Sonderdruck, PiezoStar Kristalle...Kristalleigenschaften Die PiezoStar-Kristalle gehören zur...
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Sonderdruck 920-240d-07.03 PiezoStar ® Kristalle Eine neue Dimension in der Sensortechnik Dr. Claudio Cavalloni, Dr. Roland Sommer, Kistler Instrumente AG, Winterthur
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Sonderdruck920-240d-07.03
PiezoStar®
Kristalle
Eine neue Dimensionin der Sensortechnik
Dr. Claudio Cavalloni,Dr. Roland Sommer,Kistler Instrumente AG,Winterthur
PiezoStar®-Kristalle
Eine neue Dimension in der Sensortechnik
Seit über 40 Jahren entwickelt und produziert Kistler piezoelektrische Sensorenfür die Messung von Druck, Kraft und Beschleunigung, auch für den Einsatz unterextremen Bedingungen. Neben Quarz werden heute vermehrt neue Kristalle fürdie Sensorelemente eingesetzt.
Steigende Anforderungen an dieEmpfindlichkeit, als Resultat der zuneh-menden Miniaturisierung, sowie höhereEinsatztemperaturen erforderten neueKristallverbindungen. In über 10 jährigerForschungsarbeit, in Kooperation mitHochschulen und Instituten auf derganzen Welt, wurden neue Kristallver-bindungen untersucht und die Züch-tungsprozesse entwickelt, mit demErgebnis, dass nun eine ganze Familievon Kristallen mit herausragendenEigenschaften für piezoelektrischeSensoren zur Verfügung steht. Seit 1998werden diese Kristalle bis zu 65 mm
Durchmesser und 2,5 kg Gewicht bei Kistler gezüchtet und zu Sensor-elementen verarbeitet. Damit entstandeine neue Gruppe von Druck-, Kraft-und Beschleunigungs-Sensoren mitüberlegenen Eigenschaften.Kistler optimierte die PiezoStar-Kristall-elemente für den Einsatz in Sensoren fürhohe Anforderungen und baut damitden technologischen Vorsprung in derSensortechnik aus. Zur Zeit werden ausder PiezoStar-Gruppe die Kristalle KI85und KI91 in Sensoren eingesetzt.
Meilensteine PiezoStar-Kristalle1995 Erster Miniatur Drucksensor (20
pC/bar) mit einem KI85 Kristall1995 Erster Hochtemperatur-Kraftsen-
sor mit KI85 Kristall1998 Erster KI85 Kristall bei Kistler
gezüchtet1999 Erster Miniatur Drucksensor
(temperaturkompensiert) miteinem KI91 Kristall
2002 Erster KI91 Kristall bei Kistlergezüchtet
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Einkristall
Messelement
Hochtemperatur-Drucksensor
PiezoStar
20 pC/bar
400 °C
Einige der herausragenden Eigenschaf-ten der PiezoStar-Kristalle von Kistlersind:• Hohe piezoelektrische Empfindlich-
keit (bis 5x höher als Quarz)• Geringe Temperaturabhängigkeit• Hohe Stabilität der Eigenschaften• Einsatztemperatur bis über 600 °C• Keine Phasenumwandlung bis zum
Schmelzpunkt (oberhalb 1300 °C)• Keine Zwillingsbildung• Reproduzierbarer Züchtungsprozess
im industriellen Massstab• Erprobt und bewährt eingesetzt in
hochwertigen piezoelektrischen Sen-soren
Piezoelektrische Eigenschaften
Piezoelektrische Empfindlichkeit ver-schiedener Hochtemperatur-Kristalle.KI85 und KI91 sind Kristalle aus derPiezoStar-Gruppe.
