Piezokeramische Multilayer-Biegeaktoren sind in der Miniatur-Aktorik richtige Tausendsassas. Mit Stellkräften von einigen Newton bei hohen Auslenkungen bis zu einigen 100 µm und niedrigen Ansteuerspannungen lassen sie sich bei Mikro-Elektromechanischen-Systemen (MEMS) sehr vielseitig einsetzen. Neuartige Technologien erlauben heute zudem die Fertigung in nahezu beliebigen Konturen und Abmessungen in grossen Stückzahlen. Die Spanne typischer Einsatzbeispiele reicht deshalb von verschiedenen Pump-, Dosier- oder Scananwendungen bis hin zu modernen Hörgeräten.
Schutz vor Feuchtigkeit erhöht Lebensdauer
Bei piezokeramischen Biegeaktoren hängen Lebensdauer und Zuverlässigkeit stark von den Umgebungsbedingungen am Einsatzort ab. Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Betriebsspannung können sie erheblich beeinträchtigen. Abhilfe schaffen optimierte Materialien und Herstellungsverfahren, ein entsprechender Aufbau und die Wahl der geeigneten Isolierung. PI Ceramic setzt deshalb bei den PICMA-Bender-Biegeaktoren mit Erfolg auf eine spezielle Fertigungstechnologie, die eine rundum vollkeramische Isolierung bewirkt. Dadurch sind die keramischen piezoaktiven Schichten im Biegewandler bei anliegendem elektrischem Feld vor Elek-trolysereaktionen mit Feuchtigkeit geschützt. Gleichzeitig werden mechanische Beschädigungen der empfindlichen Elektroden verhindert. Zuverlässigkeit und Lebensdauer sind dadurch gegenüber herkömmlich polymerisolierten Aktoren signifikant erhöht. Der vollkeramische Aufbau des Aktors ist zudem nahezu perfekt temperaturkompensiert. Bei Temperaturschwankungen in der Anwendung gibt es keine ungewollten Auslenkungen und mechanischen Spannungen im Aktor.
Kundenspezifische Ausführungen sind kein Problem
Aufgrund des Herstellungsverfahrens sind die Biegeaktoren in nahezu beliebigen Konturen und Abmessungen herstellbar, was die Integration in die Applikation erleichtert. So lassen sich auch eher ungewöhnliche Formen mit sehr geringen Fertigungstoleranzen realisieren, wie abgeschrägte Kanten und Innenbohrungen. Biegeaktoren mit Abmessungen von wenigen Millimetern Kantenlänge können ebenso hergestellt werden wie runde Aktoren, und natürlich sind auch grössere Abmessungen möglich. Die Geometrie wird dabei lediglich von den Anforderungen an Krafterzeugung und Dynamik bestimmt. Der runde Biegeaktor PD410 beispielsweise erreicht bei einem Durchmesser von 44 mm und 0,7 mm Höhe einen Hub von bis zu 240 µm in beide Auslenkungsrichtungen.
Positionssensoren sorgen für eine hohe Wiederholgenauigkeit
Neben unterschiedlichen Abmessungen gibt es aber noch weitere kundenspezifische Anpassungsmöglichkeiten. So ist die Höhe der aktiven Schichten ab einer Mindesthöhe von 15 µm variabel, sodass die Bauteile schon mit Ansteuerspannungen von 10 V arbeiten. Eine einseitige Auslenkung ist durch Aufbringen auf ein passives Substrat möglich, womit die Sensoren eine höhere Steifigkeit und eine relativ grössere Auslenkung in eine Richtung besitzen als bidirektionale Biegeelemente. Hohe Linearität und Wiederholgenauigkeit im positionsgeregelten Betrieb lassen sich durch das zusätzliche Aufbringen von Positionssensoren erzielen. Dazu werden Dehnmessstreifen-Sensoren (DMS), bestehend aus einer dünnen Metallfolie, auf der Piezokeramik angebracht. Bei Bedarf können Multilayer-Kontraktorplatten auch auf kundeneigenem Substrat wie Metall oder Silizium appliziert werden. Die Kontraktorplatten sind ebenfalls in verschiedenen Geometrien erhältlich, z.B. quadratisch oder als runde Scheibe.
Präzise Dosieranlagen für die Medizintechnik
Die je nach Auslegung und Belastung der Biegeaktoren mit bis zu 1000 Hz ausgesprochen hohe Resonanzfrequenz bietet gute Voraussetzungen für hochdynamische Anwendungen. Ihre Zuverlässigkeit und die flexiblen Ansteuerspannungen machen sie zur idealen Antriebslösung bei präzisen Dosier- und Pumpvorgängen, z.B. in Druckern oder in der Medizintechnik. Weitere Einsatzbereiche finden sich in der optischen Strahlablenkung, z.B. bei Scananwendungen und – dank den kleinen Abmessungen – auch in mobilen oder sogar implantierbaren Geräten. Bei speziellen Hörhilfen beispielsweise wirkt das Piezoelement als akustomechanischer Wandler, der Schall wird dabei über Knochenleitung übertragen.
Kundensupport vom Design bis zur Montage
Den Einsatzmöglichkeiten sind damit kaum Grenzen gesetzt, zumal neben einer angemessenen Preisgestaltung bei kundenspezifischen Ausführungen auch die Betreuung vom Prototypen bis hin zur späteren Serienfertigung ebenso gewährleistet ist wie die Integration der Piezokeramiken in das Kundenprodukt. Dazu gehören sowohl die elektrische Kontaktierung der Elemente nach Kundenvorgaben als auch die Montage in beigestellte Bauelemente, das Verkleben oder der Verguss. Die Biegeaktoren können beispielsweise mit speziell angepassten Halterungen versehen werden, die den Einbau beim Kunden erleichtern.
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