Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
© Fraunhofer IKTS / Neumeister Vorlesung 2016
Vorlesung 4 / 30.06.2017
Piezosystemtechnik
Aktorik
Sensorik
Adaptronik
Kontakt : [email protected]
© Fraunhofer IKTS / Neumeister Vorlesung 2016
Aktorik
Bauformen
Arbeitsdiagramm
Vielschichtaktoren: spezifische Werkstoff- und Designprobleme
© Fraunhofer IKTS
Bauformen
http://www.siemens.com/innovation/de/publikationen/zeitschriften_pictures_of_the_future/pof_fruehjahr_2007/lebenswerte_megacities/laermvermeidung.htm
www.smart-material.comwww.ikts.fraunhofer.de
Multilayer-Aktor Dickschicht-Aktor Komposit-Aktor
© Fraunhofer IKTS
Bauformen
E-Feld
+
-
Kontraktion
Expansion
d33- Kopplung(d33 > 0)
d31- Kopplung (d31 < 0)
Polungsrichtung
EdS
Klassifizierung nach E-Feldrichtung und genutzter Dehnungd33 – Aktor (Elongator)d31 – Aktor (Kontraktor)
© Fraunhofer IKTS
Bauformen
Multilayer-Aktor Biege-Aktor Komposit-Aktor
E –
Feld
E- Feld und genutzte Dehnung parallel in „3“ -Richtung
S3
S1
S3
E- Feld in 3-Richtung und genutzte Dehnung senkrecht in „1“ - Richtung
E- Feld und genutzte Dehnung parallel in „3“ -Richtung
© Fraunhofer IKTS
Gleichungen, Arbeitsdiagramm
Ausgangsgleichungen:
Freie Dehnung (mechanische Spannung: Null)
Antrieb: elektrische Spannung / E-Feld
Blockierkraft / 1-achsige mechanische Spannung(in Spannungsrichtung Dehnung Null)
Antrieb: elektrische Spannung / E-Feld
EdTsS E ETdD T
t
EdS
Es
dT
E
© Fraunhofer IKTS
Freie Dehnung
Blockierung
///////////////
Sfrei
Dehnung DS vs. E-Feldstärke
T v
s. E
-Fe
ldst
ärk
e
S
-T
Arbeitsdiagramm
EdS
Es
dT
E
© Fraunhofer IKTS
Aktuation gegen elastische Umgebung
∆𝒍Aktor
-F
- ∆𝒍 ext
SfreiS
-T ext
Arbeitsdiagramm
TsSS
EdTsS
E
frei
E
Dehnung gegen externe Federsteifigkeit
Fext = Kext ∆𝒍ext
Übergangsbedingungen Aktor – Feder
Fext = FAktor ∆𝒍ext = - ∆𝒍Aktor
Kraftoptimierte Anwendungen
wegoptimierte Anwendungen
Leistungsoptimierte Anwendungen
© Fraunhofer IKTS
Beispiel: Charakterisierung von PZT-Dickschichtbiegeaktoren
freie Auslenkung
Blockierkraft
elektrische Kapazität
elektrische Feldstärke bei der Messung 2 kV/mm=> Großsignal
Laser triangulation
Forcesensor
© Fraunhofer IKTS
Beispiel: Charakterisierung von PZT-Dickschichtbiegeaktoren
Laser
Verschiebetisch
Kraftmesser
Biegestruktur
© Fraunhofer IKTS
Beispiel: Charakterisierung von PZT-Dickschichtbiegeaktoren
Messungen:
Freie Dehnung
Blockierkraft
Dehnung unter Last
Probe:Bieger 8x16mmPZT 113µm auf LTCC
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1Kraft [N]
Au
sle
nku
ng
[µ
m]
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 20 40 60 80 100 120
Zeit [s]
Au
sle
nku
ng
[µ
m]
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
Kra
ft [
N]
© Fraunhofer IKTS
Piezokeramische Vielschichtaktoren
Typische Keramikschichtdicke 30 – 80 µmZahl der Keramikschichten bis 400
