Informations- und Kommunikationstechnik

Piezokristalle und kristallelektrische Effekte

Nach der Entwicklung elektronischer Verstärker mit kathodengeheizten Röhren konnte man Schallplatten mit Kristalltonabnehmern abspielen. Sie ersetzten die mechanisch belastenden schweren Stahlnadelabnehmer, mit der die Auslenkungen auf die Membran des Schalltrichters gebracht wurden durch leichtere und qualitativ bessere Systeme. Die ersten Kristallabnehmer bestanden aus Seignettesalz, Kalium-Natriumtartrat, einem Doppelsalz der Weinsäure. Der Kristall erzeugt beim Einwirken mechanischer Kräfte kleine elektrische Spannungen. Inzwischen gibt es in der Elektronik viele Bereiche, wo Werkstoffe mit piezoelektrischen Eigenschaften Anwendung finden.

Durch mechanischen Druck (aus dem Griechischen piezein = drücken) kann sich ein Kristall elektrisch aufladen. Kristallelektrische Eigenschaften beruhen auf der Kopplung zwischen Mechanik und Elektrostatik, wobei der Werkstoff bestimmte Voraussetzungen mitbringen muss. Es sind elektrisch nicht leitende Kristalle, polykristalline Keramiken und einige polymere Kunststoffe. Sie weisen mindestens eine polare Achse auf. Die Elementarzelle des Kristallgitters hat kein Symmetriezentrum. Es darf keine gegenseitige Ausrichtung der Elementarzellen durch Zwillingsbildung auftreten. Die Summe aller entstehenden Dipolmomente im Kristall muss ungleich null sein.

Anstelle von Seignettesalz KNaC4H4O6 werden heute kristallines Galliumorthophosphat GaPO4 und Lithiumniobat LiNbO3 verwendet. Kristallkeramiken bestehen aus Bariumtitanat BaTiO3 und Blei-Zirkonat-Titanate (PZT). Natürliche Minerale wie Berlinit AlPO4, Turmaline (komplex zusammengesetzte Ringsilikate) und der vor allem am meisten genutzte α-Quarz verfügen über kristallelektrische Eigenschaften. Die Piezokeramiken erzeugen größere elektrische Effekte und werden wie der α-Quarz unter kontrollierten Laborbedingungen hergestellt. Die kristallelektrischen Eigenschaften der Piezokristalle sind über einen weiten Temperaturbereich stabil und von hoher Güte.

Direkter Piezoeffekt

Wirken mechanische Druck- oder Zugkräfte entlang bestimmter Kristallachsen auf einen Piezowerkstoff ein, so verschieben sich positiv und negativ geladene Kristallgitterpunkte. Ist das dabei entstehende Summendipolmoment größer null, kann es an Außen angebrachten Elektroden als elektrische Spannung genutzt werden. Die Wirkungsweise aller Piezosensoren beruht auf dem direkten Piezoeffekt. Sie werden zum Beispiel in elektronischen Waagen, zur Zündfunkenerzeugung in Feuerzeugen, Piezomikrofonen und Tonabnehmern bei Saiteninstrumenten, in Messeinrichtungen zur Geschwindigkeits- und Beschleunigungsbestimmung und zur Oberflächenabtastung eingesetzt.

Direkter longitudinaler Piezoeffekt

Die Kraftwirkung in Richtung einer polaren x-Achse ruft einen longitudinalen Piezoeffekt hervor. Die elektrische Spannung baut sich in Kraftrichtung auf, in der das Kristallgitter gestaucht wird.

Direkter transversaler Piezoeffekt

Die Krafteinwirkung findet entlang einer nicht polaren y-Achse des Kristallgitters statt. Die Piezospannung baut sich entlang der polaren x-Achse auf. In diese Richtung wird das Gitter gestreckt und die Polarität der Spannung ist entgegengesetzt zum longitudinalen Piezoeffekt.

Die Animation stellt das Prinzip der beiden direkten Piezoeffekte dar. Die gleichartig geladenen Kristallbausteine der Elementarzelle bilden die Eckpunkte eines Dreiecks. Der Ladungsschwerpunkt befindet sich im Schnittpunkt der Seitenhalbierenden eines Dreiecks. Ladungsverschiebungen mit Spannungserzeugung können auch auftreten, wenn Scherkräfte parallel zur polaren oder nicht polaren Kristallachse einwirken.

