Anwendungsbeispiele aus der Praxis
Bild 3: PICeramic
Die Anwendungsgebiete piezokeramischer Bauelemente sind 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 dabei als Sender und als Empfänger. Er sendet einen Ultraschallimpuls aus, der vom Füllmedium reflektiert wird. Die benötigte Laufzeit ist ein Maß für den zurückgelegten Weg im leeren Behälterteil.
Bei der Durchflussmessung wird die Laufzeitdifferenz durch wechselseitiges Senden und Empfangen von Ultraschallimpulsen in und gegen die Strömungsrichtung ermittelt. Dabei befinden sich zwei Piezowandler, die sowohl als Sender als auch als Empfänger arbeiten, in einer Schallstrecke schräg zur Strömungsrichtung. Arbeitet man nach dem Prinzip des Doppler-Effekts, wird die Phasen- beziehungsweise die Frequenzverschiebung der von den Flüssigkeitspartikeln gestreuten beziehungsweise reflektierten Ultraschallwellen ausgewertet. Die Frequenzverschiebung zwischen abgestrahlter und am gleichen Piezowandler empfangener, reflektierter Wellenfront ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit. Auf ähnliche Weise lassen sich viele andere Aufgabenstellungen, wie die Objekterkennungen oder hochauflösende Materialprüfungen, effektiv lösen.
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 μl- und nl- bis in den pl-Bereich. Dabei überzeugen die piezobasierten Mikrodosiersysteme durch kleine Abmessungen, niedrigen Energieverbrauch und geringe Kosten. Ähnliches gilt für Geräte zur Aerosolerzeugung, bei denen ein Piezoelement eine Membran zu Ultraschallschwingungen anregt. Die Frequenz beträgt circa 35 kHz. Die daraus resultierenden Druckänderungen an der Membran pressen das Fluid durch Löcher in der Membran zerstäuben es.
Weitere interessante Anwendungsgebiete liegen im Bereich des Leistungs-Ultraschalls. So gelten das Ultraschallschweißen vornehmlich von Kunststoffen im industriellen Umfeld und das Bonden von Drähten in der Chipfertigung als preisgünstige, effiziente Lösung. Eine andere industrielle Anwendung ist die Ultraschallreinigung unter anderem in der Mikrosystemtechnik und der Halbleiterfertigung (Bild 2). Ultraschallgetriebene Werkzeuge ermöglichen heute minimalinvasive Operationstechniken ebenso wie die Zahnsteinentfernung (Bild 3). Mit hochenergetischen Stoßwellen lassen sich Nierensteine zertrümmern.