Mechanische ReihenschaltungElektrische Parallelschaltung
© Fraunhofer IKTS
Piezokeramische Vielschichtaktoren: Herstellungsprozess (Co-Sinter-Technologie )
PZT - Pulver
Hochenergiemahlung
Foliengießen
Siebdruck der Innenelektroden
Laminieren
Schneiden
Entbindern
Sintern
Schleifen
Metallisieren
Verdrahtung
Passivieren
Polarisieren
Charakterisieren
© Fraunhofer IKTS
PICMA® actuators
Cross sections: 2x3, 3x3, 5x5, 7x7, 10x10 mm²
Length: 9, 13.5, 18, 36 mm
Displacement 38 µm @ 36 mm Length @ 120 V
Quelle PI Ceramic
Quelle PI Ceramic Quelle PI Ceramic
© Fraunhofer IKTS
Piezoinjektoren als Schlüsselkomponente für Diesel-Einspritzsysteme
© Deutscher Zukunftspreis, Fotos: Ansgar Pudenz
© Fraunhofer IKTS
Piezokeramische Vielschichtaktoren, Herausforderungen
2 Piezokeramikschicht
3 Innenelektrode
4 Anschluss +
5 Anschluss -
6 Weiterkontaktierung (Verdrahtung)
7 Abdeckschicht
Innenelektrode- Ag/Pd- Cu -> Kostensenkung
Piezokeramik- niedrige Sintertemperatur- Texturierung -> Performance
Kontaktierung- mechanisch bewegt -> erhöhte Zuverlässigkeit
Reaktions- und Diffusionsphänomene - Elektroden / Keramik- Prozesstechnik- Pulver
Zuverlässigkeit- 1010 Zyklen- Gleichspannungsbetrieb- Ansteuerungsfrequenz- Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchte)
© Fraunhofer IKTS
Unedle Innenelektroden
Motiv: Senkung der Materialkosten
Aktuelle Umsetzung mit Cu – Innenelektroden
Sintern bis 1000°C möglich, da die Schmelztemperatur 1040 °C beträgt
Schmales Prozessfenster, wegen der Oxidation von Cu zu CuO bei Reduktion des PbO; Pb bildet mit Cu eine Legierung und senkt die Schmelztemperatur
Kontrolle der Temperatur und der Atmosphäre (N2–H2–H2O and PbO (Vapor) erforderlich
Weitere Nebenreaktion: Lokal vorhandener Graphit oxidiert und bildet CO2 und CO wodurch der Sauerstoffpartialdruck P(O2) sinkt und die Kontrolle des Sintervorganges erschwert wird.
Maßnahmen: Entwicklung neuer Bindersysteme, komplexe Ausbrandprofile, Kontrolle des Sauerstoffpartialdrucks P(O2) sowie Einsatz oxidationsstabiler Cu-Pulver.
© Fraunhofer IKTS
Erniedrigung der Sintertemperatur – Flüssigphasensintern
Schematic diagram showing mechanisms surrounding
the piezoelectric ceramic sintering.
Die Oxidzusätze aktivieren alle Sinterphasen und bewirken eine beträchtliche Reduzierung der Verdichtungstemperatur.
© Fraunhofer IKTS
Erniedrigung der Sintertemperatur – Flüssigphasensintern
Ag 1−x –Pdx (0 ≤ x ≤ 0.3) und Cu – Innenelektroden erfordern Piezokeramiken mit niedriger Sintertemperatur (<< 1250 °C). Das kann z.B. durch Flüssigphasen erreicht werden, die durch Oxidbeimengungen entstehen.
© Fraunhofer IKTS
Die Polung der Aktoren erfolgt mit 2-3 kV/mm für eine Dauer von 1 bis 10 Minuten bei erhöhter Temperatur angelegt wird. Beim Polungsvorgang entstehen Risse in der inaktiven Zone des Bauteils.
