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Industrielle Automation 3/2019

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Industrielle Automation 3/2019

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK Wahre Tausendsassa Miniaturisierte Piezokeramiken und ihre Anwendungen Piezoelektrische Komponenten sind extrem vielseitig. Sie lassen sich für die unterschiedlichsten Anwendungen im Sensorikbereich nutzen und durch ihre winzigen Abmessungen und verschiedensten Formen hervorragend integrieren. Die Einsatzbereiche von Piezokeramiken in Aktorik und Sensorik sind breit gefächert und ziehen sich durch viele unterschiedliche Branchen, denn sie erreichen hohe Dynamik mit Frequenzen bis zu mehreren Tausend Hertz und können so z. B. Ultraschallschwingungen in Gasen oder Flüssigkeiten erzeugen. Es gibt keine mechanischen Komponenten, die die Auflösung durch Reibung begrenzen würden, und auch keinen mechanischen Verschleiß, da die Bewegung auf kristallinen Festkörpereffekten beruht. In Halbleiter- oder Siliziumphotonik-Anwendungen beispielsweise können so adaptive Feinjustierungen von miniaturisierten optischen Elementen vorgenommen werden, also von Linsen oder Austrittsflächen von Glasfasern sowie von Spiegeln. Ebenso entstehen miniaturisierte Aktoren und Sensoren für die Nanodosierung und -fluidik oder präzise, miniaturisierte Abstandsmessungen. Da sie sehr Annemarie Österle, PI Ceramic, Lederhose; M.A. Ellen-Christine Reiff,Redaktionsbüro Stutensee kompakt sind, also bei kleinem Bauraum hohe Effizienz bieten, können auch Antriebe für mobile Geräte oder die Lab-on-a-Chip-Technik realisiert werden. Verschiedenste Formen So unterschiedlich wie die Anwendungen sind allerdings auch die Anforderungen, die die piezokeramischen Sensor- oder Aktorelemente erfüllen müssen. PI Cera - mic bietet piezoelektrische Komponenten deshalb in ganz unterschiedlichen Ausführungen, verschiedenen, auch bleifreien, Piezomaterialien und in vielen Geometrien an, wie Scheiben, Platten, Rohre, Quader oder in nahezu beliebigen Sonderformen und OEM-Anpassungen. Die unterschiedlichen Formen können mit Außenabmessungen von kleiner 1 mm hergestellt werden. Piezokeramiken können eine hohe Dynamik mit Frequenzen bis zu mehreren Tausend Hertz erreichen Vakuumkompatible Ausführungen sind ebenso möglich wie spezielle, anwendungsspezifische elektrische Anschlüsse, die Integration in vom Anwender bereit gestellte oder entwickelte Bauelemente sowie das Verkleben und der Verguss. Den Anwendungsmöglichkeiten sind dadurch kaum Grenzen gesetzt. Piezoröhrchen beispielsweise bieten eine radiale und axiale Auslenkung oder, segmentiert angesteuert, eine Scan-Bewegung in der XY-Ebene. Sie werden mit engsten Toleranzen gefertigt (0,05 mm) und können serienmäßig mit kleinsten Durchmessern von kleiner 0,8 mm hergestellt werden. Sie eignen sich z. B. als Miniaturscanner, in Alignment-Systemen zur Regelung eines optischen Signals oder werden zum Beispiel in medizinischen Endoskopen eingesetzt. Wahre Bewegungstalente in Scanning-Anwendungen Ein Beispiel dafür ist ein neuartiges scannendes Katheter-Endoskop (SFE) für die großflächige, vollfarbige Bildgebung mit nur 1 mm Durchmesser. Dieses scannende Faser- oder Katheterendoskop ermöglicht hochwertige, laserbasierte Videobilder bei Die resonante optische Single-Mode-Faser wird seitlich von einem rohrförmigen piezoelektrischen Aktor in einem kompakten koaxialen Design angetrieben 18 INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2019

SENSORIK UND MESSTECHNIK minimalinvasiven Eingriffen, kann aber auch der biologischen Forschung neue Ergebnisse liefern. Die zentrale Komponente dieser Technologie ist ein einzelner optischer Wellenleiter, der bei mechanischer Resonanz vibriert und so RGB-Laserlicht auf das Bild scannt. Die resonante optische Single-Mode-Faser wird seitlich von einem rohrförmigen piezoelektrischen Aktor in einem sehr kompakten koaxialen Design angetrieben. Die seitliche Vibrationsbewegung kann modelliert werden. Die Faser bewegt sich dann während des Betriebs in einem spiralförmigen Scanmuster. Der anwendungsspezifische Aktor ist bei 0,45 mm Durchmesser lediglich 4 mm lang. Die elektrischen Spannungen, die während des Betriebs des SFE angelegt werden, sind niedrig, da der rohrförmige Piezo elektrisch einem kleinen Kondensator entspricht. Im typischen Betrieb liegt die Spannung unter 20 V bei 5,5 mW elektrischer Leistung. Ähnliche Scanning- Anwendungen sind auch mit Biegeaktoren realisierbar, die selbst bei kleinster Fläche relativ große Auslenkungen erreichen. Pumpen für die Mikrofluidik Aus piezoelektrischen Materialien lassen sich aber auch leistungsfähige Antriebslösungen kreieren, die für den Einsatz in Mikrodosierpumpen die besten Voraussetzungen bieten. Sie arbeiten mit hohen Geschwindigkeiten und kurzen Ansprechzeiten; dadurch sind hohe Pumpfrequenzen und Flussraten möglich. Durch die variablen Hübe lassen sich Dosiervorgänge präzise steuern. Da sehr unterschiedliche Aufbauten möglich sind, findet sich praktisch für jede Aufgabenstellung eine maßgeschneiderte Lösung. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien (EMFT) zum Beispiel arbeiten an einem aktiven Implantat, das den Augen-Innendruck effektiv und dauerhaft regulieren soll. Das Implantat besteht aus einem Mikropumpensystem, einer sensorbasierten Pumpensteuerung, einem integrierten Akku zur kontaktlosen Energieversorgung sowie einem Telemetriemodul zur Datenübertragung. Es lässt sich direkt auf dem Augapfel aufbringen. Treibende Kraft der Mikropumpe ist ein Piezoelement in Scheibenform, das direkt auf einem Siliziumträgersubstrat appliziert wird. Es erzeugt die benötigten Linearbewegungen sehr präzise und lässt sich obendrein perfekt an die Applikationsumgebung anpassen. Auch bei Gegendruck sind so die für die Therapie erforderlichen Förderraten realisierbar, indem die Schaltfrequenzen oder die Amplitude der Piezoauslenkung über eine entsprechende Regelung variiert werden. Die Pumpe im Augenimplantat ar beitet mit einer Förderrate von max. 30 Mikrolitern/s und kann je nach Krankheitsbild das Auge benetzen oder Kammerwasser abpumpen. Bilder: PI Ceramic www.piceramic.de Meorga.indd 1 18.03.2019 11:59:42 INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2019 19

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