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Physik Instrumente Ultraschall-Piezoelemente erobern die Medizin

| Redakteur: Peter Reinhardt

Piezoelektrische Keramiken können Ultraschallwellen nicht nur erzeugen, sondern auch detektieren. Sie lassen sich in beliebigen Formen preisgünstig fertigen und bieten maßgeschneiderte Lösungen für Diagnostik und Therapie – zum Beispiel beim Entfernen von Zahnstein oder dem Zertrümmern von Nierensteinen

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Bild 2 | Bauformen: Piezo-elemente sind in unterschiedlichen Varianten realisierbar
Bild 2 | Bauformen: Piezo-elemente sind in unterschiedlichen Varianten realisierbar
(Bild: PI)

Piezoelektrische Materialien können bei Krafteinwirkung eine Ladung erzeugen (Piezoeffekt) oder unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes ihre Abmessungen verändern (inverser Piezoeffekt). Sie wandeln also mechanische in elektrische Energie um und umgekehrt, man spricht auch von Transducern. Während sich der direkte Piezoeffekt für sensorische Anwendungen nutzen lässt, bietet sich der inverse Piezoeffekt für die Realisierung von Aktoren an. Die Bewegung beruht dabei ausschließlich auf Festkörpereffekten, das heißt, sie ist reibungs- und verschleißfrei. Piezos erzeugen außerdem keine Magnetfelder und werden auch nicht von solchen beeinflusst.

Frequenz und Amplitude

Das Erzeugen und Detektieren von Ultraschall ist die klassische Piezo-Anwendung, denn beim Anlegen einer Wechselspannung beginnt das Piezoelement zu schwingen. Die kurzen Ansprechzeiten und die hohe Dynamik dieser Bewegung kommen der Ultraschallerzeugung natürlich ebenfalls entgegen. Die Piezoelemente von PI Ceramic arbeiten mit Frequenzen von bis zu 20 MHz und eignen sich damit für eine Vielzahl von Ultraschallanwendungen (Bild 1). Diese lassen sich grob klassifizieren in zumeist sensorische Anwendungen für Frequenzen bis 20 MHz und Leistungs-Ultraschall, bei dem die Energiedichten höher sind. Dadurch verrichten die Piezoelemente dann beachtliche mechanische Arbeit, zum Beispiel bei der Nierensteinzertrümmerung und Zahnsteinentfernung.

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Flexibilität bei den Formen

Bei Piezokomponenten sind neben der auf die jeweilige Applikation bezogenen Materialauswahl unterschiedliche geometrische Varianten und Resonanzfrequenzen realisierbar (Bild 2), Bauelemente wie Dickenschwinger in Scheiben- bzw. Plattenform, Piezo-Ringscheiben, Piezorohre und Scherelemente mit Standardabmessungen können auf Basis vorrätiger Halbzeuge sehr kurzfristig geliefert werden. Über die Standardabmessungen hinausgehende Geometrien sind auf Anfrage ebenfalls erhältlich.

Außerdem sorgt der Anbieter für die Integration in das endgültige Produkt. Dazu gehören sowohl die elektrische Kontaktierung der Elemente nach Kundenvorgaben als auch die Montage in bereitgestellte Bauelemente, das Verkleben oder der Verguss der Ultraschallwandler. Für Durchfluss-, Füllstand- und Kraft- oder Beschleunigungsmessung werden kundenspezifische Sensorkomponenten hergestellt, die sich einfach in die jeweilige Applikation integrieren lassen.

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