B.6 Funktionskeramiken für schichtförmige Wandler

Stipendiat/in: Anna Medesi

 Keramiken mit Perowskitstruktur sind in Form von PZT (Pb(Zr1-x Tix)O3, x≈0,5) für die elektromechanische Energiewandlung bei EH-Anwendungen (Projekt A.4) von großer Bedeutung. Bei der Herstellung von Multilagen-Biegewandlern auf PZT-Basis (Fig. 1) bestehen bisher jedoch folgende Schwierigkeiten. Zum einen ist das Verbinden einzelner metallisierter PZT-Lagen auf eine adhäsive Befestigung beschränkt, die den elektrischen Kontakt zwischen den Elektroden beeinträchtigt, und zum anderen lassen sich die inneren Elektroden eines mehrlagigen Biegeaktors nur über die Elektrodenränder kontaktieren.
Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Verfahrensentwicklung zur Herstellung von Vibrationsbiegewandlern aus PZT-Dickschicht-folien (50-200 µm), deren Materialkomposition die Sinterung der Grünfolie zusammen mit der Metallisierung (Au) erlaubt.    Auf diese Weise kann eine gleichzeitige Sinterung mehrerer gestapelter und bereits metallisierter PZT-Folien mit definierter Geometrie und direkter Kontaktierung der inneren Elektroden sichergestellt werden. Das erleichtert nicht nur die Integration piezoelektrischer Wandler, sondern verbessert auch ihre Leistungsfähigkeit. Dazu ist es notwendig, die Sintertemperatur zu reduzieren, um Reaktionen zwischen der Keramik und dem Metall zu unterbinden. Die dazu notwendige Gefügesteuerung erfolgt mittels optimierter Partikelgrößenverteilung und Additivkontrolle über ein pulvertechnologisches Verfahren. Der Formgebungsprozess findet unter Berücksichtigung der komplexen Gießschlicker-Rheologie in einer Foliengießanlage statt. Die Herausforderung liegt hierbei in der Korrelation der verschiedenen Prozess- und Materialparameter, die sowohl die spezifischen Eigenschaften der Folie , als auch die des Endproduktes bestimmen, und deren Parameterraum groß ist.
 

 Fig.1: Querschnitt durch einen 3-lagigen piezokeramischen Biegewandler zur Demonstration des elektromechanischen Funktionsprinzips.
Quelle: C. Eichhorn et al., J. Micromech. Microeng. 21 (2011) 104003.