1 Überblick über die Sensorik

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