gefüge, Auswirkung auf makroskopische Eigenschaften

Materialoptimierung

Komposite

Anwendungen

Resonatoren

intelligente Systeme

Piezoaktor/-sensor

Multilayertechnologie