Empfindlichkeitsabweichung in Funktionder Temperatur verschiedener Kristalle
ProdukteBeispiele von bewährten Sensoren mitPiezoStar-Kristallelementen sind:
Miniatur M5-Hochtemperatur-Druck-sensoren Typ 6052B und DrucksondenTyp 6055/6057 für den Einsatz inVerbrennungsmotoren
Messzündkerze M14 Typ 6117B undM12 Typ 6115A für den Einsatz inVerbrennungsmotoren
3-Komponenten-Kraftsensoren mithoher Empfindlichkeit (11 pC/N) Typ9017A/9018A im ForceLink Typ9317A/9318A
Miniatur 5 mm HighSens-KraftsensorTyp 9215 mit hoher Empfindlichkeit(100 pC/N)
HighSens-Dehnungssensor Typ 9232Aund Dehnungstransmitter Typ 9234A
Miniatur 3-Komponenten-Dynamome-ter MiniDyn Typ 9256A für Mikrobear-beitung
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KI85 KI91 Quarz Turmalin GaPO40
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PiezoStar KI85 PiezoStar KI91 Quarz Polystable Turmalin GaPO
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KI85 KI91 Quarz Turmalin GaPO4
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Temperatur [°C]
PiezoStar KI85PiezoStar KI91Quarz PolystableTurmalinGaPO4
KristalleigenschaftenDie PiezoStar-Kristalle gehören zurFamilie der Kalzium-Gallogermanate,Quarz-ähnliche Verbindungen wie zum Beispiel Langasit (La3Ga5SiO14).Der erste Kristall dieser Familie,Ca3Ga2Ge4O14, wurde bereits 1979 ander Universität Moskau entdeckt.Mittlerweile sind über 100 verschiedeneVerbindungen aus dieser Familie ge-züchtet und ein Teil davon auch piezo-elektrisch charakterisiert worden. DieseKristalle gehören zu gleichen kristallo-graphischen Symmetrieklasse 32 wieQuarz. Daher sind auch ähnlicheKristallschnitte (Longitudinal-, Transver-sal- und Schubschnitt) möglich. ImGegensatz zu Quarz oder Gallium-orthophosphat besitzen die Kristalle ausder Langasit-Familie keinen Phasenum-wandlungspunkt unterhalb des Schmelz-punktes. Dies erklärt die ausgezeichneteStabilität dieser Kristalle bis zu extremenTemperaturen.
Literatur: B.V. Mill and Yu.V. Pisarevsky,Proc. IEEE International FrequencyControl Symposium, 2000, p.133-144.
Die Anwendungen dieser Kristalle fin-den sich neben der Sensortechnik vorallem bei Resonatoren und Oberflä-chenwellen-Bauelementen für Oszilla-toren, Frequenzfilter und Verzöge-rungsleitungen für Mobilkommuni-kation und Fernsehgeräte.
Vorteile von PiezoStar-KristallenEinfach und wirtschaftlich züchtbar,gute Ausbeute, gute Stabilität, hoheEmpfindlichkeit, keine Zwillingsbildung,keine Phasenumwandlung unterhalbdes Schmelzpunktes, einsetzbar beihöchsten Temperaturen, kein Pyro-effekt
NachteileBelastbarkeit geringer als Quarz, höhe-re Kosten als Quarz.
Nachteile TurmalinNur natürliche Kristalle erhältlich (unter-schiedliche Qualität, Beschaffung nichtgesichert), geringe Empfindlichkeit.
Nachteile GaPO4Sehr aufwendig zu züchten, nur kleineKristalle erhältlich, kleine Ausbeute,Zwillingsbildung, Phasenumwandlungbei 970 °C.
Nachteile QuarzKleine Empfindlichkeit, Zwillingsbil-dung, Phasenumwandlung bei 573 °C.
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Besonderheit Pyroeffekt Tmax* Herstellung
Prozess Menge KostenQuarz mechanisch hoch belastbar nein 573 °C hydrothermal gross tiefKI85 hoch empfindlich nein Tm Czochralsky mittel hochKI91 geringer nein Tm Czochralsky mittel hoch
TemperaturkoeffizientGaPO4 geringer nein 970 °C hydrothermal klein hoch
TemperaturkoeffizientTurmalin hohe ja >900 °C natürlich klein hoch
TemperaturbeständigkeitPiezokeramik hoch empfindlich ja 250 °C Sintern gross tief(PZT)
* Phasenumwandlungstemperatur. Tm = keine Umwandlung unterhalb des Schmelzpunkts
Vergleich verschiedener piezoelektrischer Materialien
KI85 Kristall, Ø 55 mm, 1,8 kg
Das Czochralsky-Züchtungsverfahren(oder Züchtung aus der Schmelze)
Kistler verwendet dieses seit 1917bekannte Züchtungsverfahren, mit demin relativ kurzer Zeit grosse Kristalleguter Qualität gezüchtet werden kön-nen (zum Beispiel wird unser KI85-Kristall, Ø 55 mm, 1,8 kg, innerhalbeiner Woche gezüchtet). Die einzelnenKomponenten (meistens Oxidpulver)werden in einem Tiegel gemischt undbis zum Schmelzpunkt aufgeheizt(Induktivheizung). Die Temperaturbeträgt etwa 1400 bis 1500 °C, wasden Einsatz von Tiegeln aus Edelmetall(Platin oder Iridium) erfordert. Vonoben wird ein Keim (Stück Kristall glei-cher Verbindung) in die Schmelze ein-getaucht. Hier ist es sehr wichtig, dieTemperatur der Schmelze sehr genau zukontrollieren. Ist die Schmelze zu warm,schmilzt der Keim ab. Ist sie zu kalt,besteht die Gefahr, dass die Schmelzeauf Grund des Eintauchens des Keimsrasch erstarrt. Sobald das Kristallwachs-tum begonnen hat, wird der Keim lang-sam hochgezogen (etwa 1 mm/h). DieGrösse (Durchmesser) des Kristalls wirdüber die Heizleistung und die Ziehge-schwindigkeit automatisch gesteuert.
