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PI Ceramic

Miniaturisierte Piezokeramiken und ihre Medtech-Anwendungen

| Autor/ Redakteur: Annemarie Österle / Kathrin Schäfer

Man findet piezokeramische Sensor- und Aktorelemente in neuartigen scannenden Katheter-Endoskopen oder auch in aktiven Implantaten, die den Augen-Innendruck regulieren. Es gilt: So unterschiedlich wie die Anwendungen sind auch die Anforderungen, die sie erfüllen müssen.

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Piezokeramische Komponenten gibt es in ganz unterschiedlichen Ausführungen, verschiedenen – auch bleifreien – Materialien und in vielen Geometrien, wie Scheiben, Platten, Rohren, Quadern oder in nahezu beliebigen Sonderformen und OEM-Anpassungen.
Piezokeramische Komponenten gibt es in ganz unterschiedlichen Ausführungen, verschiedenen – auch bleifreien – Materialien und in vielen Geometrien, wie Scheiben, Platten, Rohren, Quadern oder in nahezu beliebigen Sonderformen und OEM-Anpassungen.
(Bild: Klaus Kerth Photodesign / PI)
  • Piezokeramische Sensor- und Aktorelemente
  • Piezoröhrchen für Scanning-Anwendungen
  • Piezoscheiben: Pumpen für die Mikrofluidik

Piezoelektrische Materialien können bei Krafteinwirkung eine Ladungsverschiebung erzeugen oder bei Anlegen eines elektrischen Feldes ihre Abmessungen verändern. Diese Effekte entdeckten die Geschwister Jacques und Pierre Curie bereits Ende des 19. Jahrhunderts. Sie gaben ihnen den Namen „Piezoeffekt“.

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Die Bezeichnung leitet sich vom altgriechischen Wort „Piezo“ für „Druck“ oder „Pressen“ her. Dabei sind piezoelektrische Materialien wahre Tausendsassas, denn der Piezoeffekt ist für Sensorikanwendungen ebenso nutzbar wie für die Herstellung von Aktoren. Da es piezokeramische Komponenten in kleinsten Abmessungen und unterschiedlichsten Formen gibt, lassen sie sich für unterschiedlichste Anwendungen nutzen und gut integrieren.

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So unterschiedlich die Anwendungen, so unterschiedlich die Anforderungen

So unterschiedlich wie die Anwendungen sind allerdings auch die Anforderungen, die die piezokeramischen Sensor- oder Aktorelemente erfüllen müssen. PI Ceramic bietet piezoelektrische Komponenten deshalb in ganz unterschiedlichen Ausführungen, verschiedenen – auch bleifreien – Piezomaterialien und in vielen Geometrien an, wie Scheiben, Platten, Rohre, Quadern oder in nahezu beliebigen Sonderformen und OEM-Anpassungen. Die unterschiedlichen Formen können mit Außenabmessungen von kleiner 1 mm hergestellt werden. Vakuumkompatible Ausführungen sind ebenso möglich wie spezielle, anwendungsspezifische elektrische Anschlüsse, die Integration in vom Anwender bereitgestellte oder entwickelte Bauelemente sowie das Verkleben und der Verguss.

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 Durchmessern von kleiner 0,8 mm hergestellt werden. Eingesetzt werden sie beispielsweise in medizinischen Endoskopen.

Ein Beispiel dafür ist ein die 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 minimal-invasiven 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.

Piezoelektrische Materialien sind wahre Tausendsassas

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) beispielsweise 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 arbeitet mit einer Förderrate von maximal 30 Mikroliter pro Sekunde und kann je nach Krankheitsbild das Auge benetzen oder Kammerwasser abpumpen.

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