Polungsrisse
© Fraunhofer IKTS
Zugspannung in inaktivem Bereich, Druckspannung in aktivem Bereich: Polungsrisse
Quelle: Siemens CT
Polungsrisse
© Fraunhofer IKTS
Maßnahme: PICMA® keramische Isolationsschicht
• Aufbringen einer keramischen Folie mit
definierter Dicke auf die nicht kontaktierte
Oberfläche im Grünzustand, Co-Sintern
• Diese Schicht ist durch ein elektrisches
Streufeld durchdrungen, undefinierte Risse
werden vermieden
Humidity
Anode
Cathode
Temperature
Ceramic insulation
Quelle PI Ceramic
Quelle PI Ceramic
© Fraunhofer IKTS
Potenzielle Ausfallmechanismen, Volumen (Bulk)
Piezokeramik feldgetriebene VerformungGradient 2000 V/mm
Inenelektrode passiv
Migration entlang der Korngrenzen,z.B. Silber
Delaminationsriss am Interface aktiv - passivIntergranularer Riss,
Scherung infolge E-Feldgradient
Durchschlagsfeldstärke 1,3 V / µm überschitten Elektrischer Durchschlag
Effektkopplung:
elektrisch-mechanisch-thermisch-elektrochemisch
© Fraunhofer IKTS / Neumeister Vorlesung 2016
Sensorik
Gleichungen
Messkette
Beispiel: Kraftsensoren auf Basis von PZT-Dickschichten
© Fraunhofer IKTS
Gleichungen, Messgrößen
Ausgangsgleichungen:
Elektrischer Kurzschluss (el. Spannung: Null E-Feld: Null):
elektrische Verschiebungsflussdichte (Ladung):
kraftgetrieben:
dehnungsgetrieben:
Leerlauf (Ladung/Strom: Null elektrische Flussdichte: Null)
Elektrisches Feld (el. Spannung):
kraftgetrieben:
dehnungsgetrieben:
EdTsS E ETdD T
TdD
SS
dD
E
TgTd
E T
T
Ss
gS
s
dS
ds
dE
D
T
TDTE
2
© Fraunhofer IKTS
Messkette „Mechanik“
Messkette piezoelektrischer Sensoren
Translatorisch
Rotatorisch
Akustisch
Kraft F
(Dreh- / Biege- / Torsion-) Moment M
Beschleunigung a
Weg/Auslenkung ξ
Winkelbeschleunigung α
Drehwinkel
(Schall-) Druck
Schallgeschwindigkeit
Quelle: http://paxmundi.de
Reale Messgrößen
Messgrößenum-former, Hilfskonstruktionen
v
F
© Fraunhofer IKTS
Messkette „Piezoelement“ und „Elektronik“
Messkette piezoelektrischer Sensoren
v
F
u
i
Piezoelektrisches Element Sensor
PiezoMechanik Elektronik
Da
ten
ve
rarb
eit
un
g
Auswerte-elektronik
iY
v
uYF
1
© Fraunhofer IKTS
Beispiel: Kraftsensoren auf Basis von PZT Dickschichten auf Al2O3 - Zylindern
Probe 049-10 (hart)
y = -0.762Ln(x) + 83.884
R2 = 0.8648
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
0.1 1 10 100
Frequenz [Hz]
La
du
ng
Q [
nC
]79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
La
du
ng
sk
on
sta
nte
d [
pC
/N]
Ladung Q [nC]
Ladungskonstante d
[pC/N]
Logarithmisch
(Ladungskonstante d
[pC/N])
Als Lösungsansatz für eine Sensorentwicklung prinzipielle geeignet
Langsame Vorgänge werden höher bewertet
© Fraunhofer IKTS / Neumeister Vorlesung 2016
Adaptronik
Was versteht man unter Adaptronik ?
Das intelligente System (smart system)
Aktuelle technologische Entwicklungen
Ausblick
© Fraunhofer
Smart Materials and StructuresBob Newnham‘s analysis
“ Smart materials form part of a structural system, that has the capability to sense its environment and respond to that stimulus via an active control mechanism.”