Inverser Piezoeffekt

Die mechanisch elektrostatische Kopplung funktioniert in beide Richtungen. Beim Anlegen einer Spannung an einen Piezowerkstoff ändert sich seine Geometrie. Das Bauelement wird zum Piezoaktor und wird beispielsweise in Piezolautsprechern, Einspritzdüsen und als Lesehilfe zur Darstellung der Brailleschrift verwendet.

Inverser longitudinaler Piezoeffekt

Die Spannung wird in Richtung der nicht polaren Kristallachse angelegt. Der Kristall verändert seine Geometrie in Richtung der polaren Achse zum Beispiel durch Ausdehnung.

Inverser transversaler Piezoeffekt

Die Spannung wird in Richtung einer polaren Kristallachse angelegt. Der Kristall verändert seine Geometrie und dehnt sich zum Beispiel in Richtung der nicht polaren Achse aus. Sind zwei Kristallplättchen beidseitig auf einer Bezugselektrode befestigt, dann kommt es beim Anlegen einer Spannung an die Piezokristalle zu einem Biegemoment.

Elektrische Piezoelemente

Piezoelemente in elektronischen Schaltungen wirken in Kombination mit dem direkten und inversen Piezoeffekt. Schwingquarze in Oszillatoren sowie Quarz- oder Keramikfilter sind die bekanntesten Anwendungen. In Verzögerungsleitungen sind SAW (surface acoustic wave) Baugruppen als Piezo-Ultraschallsender und Empfänger auf einem Übertragungsmedium, oft einer Glasplatte, befestigt. Spezielle Bandpassfilter hoher Güte arbeiten als akustische Oberflächenwellenfilter. Bei diesen AOW-Filtern sind eingangs- und ausgangsseitig kammartige Elektroden auf einem piezoelektrischen Einkristall aufgebracht. Die Filterwirkung basiert auf Signalinterferenzen und Laufzeitunterschieden im Piezokristall zwischen dem elektrisch nicht gekoppelten Eingangssender und Ausgangsempfänger. Die Arbeitsfrequenzen reichen bis in den Gigaherzbereich.

Ferroelektrizität und Ferroelektrika

Viele chemische Verbindungen bilden heteropolare Bindungen aus, die im festen Zustand zu kristallinen Ionengitter führen. Äußere elektrische Felder können eine Verschiebungspolarisation bewirken. Die Zentren der Anionen und Kationen im Kristallgitter werden gegeneinander verzerrt und es entstehen Dipole. Das nach außen wirksame Summendipolmoment ist vom Erregerfeld weitgehend linear abhängig. Der Temperatureinfluss ist vernachlässigbar.

Viele Stoffe sind aufgrund ihrer Atom- oder Ionengeometrie Dipole. Das bekannteste Beispiel ist das Wassermolekül (H2O), ein Dipol, im Gegensatz zum Methan (CH4) ohne Dipoleingenschaft. Im Kristallgitter des Festkörpers bilden die Permanentdipole ausgerichtete Bereiche. Beim natürlichen Kristallwachstum mit Verunreinigungen und Störzonen sind diese Bereiche makroskopisch gesehen meist statistisch verteilt und nach außen ist kein Dipolmoment erkennbar. Durch Anlegen eines elektrischen Felds lassen sich diese Bereiche neu orientieren, sodass auch nach dem Abschalten des Felds ein Summendipolmoment bestehen bleibt. Der Vorgang wird als Orientierungspolarisation bezeichnet und ist stark vom Feld und der Temperatur abhängig.

Ferroelektrizität kann nur bei Festkörpern auftreten, in deren Kristallgittern mindestens eine polare Achse vorhanden ist. Somit sind alle piezoelektrischen Werkstoffe auch Ferroelektrika. Gleichzeitig sind sie auch pyroelektrisch, da sie auf Temperaturänderung mit Ladungsverschiebung und der Ausbildung eines äußeren elektrischen Feldes reagieren. Eine erstmalig beim Turmalinkristall beobachtete Eigenschaft.

