1 Ãberblick über die Sensorik
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Seite 99<br />
196 4.2 Piezoelektrische Kraft- und Drucksensoren 4.2.1 Piezoelektrischer Effekt 197<br />
Bild 4.1.7-9<br />
a) mikromechanisch hergestellter Silizium-Biegebalken<br />
b) Beschleunigungssensor: Am Silizium-Federkörper ist eine träge Masse integriert:<br />
Bei einer Beschleunigung lenkt <strong>die</strong>se den Federkörper aus, so daß <strong>die</strong> Größe<br />
der Beschleunigungskraft gemessen werden kann.<br />
Ein grundsätzlicher Vorteil aller monolithischen Siliziumsensoren ist, daß im Prinzip<br />
auf dem Sensorkristall auch weitere Halbleiterbauelemente integriert werden können,<br />
so daß auf dem Sensorchip bereits eine Daten(vor)verarbeitung erfolgen kann. In der<br />
Forschung sind solche integrierten Sensoren auch bereits realisiert worden.<br />
Theoretisch und experimentell konnte gezeigt werden [4.32], daß der Bandabstand in<br />
Halbleitern geringfügig von der Größe anliegender mechanischer Spannungen abhängt,<br />
<strong>die</strong>ser Effekt geht in <strong>die</strong> Sättigungsstromdichte bipolarer Transistoren ein (Band 2, Abschnitt<br />
10.2.1). Sensoren auf <strong>die</strong>ser Basis werden Piezotransistoren genannt, auch<br />
<strong>die</strong>se sind im Forschungsmaßstab hergestellt worden.<br />
4.2 Piezoelektrische Kraft- und Drucksensoren<br />
4.2.1 Piezoelektrischer Effekt<br />
In Verbindung mit Kaltleitern und pyroelektrischen Temperatursensoren war bereits<br />
<strong>die</strong> Ferroelektrizität vieler keramischer (häufig perovskitischer) Werkstoffe eingeführt<br />
worden. Neben den genannten Verbindungen sind auch Mischkristalle unterschiedlicher<br />
Materialien von Bedeutung, insbesondere <strong>die</strong> Legierung Bleititanat-Bleizirkonat<br />
(PZT). Bild 4.2.1-1 zeigt das Zustandsdiagramm <strong>die</strong>ses Systems mit den dazugehörigen<br />
Kristallstrukturen.<br />
Auf der titanatreichen Seite des Zustandsdiagramms geht <strong>die</strong> ferroelektrische tetragonale<br />
Struktur oberhalb der Curietemperatur in eine nichtferroelektrische kubische Struktur<br />
über (Bild 4.2.1-2).<br />
Die Polarisation ferroelektrischer Materialien kann verändert werden, wenn der Kristall<br />
aufgrund einer mechanischen Belastung elastisch verformt wird (Bild 3.3.5-1). Ein Kriterium<br />
hierfür ist <strong>die</strong> Abwesenheit eines Symmetriezentrums (Bild 4.2.1-3): Nur in <strong>die</strong>sem<br />
Fall wirkt <strong>die</strong> Verzerrung unsymmetrisch, so daß bei elektrisch geladenen Gitteratomen<br />
ein zusätzlicher Beitrag zur Polarisation entsteht.<br />
Die Erzeugung einer durch eine elastische Verformung induzierten elektrischenPolarisation<br />
(piezoelektrischer Effekt) ist nicht nur bei ferroelektrischen Werkstoffen (<strong>die</strong><br />
immer piezoelektrische Eigenschaften haben) möglich: Auch nichtferroelektrische kristalline<br />
Werkstoffe, wie der kovalent gebundene SiO 2 -Kristall (Quarz, Band 1, Abschnitt<br />
1.3.3), können denselben Effekt zeigen. Der piezoelektrische Effekt ist umkehrbar:<br />
Das Anlegen eines elektrischen Feldes an einen piezoelektrisch aktiven Werkstoff<br />
kann zu einer Gitterverzerrung führen (Bild 4.2.1-4).<br />
Bild 4.2.1-1 Zustandsdiagramm des Systems Bleititanat-Bleizirkonat (nach [3.42])<br />
Oberhalb der Linie, welche <strong>die</strong> Curietemperatur für den ferroelektrischen Zustand<br />
in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung beschreibt, hat <strong>die</strong> Legierung<br />
eine (nichtferroelektrische) kubische Struktur, unterhalb davon eine von der Zusammensetzung<br />
abhängige tetragonale oder rhomboedrische Struktur. Beide sind ferroelektrisch<br />
mit dem Polarisationsvektor P s ; auf der zirkonatreichen Seite des Systems<br />
tritt bei einer Zusammensetzung oberhalb von 94 auch eine antiferroelektrische<br />
Phase auf.<br />
Bild 4.2.1-2<br />
Gitterstrukturen des nichtferroelektrischen rein kubischen PZT oberhalb der Curietemperatur<br />
(a) und des ferroelektrischen tetragonalen PZT (titanatreiche Zusammensetzung)<br />
unterhalb der Curietemperatur (b). Zu erkennen ist <strong>die</strong> Verschiebung<br />
des vierfach geladenen Kations aus der zentralen Lage, hierin liegt <strong>die</strong> Ursache für<br />
das permanente elektrische Dipolmoment (nach [4.33])