B. Newnham
© Fraunhofer
Motivation die Strukturen zum Leben erwecken und am Leben erhalten
Intelligenter Eingriff in die Strukturdynamik
Vibrationskontrolle
Geräuschminderung
Formkontrolle
Sicherheit durch Structural HealthMonitoring (SHM)
Marktrelevanz
Erhöhte Sicherheit
Gewichtsreduktion
Reduzierte Emission
Reduzierter Energieverbrauch
Bessere Materialausnutzung
Reduzierte Betriebskosten
© Fraunhofer
Smarte Strukturen und Mikrosystemtechnologie
Modul
Sensor
kalorisches Element
Steuerelektronik
Leistungselektronik
Energieversorgung
Mechanische Struktur
Elektronik-struktur
Kommunikation
Komponenten
Biologische Struktur
Aktor
Intelligentes Mikrosystem
Steuerung
© Fraunhofer
Smarte Strukturen –Schlüsselwerkstoffe und Werkstoffvielfalt
Sensor Steuerelektronik
Leistungselektronik
Energieversorgung
Mechanische Struktur
Elektronik-struktur
Kommunikation
Komponenten
Biologische Struktur
Aktor Steuerung
kalorisches Element
Aktive Werkstoffe Packagingmaterialienz.B. LTCC
Werkstoffe der Mikroelektronik
Intelligentes Mikrosystem
© Fraunhofer
Aktive Werkstoffe / smart materials
Funktionskeramik FGL DEA
Ba
sis-
fun
kti
on
en Dielektrizität Elektrostatisch
induzierte Formänderung
Piezoelektrizität
Ferroelektrizität
Pyroelektrizität
Ph
ase
nü
be
rga
ng
s-
fun
kti
on
en
Dielektrische Anomalie
thermisch ind. Formänderung
Elektrokalorischer Effekt
magnetisch ind. Formänderung
„Superelastizität“
Aktive Werkstoffe
© Fraunhofer
Technologieansatz - Vernetzung von Struktur–Sensor–Aktor –
Ansteuerelektronik und Signalverarbeitung
Elementareinheit
Die Vernetzung des
Informationsflusses kann
z.B. über Funkkopplung
erfolgen.
Struktur:
Poymer
Metall
Keramik
Störung
Reaktion
Elektronik und Signalverarbeitung - Funktionswerkstoffe - Strukturwerkstoffe
Kontroll-
system
Energie-
quelle
Leistungs-
verstärker
Sensor
AktorElektro-
mechanisch
mechanisch
elektrisch
Schnittstelle intern
Schnittstelle intern
Schnittstelle extern
© Fraunhofer
Erste Serienanwendungen im Bereich der Sportgeräte
HEAD PRESENTS at ISMA| HERFRIED LAMMER | 28.09.2005
Sales figures since introduction.
Tennis racket (2000) 80.000
Ski (2002) 45.000 pairs
Snowboard (2003) 2.000 pieces
© Fraunhofer
Tennisschläger von Head Sport AG mit Energierückspeisung zur Schwingungsdämpfung
Das aktive Teilsystem besteht aus
Piezo-Kompositwandlern und einer
elektronischen Stufe zur Aufladung
des Speicherkondensators (s. unten).
Dieser kann die Piezoelemente als
Aktor treiben.
Continum Control Corp.
© Fraunhofer IKTS
Key question: How can we marry piezoceramics with structural components in a series manufacturing process ?
