Zwei Sinne für den Computer

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1 Zwei Sinne für den Computer Ferroelektrete und ihre Anwendung Vortrag: Jan Philipp Dietrich Betreuer: Dr. Michael Wegener

2 Gliederung 1.Piezoelektrischer Effekt 2.Ferroelektrete Eigenschaften Begriffserklärung Herstellung 3.Anwendungen 4.Quellen

3 1.Piezoelektrischer Effekt Schnittstelle: Mechanik Elektrodynamik Mechanische Verformung Änderung des elektrischen Dipolmoments Spannungsänderung Inverser Effekt: Spannungsänderung Mechanische Verformung Je nach Material Dipolmoment proportional oder antiproportional zur Dicke Pyroelektrischer Effekt: Änderung der Temperatur Änderung des elektrischen Dipolmoments

4 1.Piezoelektrischer Effekt (Quelle [4])

5 2.Ferroelektrete - Eigenschaften Polymerschäume Ladungen in Blasen innerhalb des Polymers makroskopische Dipole Dipolmoment Dicke Starker piezoelektrischer Effekt Meist unpolare Materialien (Quelle [3])

6 2.Ferroelektrete - Begriffserklärung Begriff geprägt von Siegfried Bauer (Uni Linz) Kunstwort aus: Ferro(magnete) und Elektret Ferro(magnet): Polarität kann vertauscht werden Das Material kann zwischen zwei Zuständen umschalten Elektrete: Materialien, welche in der Lage sind Ladungen zu speichern.

7 2.Ferroelektrete - Herstellung Benötigen Polymerschaum als Ausgangsmaterial: Standardmaterial Polypropylen (PP): Eine Schicht PP mit Beimischungen (z.b. CaCO3) Zwei PP-Randschichten ohne Beimischung In der Industrie auch viellagigere Schichten üblich

8 2.Ferroelektrete - Herstellung Bidirektionales Strecken Zusatz lässt das Polymer aufbrechen Blasenbildung Expansion des Schaums hin zur gewünschten Dichte / Blasenform Streckung Expansion Gas (z.b. Stickstoff) diffundiert unter Hochdruck in das Polymer Aussendruck wird normalisiert Expansion Entscheidende Parameter: Druck, Zeit

9 2.Ferroelektrete - Herstellung a) unbehandelt b) mittlere Expansion (Quelle [2]) c) maximale Expansion

10 2.Ferroelektrete - Herstellung Was sind die optimalen Parameter beim Expandieren? Wünsche: 1. Starke Änderung des Dipolmoments große Dickenänderung niedrige Dichte 2. Hohe Drucksensitivität leichte Verformbarkeit Optimum bei maximaler Expansion? (Quelle [1])

11 2.Ferroelektrete - Herstellung (Quelle [2]) Wieso existiert ein Minimum der Steifheit des Materials bezogen auf die Dichte? Vergleich optimale Dichte niedrige Dichte (Quelle [2])

12 2.Ferroelektrete - Herstellung Polymerschaum mit linsenförmigen Blasen fertiggestellt Nächster Schritt: Erzeugung von Ladungen im Material Anlegen einer Hochspannung (z.b. durch Koronaentladung oder Kondensatorplatten) Hochspannung ionisiert das in den Blasen gefangene Gas Ladungsträger setzen sich an der Oberläche des Polymers ab.

13 2.Ferroelektrete - Herstellung Reine PP-Schicht Beimischung Ovale Blasen Reine PP-Schicht Beimischung Ladungen (Quelle [3])

14 3.Anwendungen - Drucksensoren Großflächige Sensoren Flur- oder Türsensoren (Quelle [5]) Zutrittsüberwachung in sicherheitsrelevanten Bereichen Komfortables Wohnen (z.b. Sensoren als unsichtbare Lichtschalter) Bett- oder Stuhlsensoren, z.b. zur Patientenüberwachung in Krankenhäusern

15 3.Anwendungen - Drucksensoren Flexible und widerstandsfähige Sensoren (Quelle [6]) Tastaturen z.b. für Geldautomaten, Handys,... Funktionieren auch unter dicken Schutzfolien Formen frei wählbar

16 3.Anwendungen - Schallsensoren Tonabnehmer in Instrumenten Wandelt Vibrationen/Schallwellen in elektrisches Signal um klein flexibel/biegsam hohe Signal-Qualität Weitere Anwendungen: Einsatz als Schall- bzw. Ultraschallquelle (Quelle [7])

17 5.Quellen [1] M. Wegener, W. Wirges, R. Gerhard-Multhaupt, Adv. Ceram. Mater [2] M. Wegener, E. Tuncer, W. Wirges, R. Gerhard-Multhaupt u.a., IEEE Ultrasonics Symposium, 2004 [3] Grafik: Siegfried Bauer, Uni Linz [4] [5] [6] [7] Herzlichen Dank an Michael Wegener für die Unterstützung und Bereitsstellung von Materialien