Ultraschall in der Messtechnik Vielfältig anwendbare Piezos

Als Ultraschall bezeichnet man mechanische Wellen oberhalb des menschlichen Hörfrequenzbereichs, also ab etwa 16 kHz. Industrie, Medizintechnik und Forschung nutzen diesen Frequenzbereich in vielerlei Hinsicht. Sie lassen sich praktisch in beliebigen Formen preisgünstig fertigen und bieten so für ganz unterschiedliche Anwendungen maßgeschneiderte Lösungen.

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, sie ist also reibungs- und verschleißfrei. »Piezos« erzeugen außerdem keine Magnetfelder und werden auch nicht von solchen beeinflusst. Ultraschall eignet sich für ein großes Spektrum an Anwendungen. Es reicht von Abstandsbestimmung und Objekterkennung, Füllstand- oder Durchflussmessungen, Ultraschall-Schweißen beziehungsweise -Bonden, über hochauflösende Materialprüfungen bis hin zur medizinischen Diagnostik und Therapie.

Auch zum Erzeugen und Detektieren der Ultraschallwellen bieten piezoelektrische Keramiken beste Voraussetzungen. Letztgenannte Applikation 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. 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, für Reinigungsbäder aber auch beim industriellen Schweißen oder Bonden. Die typischen Frequenzen des Leistungs-Ultraschalls liegen dabei zwischen 20 kHz und 800 kHz.

Beispiele aus der Praxis

Bei Piezokomponenten sind neben der auf die jeweilige Applikation bezogene Materialauswahl unterschiedliche geometrische Varianten und Resonanzfrequenzen realisierbar (Bild 1). Bauelemente wie Dickenschwinger in Scheiben- beziehungsweise Plattenform, Piezo-Ringscheiben, Piezorohre und Scherelemente mit Standardabmessungen kann PI Ceramic auf Basis vorrätiger Halbzeuge auch kurzfristig liefert.

Über die Standardabmessungen hinausgehende Geometrien sind auf Anfrage ebenfalls erhältlich. Außerdem sorgt das Unternehmen 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.

Wie bereits betont, sind die Anwendungsgebiete piezokeramischer Bauelemente breit gefächert. Die Ultraschall-Laufzeitmessung nutzt dabei sowohl den direkten als auch den inversen Piezoeffekt. Ein typischer Anwendungsfall für die Laufzeitmessung ist die Messung von Füllständen. Der Piezowandler arbeitet als Sender und Empfänger.

Er sendet einen Ultraschallimpuls aus, der vom Füllmedium reflektiert wird. Die benötigte Laufzeit ist ein Maß für den zurückgelegten Weg im leeren Behälterteil. Die Durchflussmessung basiert auf der Laufzeitdifferenz bei wechselseitigem Senden und Empfangen von Ultraschallimpulsen in und gegen die Strömungsrichtung (Bild 2). Dabei werden zwei Piezowandler, die sowohl als Sender als auch als Empfänger arbeiten, in einer Schallstrecke schräg zur Strömungsrichtung angeordnet.

Arbeitet man nach dem Prinzip des Doppler-Effekts, wird die Phasen- beziehungsweise Frequenzverschiebung der von den Flüssigkeitspartikeln gestreuten beziehungsweise reflektierten Ultraschallwellen ausgewertet. Die Frequenzverschiebung zwischen abgestrahlter und am gleichen Pie-zowandler empfangener, reflektierter Wellenfront ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit.

Auf ähnliche Weise lassen sich viele andere Aufgabenstellungen effektiv lösen, zum Beispiel Objekterkennungen oder hochauflösende Materialprüfungen. Auch aus der Medizintechnik lassen sich die Piezoelemente nicht mehr wegdenken. Neben Laufzeitmessungen wie in der Luftblasendetektion finden sich typische Anwendungen beim Pumpen und Dosieren. Die Dosiermengen reichen vom Mikro- und Nano- bis in den Picoliterbereich.

Wichtige Merkmale der piezobasierten Mikrodosiersysteme sind ihre kleinen Abmessungen, ihr geringer Energieverbrauch und niedrige Kosten. Ähnliches gilt für Geräte zur Aerosolerzeugung, bei denen ein Piezo-Element eine Membran zu Ultraschallschwingungen anregt. Die Frequenz beträgt ungefähr 35 kHz. Durch die daraus resultierenden Druckänderungen an der Membran wird das Fluid durch Löcher in der Membran gepresst und so zerstäubt.

Weitere interessante Anwendungsgebiete liegen im Bereich des Leistungs-Ultraschalls. Im industriellen Umfeld gelten das Ultraschallschweißen vornehmlich von Kunststoffen und das Bonden von Drähten in der Chipfertigung als preisgünstige, effiziente Lösung.

Eine andere industrielle Anwendung ist die Ultraschallreinigung, auch in der Mikrosystemtechnik und Halbleiterfertigung (Bild 3).

Die Herausforderung dabei besteht darin, kleinste Strukturen nicht zu zerstören. Ultraschallsysteme, die mit Arbeitsfrequenzen zwischen 700 kHz und 3 MHz arbeiten, bieten hierfür die besten Voraussetzungen. Mit ihnen lassen sich Schmutzpartikel im Nanometerbereich zuverlässig entfernen, ohne die empfindlichen Oberflächen durch zu hohen Druck oder hohe Temperaturen zu beschädigen. Dabei ist die prinzipielle Funktionsweise einfach zu verstehen: Das Ultraschallsystem besteht grundsätzlich aus drei Komponenten: dem elektronischen Ultraschall-Generator, dem Ultraschall-Schwinger/Transducer, also einem Piezoelement, und einer der Reinigungsaufgabe angepassten Flüssigkeit.

Der Ultraschallgenerator wandelt die vom Netz gelieferte Wechselspannung von 50 Hz in eine Frequenz, die der Betriebsfrequenz des Transducers entspricht. Die so gewonnene elektrische Energie setzt der Transducer in mechanische Schallschwingungen um, bringt also die ihn umgebende Flüssigkeit zum Schwingen. Jede Schwingung bewirkt in der Flüssigkeit abwechselnd eine Überdruck- und eine Unterdruckphase, je nachdem ob sich der Transducer ausdehnt oder zusammenzieht.

Während der Unterdruckphase entstehen in der Flüssigkeit infolge ihrer begrenzten Zugfähigkeit kleine Hohlräume, die in der Überdruckphase wieder zusammenfallen. Dieses Implodieren der so genannten Kavitationsblasen löst an den Flächen zwischen Flüssigkeit und Reinigungsgut die Schmutzpartikel.

Über den Autor:

Frank Möller ist im Vertrieb und Marketing bei PI Ceramic und Ellen-Christine Reiff schreibt für das Redaktionsbüro Stutensee.