Piezoelektrische Materialien wandeln elektrische Signale in mechanische Auslenkung um und umgekehrt. In unseren Schallwandlern sind piezoelektrische Scheiben das Herzstück. Eine anliegende Wechselspannung bringt die Wandlerscheibe im Sender zum Schwingen. Diese Schwingung wird auf die Luft übertragen. Im Empfänger wird die Wandlerscheibe durch die Schwingungen der Luft verformt. Dadurch entsteht ein zeitabhängiges elektrisches Signal.
Wir benutzen als piezoelektrisches Material häufig PZT-Keramik. Die Schwingungsfrequenzen der Wandlerscheiben werden von ihren Abmessungen bestimmt. Für Luftultraschall werden häufig kreisrunde Scheiben eingesetzt, bei denen man die radiale Schwingung nutzt. Für tieffrequente Schwingungen sind deswegen große Scheibendurchmesser nötig. Dadurch wird aber das Schallfeld ausgedehnter. Das beeinträchtigt die Prüfung mit diesen Wandlern.
Unser Ansatz ist anders: wir benutzen die Dickenschwingung von dünnen Keramikstäbchen. Diese sind parallel in ein nicht piezoelektrisches Polymer eingebettet. Dadurch können viel kleinere Scheibendurchmesser erreicht werden. Durch so einen Verbundwerkstoff – ein Komposit – steigt außerdem die Effizienz der Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie (und umgekehrt).
Elektrodieren und Polen – Metalldampf unter Spannung
Auf die Kompositscheiben bringen wir oben und unten eine elektrisch leitende Schicht auf. Diese besteht aus Metall und wird durch Bedampfung aufgebracht. Die Beschichtung von Verbundmaterialien ist gar nicht so einfach. Schließlich soll das Metall fest haften und das auch bei höheren Temperaturen, damit es lötbar ist. Wir erreichen das, indem wir mit einer Abfolge verschiedener Metalle beschichten. Wir können die Elektroden auch strukturieren. Dazu verwenden wir Masken.
Polarisieren – durch Hochspannung zur Vorzugssrichtung
Um piezoelektrisch zu sein, muss das Material eine ausgerichtete elektrische Polarisation haben. Bei gesinterter PZT-Keramik ist das nicht der Fall. Hier sind die Bereiche gleicher Orientierung der Polarisation (Domänen) zufällig verteilt. Das lässt sich ändern, indem man ein starkes elektrisches Gleichfeld anlegt. Diesen Vorgang nennt man Polarsieren. Je nach Dicke der Wandlerscheiben sind dafür mehrere Kilovolt Spannung notwendig. Mit am FZ-U entwickelten Polungsgeräten erreichen wir die notwendigen Spannungswerte und können den Polarisationsvorgang zeitlich steuern.
Nach dem Polarisieren sind die Wandlerscheiben piezoelektrisch.
Aufbau des Wandlers – die Verpackungs macht‘s
Die piezoelektrische Wandlerscheibe wird in ein Gehäuse eingebaut und mit einer Schutzschicht versehen. Dabei tun wir Einiges, um das Schwingungsungsverhalten der Wandlerscheibe zu verbessern und die in die Luft abgestrahlte Leistung des Wandlers bzw. seine Empfindlichkeit zu erhöhen. Die Verpackung ist in diesem Fall tatsächlich entscheidend. Schließlich haben wir einen Wandler mit Gehäuse und elektrischem Anschluss.
Charakterisieren – Messen was rauskommt
Den fertigen Wandler können wir mit verschiedenen Methoden untersuchen. Wir können das Schallfeld eines Luftultraschall-Senders vermessen, indem wir es mit einem optischen Mikrofon abscannen. So ein optisches Mikrofon ist für einen großen Frequenzbereich etwa gleichempfindlich. Es nutzt die kleinen durch die Schallwelle erzeugten Dichteunterschiede der Luft zur Messung. Dieser bewirkt nämlich auch eine Änderung der Lichtgeschwindigkeit, was trickreich gemessen werden kann. Außerdem können wir die Wandler elektrisch untersuchen. Das wichtigste ist häufig, ihn im echten Prüfeinsatz zu beurteilen. Bei Neuentwicklungen von Wandlern ist das die entscheidende Untersuchung.