Ferroelektrika

Werkstoffe mit den soeben geschriebenen Eigenschaften werden als Ferroelektrika bezeichnet. Die Namensgebung mit Ferro- erfolgte in Anlehnung an das vergleichbare Verhalten zu ferromagnetischen Werkstoffen. Im ferroelektrischen Zustand sind die Dipole in Kristallbereichen, den Domainen zusammengefasst. Es entsteht ein nach außen wirkendes Summendipolmoment. Die Bereiche sind vergleichbar mit den Weiss-Bezirken der Elementarmagnete und werden auch hier so bezeichnet. In den Ferroelektrika sind die Weiss-Bezirke kleiner als in den Ferromagnetika.

Durch ein variables elektrisches Feld kann das Dipolmoment beeinflusst werden. Die Änderungen verlaufen wie bei der Magnetisierung eines ferromagnetischen Werkstoffs nicht linear entlang einer Hysteresekurve. Sind alle internen Dipolbereiche ausgerichtet, dann ist die ferroelektrische Sättigung erreicht. Mit dem Abschalten des äußeren Feldes bleibt der Werkstoff ferroelektrisch. Wird das erregende Feld langsam auf null zurückgenommen, verbleibt ein Restdipolmoment, das erst durch eine Feldumkehr aufgehoben und bei weiterer Erhöhung der Feldstärke in umgekehrter Polarität neu aufgebaut wird.

Oberhalb einer charakteristischen Temperatur, der Curie-Temperatur verliert der Werkstoff seine Ferroelektrizität. Auch dieses Verhalten entspricht dem Ferromagnetismus. In diesem Zustand befindet sich der Werkstoff nach der technischen Herstellung durch Sinterverfahren. Die Abkühlung erfolgt während des Einwirkens eines starken elektrostatischen Felds, das die Dipole ausrichtet. Unterhalb der Curie-Temperatur bleibt die Ausrichtung erhalten. Die ferroelektrischen Eigenschaften lassen sich auf diese Weise gezielt einstellen.

Diese besonderen Eigenschaften wurden zuerst beim Seignettesalz und Turmalinkristall beobachtet. Inzwischen kennt man viele anorganische und einige organische Verbindungen mit dielektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften. Ferroelektrika werden als Einkristalle oder als polykristalline Keramiken verwendet.

Auch alle organischen Elektretwerkstoffe sind Ferroelektrika. Der am meisten verwendete teilkristalline Polymerwerkstoff ist PVDF, Polyvinylidenfluorid (CF2-CH2)n. Die ferroelektrischen Eigenschaften erhält die Folie beim Abkühlen in einem starken elektrostatischen Feld. Die Permittivitätswerte liegen bei 10. Das Material wird als Druck-Spannungswandler bevorzug in Hydrofone eingesetzt.

Anwendungsgebiete

In der Elektronik werden Ferroelektrika vielseitig verwendet. Viele der Kristallkeramiken haben sehr hohe Permittivitäten εr, auch als relative Dielektrizitätszahl bezeichnet. Das macht sie bei der Miniaturisierung von Kondensatoren interessant, da mit ihnen sehr kleine keramische Kondensatoren mit hoher Kapazität herstellbar sind. Sie können Elektrolytkondensatoren bis 10 μF ersetzen. Zudem zeichnen sie sich durch viel geringere parasitäre Serienwiderstands- und Induktivitätswerte aus. Ihre Kapazitätswerte sind jedoch nicht so temperaturstabil. Die Tabelle zeigt die Spannweite erreichbarer Permittivitätzahlen im Vergleich zu Luft oder Vakuum.

Werkstoff Luft
Vakuum
Quarz
SiO2
Aluminiumoxid
Al2O3
NDK
Keramiken
HDK
Keramiken
Bariumtitanat
BTO, BaTiO3
Permittivität 1 4 ... 5 12 10 ... 100 103 ... 104 102 ... 104

In Verbindung mit Halbleiterschaltkreisen werden Ferroelektrika als programmierbare, nicht flüchtige ferroelektrische FeRAM Speicher eingesetzt. Als Isolator zwischen der steuernden Gateelektrode und der Halbleiterbahn bei MOS-Transistoren vergrößert sich die Kapazität und bei etwas dickerer Schicht auch das Isolationsverhalten. Die Ladung bleibt ohne Auffrischung erhalten. Eine um wenige Nanometer dickere Isolationsschicht verringert die mit zunehmender Miniaturisierung auftretenden Tunneleffekte.