Piezoelement
Ein Piezokristall ist ein polarisierter Kristall (meist Blei-Zirkonat-Titanat (PTZ)) der bei Anlegen einer Spannung eine Längenänderung vollzieht (bei konstantem Volumen). Dieser Prozess ist reversibel und auch unter dem Namen Piezoeffekt bekannt.
Aufbau eines Piezokristalls
Es gibt eine Reihe von natürlichen monokristallinen Materialien wie zum Beispiel Quarz, Turmalin oder Seignette-Salz mit schwachen piezoelektrischen Eigenschaften. Hier wird der Aufbau eines Piezokristalls anhand einer polykristallinen ferroelektrischen Keramik erklärt (Blei-Zirkonat-Titanat, kurz PZT), da diese eine ausgeprägtere piezoelektrische Eigenschaften besitzt und am häufigsten in industriellen Piezoelementen eingesetzt wird. PZT-Piezokeramiken sind vor der Polarisation zentro-symmetrisch kubisch. Unterhalb der sogenannten Curie-Temperatur (z.B. 300°C, überhalb dieser Temperatur sind Materialien immer nicht-magnetisch) wird die Gitter-Struktur der PZT-Kristallite verzerrt und asymmetrisch. Sie weist eine spontane Polarisation auf.
Modelhaft gesehen kann man sich diese Polarisation anhand von acht negativ geladene Kugeln vorstellen, die die acht Ecken eines Würfels darstellen. Im Zentrum der acht Kugeln befindet sich eine positiv geladene Kugel deren positive Ladung gleich der Summe der negativ geladenen äusseren Kugeln ist. Der Würfel erscheint von aussen her neutral, da sich die Ladungen aufheben. Verschiebt man die zentrale Kugel nun zur oberen Fläche des Würfels, so erzeugt man einen Dipol. Der obere Bereich ist ein wenig positiver geladen, der untere ein wenig negativer geladen (inhomogene Verteilung).
Da wir nun aber mit polykristallinen Materialien arbeiten und die einzelnen "Würfel" wahllos im Material verteilt sind, heben sich die Polarisationen gegenseitig auf. Wegen der ferroelektrischen Natur des Materials ist es möglich, unter Einwirkung starker elektrischer Felder, die unterschiedliche Gitterausrichtung einzelner Domänen(siehe auch Weißscher Bezirk) permanent in Richtung des polenden Feldes zu ändern. Nun kann man den piezoelektrischen Effekt an diesem polykristallinen Verbund beobachten.
Achtung: Die Polarisation kann durch zu hohe Temperatur (Curie-Temperatur), zu hohen Druck oder einem zu hohen elektrischen Feld zerstört werden. Danach muss die oben beschriebene Polarisation erneut durchgeführt werden.
Ein anderes polikristalines Material heisst Bariumtitanat.
Aufbau eines Piezoelements
Der Grundbaustein eines Piezoelements ist eine Scheibe an deren Enden jeweils eine Elektrode befestigt wird. An die Elektrode kann man nun eine Spannung anlegen, sodass sich die Distanz der beiden Elektroden aufgrund einer Längenausdehnung des Piezokristalls vergrössert. Die anzulegende Maximalspannung hängt von der Dicke der Piezokristallscheibe, vom Material und von den Isoliereigenschaften zwischen den Elektroden ab. Um eine von der Materialdicke unabhängige Betrachtung zu erhalten, führt man in der Regel die elektrische Feldstärke [V/m] ein, da hier der Bezug des Abstands zwischen den Elektroden zur elektr. Spannung gegeben ist. Bei einer Schichtdicke des Piezomaterials von 0,2mm kann man ungefähr eine maximale Spannung von 100-150V anlegen. Die max. Auslenkung beträgt ungefähr 0,2%. Nun wird klar, dass man mit einem einfachen Piezoelement nicht viel ausrichten kann, entweder man erhöht die Spannung (gefährlich) oder man arbeitet mit mehreren Elementen die übereinander gestapelt werden. Dies ist in der Regel der Fall. Piezostacks oder Piezostapel sind Gebilde aus sich abwechselnden Piezokristallscheiben und Elektroden. Dabei wird folgendes Schema angewandt. Zuerst stapelt man auf eine Elektrode (beispielsweise der Plus-Anschluss) eine Piezoscheibe, danach wieder eine Elektrode (-) und schlussendlich eine weitere Piezoscheibe, aber Achtung !! dieses Mal wird die Polarisierungsrichtung geändert. Diese Anordnung kann nun fast beliebig wiederholt werden. Die Plus- und Minuselektroden werden jeweils aussen verbunden. Man kann sich die Anordnung der Elektroden als Kämme vorstellen, die ineinandergesteckt werden sodass die Zacken des einen Kamms die Zwischenräume des anderen ausfüllen. Da die Elektroden in der Regel sehr eng beieinanderstehen und die Spannungen hoch sind können an den Rändern je nach Aussenbedingungen (Luftfeuchte, Luftdruck) Funken überspringen. Aus diesem Grund isoliert man die Piezostacks nach aussen mit einem Kunststoff ab. Die Anforderungen an diese Isolierung ist sehr hoch und war bis vor kurzer Zeit eine der meisten Gründe der Kurzlebigkeit der Piezostacks. Doch vor kurzem hat die Firma PI einen Piezostack mit Keramikummantelung entwickelt.