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Übersicht

Hochzuverlässige Multilayer-Piezoaktoren

PI Ceramic Multilayeraktoren, kurz PICMA®, sind Piezoaktoren, deren aktive Schichten aus dünnen keramischen Folien bestehen. Dadurch benötigen sie nur geringe Ansteuerspannungen in der Größenordnung von 100 V (Abb. 1).

  • Vollkeramische Isolierung
    hohe Zuverlässigkeit und überlegene Lebensdauer
  • Niedrige Betriebsspannung
    <150 V
  • Hohe Dynamik
    Ansprechzeiten im Bereich weniger µs
  • Hohe Krafterzeugung
  • Minimale Leistungsaufnahme
    beim Halten der Position
PI PICMA Stack Chip Bender Collection
Abb. 1: PICMA® Aktoren in verschiedenen Bauformen

Bei PICMA® Piezoaktoren ist die aktive Piezokeramik von einer vollständig keramischen Isolierschicht umgeben, die die Aktoren vor Luftfeuchtigkeit und gegen Ausfälle durch erhöhten Leckstrom schützt. Der monolithische Piezokeramikblock eines PICMA® Aktors erreicht selbst unter extremen Umgebungsbedingungen eine besonders hohe Zuverlässigkeit und erhöht auf diese Weise die Lebensdauer um mehrere Größenordnungen.

Dank dieser anorganischen, keramischen Schutzschicht sind PICMA® Multilayeraktoren den konventionellen polymerisolierten Aktoren nachweislich weit überlegen. PICMA® Multilayer-Piezoaktoren gibt es in verschiedenen Ausführungen mit unterschiedlichen >> Auslenkungsarten.

  •  Großer Temperaturbereich
    Die besonders hohe Curietemperatur von 320 °C ermöglicht einen nutzbaren Temperaturbereich von bis zu 150 °C, weit jenseits der 80 -°C - Grenze, die für konventionelle Multilayeraktoren gilt. PICMA® Piezoaktoren arbeiten, bei reduziertem Stellweg, sogar im kryogenen Temperaturbereich.
  • Optimale UHV-Kompatibilität
    Durch die ausschließliche Verwendung anorganischer Materialien, z. B. für die Isolierung und den elektrischen Kontakt, ergeben sich optimale Voraussetzungen für den Einsatz im Ultrahochvakuum: kein Ausgasen und hohe Ausheiztemperaturen.
  • Neutral in Magnetfeldern
    Durch den Aufbau aus ausnahmslos nicht-ferromagnetischen Materialien besitzen die Aktoren einen extrem geringen Restmagnetismus im Bereich weniger Nanotesla.
Patentiertes Design

Patentiertes Design für hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer

Die inneren Elektroden und die Piezokeramik werden gemeinsam gesintert (Cofiring-Technologie), wodurch ein monolithischer Piezokeramikblock entsteht. Die anorganische, keramische Isolierschicht verhindert das Eindringen von Wassermolekülen und erhöht auf diese Weise die Lebensdauer um mehrere Größenordnungen im Vergleich zu Multilayeraktoren mit rein polymerer Umhüllung (Abb. 2). Gleichzeitig werden die empfindlichen Innenelektroden zuverlässig vor mechanischen Beschädigungen und Verschmutzungen geschützt.

Reduzierung der mechanischen Spannung

Seitliche Schlitze ("Slots") an den PICMA® Aktoren verhindern wirksam die Überhöhung der mechanischen Zugspannungen in den passiven Bereichen des Stapels und die Ausbildung unkontrollierter Dehnungsrisse, die zu elektrischen Durchschlägen und damit Schäden am Aktor führen könnten (Abb. 3).

Der mäanderförmige Aufbau der äußeren Kontaktstreifen sichert den stabilen elektrischen Kontakt aller Innenelektroden selbst bei extremen dynamischen Belastungen (Abb. 4).

PI PICMA Actuators External Electrodes2 01
Abb. 4: PICMA® Aktoren mit patentierten Außenelektroden für bis zu 20 A Ladestrom.

Im technologischen Umfeld der Multilayer-Piezoaktoren (PICMA®) hält PI folgende Patente oder Patentanmeldungen:

  • DE10021919C2
  • DE10234787C1
  • ZL03813218.4
  • EP1512183A2
  • JP4667863
  • US7449077B2
Vollkeramische Isolierung Piezoaktor
 Abb. 2: PICMA® Multilayer-Piezoaktor Design mit vollkeramischer Isolierung.
Piezoaktordesign mit definierten Slots
Abb. 3: Deutlich sichtbar ist das patentierte PICMA® Aktordesign mit definierten Slots.
Herstellung

Herstellung von Multilayer-Piezoaktoren

Lebensdauer (DC)

Lebensdauer bei Gleichspannungsbelastung (DC)

In Nanopositionieranwendungen liegen am Piezoaktor häufig konstante Spannungen über längere Zeit an. In diesem quasistatischen Gleichspannungs- (DC-) Betriebsmodus wird die Lebensdauer vor allem durch die Luftfeuchtigkeit beeinflusst. Bei sehr hohen Feuchte- und Spannungswerten kommt es zu elektrochemischen Reaktionen, die Wasserstoffmoleküle freisetzen, welche anschließend den Keramikverbund durch Versprödung zerstören.

In aufwändigen Untersuchungen wurde für die PICMA® Stack Aktoren ein Modell zur Berechnung der Lebensdauer entwickelt. Unter konkreten Anwendungsbedingungen müssen folgende Faktoren berücksichtigt werden: die Umgebungstemperatur, die relative Luftfeuchte und die Höhe der angelegten Spannung.

Die einfache Formel erlaubt die schnelle Abschätzung der mittleren Lebensdauer in Stunden. Die Lebensdauer-Faktoren AX können aus dem Diagramm in Abb. 5 abgelesen werden.