Auf dem Papier sieht es relativ einfachaus, aber in der Realität spielen sichkomplexe chaotische Phänomene in 3 Dimensionen ab. Insbesondere mussdie Temperatur sehr genau kontrolliertwerden. Wächst der Kristall zu schnell,besteht die Gefahr, dass sich Risse oderStörungen in der Kristallstruktur bilden.Deswegen ist neben einer sehr genauenRegelung der Heizleistung die Erfah-rung des Operators äusserst wichtig,um einen störungsfreien Kristall zuzüchten.
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Schematischer Aufbau des Czochralsky-
Verfahrens
KI91 Kristall Ø 65 mm, 2,5 kg
Kristallzüchtungsanlage nach Czochralski-Verfahren (Bild Kistler)
Nachheizer
Keim
Keramik-Isolator
Schmelze
Kristall
Spule
Tiegel
Dänemark/Finnland/Norwegen/SchwedenKistler Nordic ABAminogatan 34SE-431 53 MölndalTel. (+46) 31 871 566Fax (+46) 31 871 [email protected]
ItalienKistler Italia s.r.l.Via Paolo Uccello, 4IT-20148 MilanoTel. (+39) 02 481 27 51Fax (+39) 02 481 28 [email protected]
Schweiz/LiechtensteinKistler Instrumente AG Verkauf SchweizPostfach, Eulachstr. 22CH-8408 WinterthurTel. (+41) 52 224 12 32Fax (+41) 52 224 14 [email protected]
Volksrepublik ChinaKistler China Ltd.Unit D, 24 / F Seabright Plaza9–23 Shell StreetNorth Point, Hong KongTel. (+852) 25 91 59 30Fax (+852) 25 91 18 [email protected]
Representative Office BeijingTel. (+86) 10 8225 2163Fax (+86) 10 8225 [email protected]
SingapurKistler Instruments (Pte) Ltd.50 Bukit Batok Street 23#04-06 Midview BuildingSingapore 659578Tel. (+65) 631 67331Fax (+65) 631 [email protected]
Europa
DeutschlandKistler Instrumente GmbHPostfach 1262DE-73748 OstfildernTel. (+49) 7 11 34 07 0 Fax (+49) 7 11 34 07 [email protected]
GrossbritannienKistler Instruments Ltd.Alresford House, Mill LaneAlton, Hampshire GU34 2QJ, UKTel. (+44) 1420 54 44 77Fax (+44) 1420 54 44 [email protected]
ÖsterreichKistler GmbHLemböckgasse 49fAT-1230 WienTel. (+43) 1 867 48 67 0Fax (+43) 1 867 48 67 [email protected]
Asien
JapanKistler Japan Co., Ltd.MT Building7-5, Shibadaimon 2-chomeMinato-ku, Tokyo 105Tel. (+81) 3 35 78 02 71Fax (+81) 3 35 78 02 [email protected]
Republik KoreaKistler Korea Co., Ltd.3rd Floor, Bow Building1580-1, Seocho-3 dong, Seocho-ku, Seoul, Korea 137-875Tel. (+82) 2 597 6013Fax (+82) 2 525 [email protected]
FrankreichKistler SAZA de Courtabœuf 115, avenue du HoggarFR-91953 Les Ulis cédexTel. (+33) 1 69 18 81 81Fax (+33) 1 69 18 81 [email protected]
NiederlandeKistler B.V. NederlandNewtonlaan 115NL-3584 BH, UtrechtTel. (+31) 30 210 63 67 Fax (+31) 30 210 66 [email protected]
Amerika
USA / KanadaKistler Instrument Corp.75 John Glenn DriveAmherst, NY 14228-2171Tel. (+1) 716 691 5100Fax (+1) 716 691 [email protected]
Andere Länder
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