piezoceramic wafer Aircraft panel Space frame , car
oil sump, carinterior, car
piezocompositeMFC
© Fraunhofer IKTS
PZT transducer elements
Ceramic Thick film on substrate
Polymer packages
Ceramic packages
PZT wafer
PZT free form elementsby spinning
PZT thick film on Si
PZT thick film on LTCC
PZT thick film on Alumina
LTCC / PZT multilayer
DurACT
Thermoplastic module
Macro Fiber Composite
Acoustic microsystem(LTCC)
PZT fiber
© Fraunhofer IKTS
PZT transducer integration
Direct integration : piezo transducer + electrode => structure
Weaving / embroidering into glass fiber fabrics
Multi-Fibre-Injection (MFI) technology
Indirect integration : piezo transducer + electrode => module or micro system =>
structure
Metal sheet forming
Thermoforming of thermoplastic sheets
Metal die-casting
© Fraunhofer IKTS
Integration of PZT fibers into glass fiber fabricsweaving and embroidering technology
ring electrode
fiber capacitor
fiber electrode PZT fiber
PZT fiber
electrode yarnembroidery thread
Sample after consolidation
Idea: A. Giebe, Diploma TU Dresden / Fraunhofer IKTS, 30.06.2017
PZT part of the weft thread
Cu wire part of the warp thread
© Fraunhofer IKTS
Integration of PZT fibers into glass fiber fabrics –functional test
Glass fiberreinforced matrix
Glass fiberreinforced matrix
Measured voltage generated by the PZT fiber groups 1 - 2
Idea : A. Giebe, Diploma at TU Dresden, 30.06.2017
© Fraunhofer IKTS
PZT transducer integration
Direct integration : piezo transducer + electrode => structure
Weaving / embroidering into glass fiber fabrics
Multi-Fibre-Injection (MFI) technology
Indirect integration : piezo transducer + electrode => module or micro system =>
structure
Metal sheet forming
Thermoforming of thermoplastic sheets
Metal die-casting
© Fraunhofer IKTS
Integration of LTCC / PZT module into die-casted Al plates*
LTCC
PZT
Al
• Tmelt ≈ 700 °C
• filling time < 50 ms
• pressure < 1000 bar
*Robert F. Singer, C. Körner et. Al, University of Erlangen-Nuremberg
17
0 m
m
© Fraunhofer IKTS
Integration of LTCC / PZT module into die-casted Al plates*
compressive stress
temperature T
electric field
Al structure
piezoceramic
CRT of the Al plate (left) showing the LTCC/PZT module, the termination and wiringCross section (right) of the sample with indication of stress distribution
*Robert F. Singer, C. Körner et. Al, University of Erlangen-NurembergA. Michaelis, S. Gebhardt, M. Flössel, TU Dresden , IFWW
© Fraunhofer IKTS
Application of LTCC / PZT module – SHM of structures
first prototype
Acoustic transducer for guided waves generation and detection
Second generation
M. Flössel, U. Lieske, T. Klesse, S. GebhardtCeramic Based Structural Health Monitoring (SHM) Modules for Rough Environment, Actuator 2012
© Fraunhofer IKTS
Application of LTCC / PZT module – SHM of structures
Simulation model of AML transducer setup
Aluminum plate
Adhesive
LTCC
PZT-Disc
x
z
100 µm
600 µm
20 mm
540 µm
2 mm
M. Flössel, U. Lieske, T. Klesse, S. GebhardtCeramic Based Structural Health Monitoring (SHM) Modules for Rough Environment, Actuator 2012
Measured wave front on AL plate
30 µs
40 µs
50 µs
© Fraunhofer IKTS
Themenschwerpunkte “Dielektrische Funktionskeramiken”
Dielektrika allgemein, Kondensatorwerkstoffe
Dielektrika im elektrischen Feld
Kondensatoren in der Bauteil- und Werkstoffentwicklung
Werkstoffbasis (Klassifizierung, Typen, Systeme, Kenngrößen)
mikroskopische Erklärung für Werkstoffverhalten einschließlich Temperaturverhalten
Polarisationserscheinungen
Polarisationsmechanismen in Dielektrika
Piezoeffekt (Phänomen, Beschreibung, Kenngrößen)
kristallographische Erklärung für die Polarisationserscheingungen
elektrische/mechanische/elektromechanische Antwort ferroelektrischer Keramiken
Piezomaterialien
typische Vertreter
Kristallstruktur und Gefüge, Auswirkung auf makroskopische Eigenschaften
Materialoptimierung
Komposite
Anwendungen
Resonatoren
intelligente Systeme
Piezoaktor/-sensor
Multilayertechnologie