Formel zur Berechnung der Lebensdauer der Piezoaktoren

Mit sinkenden Spannungswerten steigt die Lebensdauer exponentiell an. Beispielsweise ist die zu erwartende Lebensdauer bei 80 V(DC) zehnmal so hoch wie bei 100 V(DC).

Mit dieser Berechnung kann eine neue Applikation bereits in der Designphase bezüglich ihrer Lebensdauer optimiert werden. Das Absenken der Ansteuerspannung, die Kontrolle von Temperatur und Luftfeuchtigkeit mittels Spülluft oder die Einkapselung des Aktors spielen hier eine große Rolle.




 
AU Lebensdauer-Faktor für die DC-Ansteuerspannung
AT Lebensdauer-Faktor für die Umgebungstemperatur
AF Lebensdauer-Faktor für die relevante Luftfeuchte
PI PICMA Stack Lifetime
Abb. 5: Diagramm zur Berechnung der Lebensdauer von PICMA® Stack Aktoren bei Gleichspannungsbelastung

Für einen Dauerbetrieb bei 100 VDC mit 75 % Luftfeuchtigkeit (RH) und einer Umgebungstemperatur von 45 °C kann man folgende Werte für die Lebensdauer-Faktoren aus dem Diagramm ablesen:

  • AU = 75 (schwarze Kurve)
  • AT = 100 (rote Kurve)
  • AF = 14 (blaue Kurve)

Das Produkt ergibt eine mittlere Lebensdauer von 105.000 h, also über 11 Jahren.

Beschleunigte Lebensdauerprüfung unter quasistatischen Bedingungen

PI Diagram PICMA Lifetime 01
Abb. 6: Ergebnisse eines beschleunigten Lebensdauertests mit erhöhter Luftfeuchtigkeit (Testbedingungen: PICMA® Stack und polymerumhüllte Aktoren, Abmessungen: 5 × 5 × 18 mm³, 100 V DC, 22 °C, 90 % RH)

Die hohe Zuverlässigkeit macht es praktisch unmöglich, die Lebensdauer von PICMA® Aktoren bei realen Anwendungsbedingungen experimentell zu ermitteln.

Zur Abschätzung der Lebensdauer dienen daher Prüfungen unter extremen Belastungsbedingungen: erhöhte relative Luftfeuchtigkeit bei gleichzeitig hohen Umgebungstemperaturen und Ansteuerspannungen (Abb. 6).

Leckstrom

PI PICMA Relative Leakage Current
Abb. 7: Relativer Leckstrom von PICMA® Piezoaktoren (Kurve unten, rot) im Vergleich mit polymerummantelten Multilayer-Piezoaktoren (Testbedingungen: 100 VDC, 25 °C, 70 % RH)

Messungen zum Leckstrom belegen eindrücklich, wie wirksam der monolithische Aufbau der PICMA® Aktoren das Eindringen von Feuchtigkeit unterdrückt (Abb. 7).

Der hohe Isolationswiderstand der PICMA® Aktoren bleibt über mehrere Zeitdekaden stabil, während herkömmliche, polymerumhüllte Aktoren bereits nach wenigen Stunden einen deutlich erhöhten Leckstrom zeigen.

Lebensdauer (AC)

Lebensdauer im dynamischen Dauerbetrieb (AC)

Zyklische Beanspruchung mit einem schnellen Wechselfeld und hohen Ansteuerspannungen (typisch >50 Hz; >50 V) tritt häufig bei Anwendungen wie >> Ventilen oder >> Pumpen auf. Piezoaktoren können unter diesen Bedingungen extrem hohe Lastwechselzahlen erreichen.

Die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Lebensdauer der Piezoaktoren sind dabei die elektrische Spannung und die Signalform. Die Luftfeuchtigkeit ist kaum relevant, weil diese lokal durch die Eigenerwärmung der Piezokeramik reduziert wird.

PI P-855 Diagramm
Abb. 8: Dynamischer Auslenkungstest an P-885.50 PICMA® Piezoaktoren

PICMA® Aktoren im Dauertest
Nach mehreren Milliarden Zyklen sind keine Verschleißerscheinungen in der Performance zu erkennen.

Testbedingungen
>4,0 × 109 Zyklen;
116 Hz Sinusansteuerung mit 1,0 × 10Zyklen pro Tag;
15 MPa Vorspannung

Industrietauglich

Prüfungen mit besonders hoher Ansteuerfrequenz belegen die Robustheit der PICMA® Piezoaktoren. Vorgespannte PICMA® Aktoren der Größe 5 mm × 5 mm × 36 mm wurden dazu bei Raumtemperatur und Druckluftkühlung mit einem Sinussignal von 120 V unipolarer Spannung bei 1157 Hz belastet, was 108 Zyklen täglich entspricht. Auch nach über 1010 Arbeitszyklen gab es keinen einzigen Ausfall und die Aktoren zeigten keine signifikanten Auslenkungsänderungen.

Weltraumtauglich

Performance- und Lebensdaueruntersuchungen der NASA ergaben, dass PICMA® Multilayer-Piezoaktoren nach 100 Milliarden (1011) Zyklen noch 96 % ihrer ursprünglichen Auslenkung erreichten. Aus einer Reihe verschiedener Aktoren wurden sie daher für die Verwendung in der Marssonde "Curiosity" ausgewählt.

               >> PI Ceramic liefert Piezoaktoren für Mars Rover Curiosity

NASA JPL Curiosity 01
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Technologie PICMA® Piezoaktoren
Hochzuverlässige Multilayertechnologie
Pdf 457 K TEC02D
Handhabung von PI Piezoaktoren
Sicherheitsanweisungen für Piezoaktoren von PI
Pdf 66 K