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Sonderdruck920-240d-07.03

PiezoStar®

Kristalle

Eine neue Dimensionin der Sensortechnik

Dr. Claudio Cavalloni,Dr. Roland Sommer,Kistler Instrumente AG,Winterthur

PiezoStar®-Kristalle

Eine neue Dimension in der Sensortechnik

Seit über 40 Jahren entwickelt und produziert Kistler piezoelektrische Sensorenfür die Messung von Druck, Kraft und Beschleunigung, auch für den Einsatz unterextremen Bedingungen. Neben Quarz werden heute vermehrt neue Kristalle fürdie Sensorelemente eingesetzt.

Steigende Anforderungen an dieEmpfindlichkeit, als Resultat der zuneh-menden Miniaturisierung, sowie höhereEinsatztemperaturen erforderten neueKristallverbindungen. In über 10 jährigerForschungsarbeit, in Kooperation mitHochschulen und Instituten auf derganzen Welt, wurden neue Kristallver-bindungen untersucht und die Züch-tungsprozesse entwickelt, mit demErgebnis, dass nun eine ganze Familievon Kristallen mit herausragendenEigenschaften für piezoelektrischeSensoren zur Verfügung steht. Seit 1998werden diese Kristalle bis zu 65 mm

Durchmesser und 2,5 kg Gewicht bei Kistler gezüchtet und zu Sensor-elementen verarbeitet. Damit entstandeine neue Gruppe von Druck-, Kraft-und Beschleunigungs-Sensoren mitüberlegenen Eigenschaften.Kistler optimierte die PiezoStar-Kristall-elemente für den Einsatz in Sensoren fürhohe Anforderungen und baut damitden technologischen Vorsprung in derSensortechnik aus. Zur Zeit werden ausder PiezoStar-Gruppe die Kristalle KI85und KI91 in Sensoren eingesetzt.

Meilensteine PiezoStar-Kristalle1995 Erster Miniatur Drucksensor (20

pC/bar) mit einem KI85 Kristall1995 Erster Hochtemperatur-Kraftsen-

sor mit KI85 Kristall1998 Erster KI85 Kristall bei Kistler

gezüchtet1999 Erster Miniatur Drucksensor

(temperaturkompensiert) miteinem KI91 Kristall

2002 Erster KI91 Kristall bei Kistlergezüchtet

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Einkristall

Messelement

Hochtemperatur-Drucksensor

PiezoStar

20 pC/bar

400 °C

Einige der herausragenden Eigenschaf-ten der PiezoStar-Kristalle von Kistlersind:• Hohe piezoelektrische Empfindlich-

keit (bis 5x höher als Quarz)• Geringe Temperaturabhängigkeit• Hohe Stabilität der Eigenschaften• Einsatztemperatur bis über 600 °C• Keine Phasenumwandlung bis zum

Schmelzpunkt (oberhalb 1300 °C)• Keine Zwillingsbildung• Reproduzierbarer Züchtungsprozess

im industriellen Massstab• Erprobt und bewährt eingesetzt in

hochwertigen piezoelektrischen Sen-soren

Piezoelektrische Eigenschaften

Piezoelektrische Empfindlichkeit ver-schiedener Hochtemperatur-Kristalle.KI85 und KI91 sind Kristalle aus derPiezoStar-Gruppe.

Empfindlichkeitsabweichung in Funktionder Temperatur verschiedener Kristalle

ProdukteBeispiele von bewährten Sensoren mitPiezoStar-Kristallelementen sind:

Miniatur M5-Hochtemperatur-Druck-sensoren Typ 6052B und DrucksondenTyp 6055/6057 für den Einsatz inVerbrennungsmotoren

Messzündkerze M14 Typ 6117B undM12 Typ 6115A für den Einsatz inVerbrennungsmotoren

3-Komponenten-Kraftsensoren mithoher Empfindlichkeit (11 pC/N) Typ9017A/9018A im ForceLink Typ9317A/9318A

Miniatur 5 mm HighSens-KraftsensorTyp 9215 mit hoher Empfindlichkeit(100 pC/N)

HighSens-Dehnungssensor Typ 9232Aund Dehnungstransmitter Typ 9234A

Miniatur 3-Komponenten-Dynamome-ter MiniDyn Typ 9256A für Mikrobear-beitung

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KI85 KI91 Quarz Turmalin GaPO40

1

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Long

itudi

nale

Em

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t [p

C/N

]

9.1

6.7

2.31.8

4.6

0 100 200 300 400 500-4

-2

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[%]

Temperatur [C]

PiezoStar KI85 PiezoStar KI91 Quarz Polystable Turmalin GaPO

4

Long

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C/N

]

KI85 KI91 Quarz Turmalin GaPO4

Empf

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ung

[%]

Temperatur [°C]

PiezoStar KI85PiezoStar KI91Quarz PolystableTurmalinGaPO4

KristalleigenschaftenDie PiezoStar-Kristalle gehören zurFamilie der Kalzium-Gallogermanate,Quarz-ähnliche Verbindungen wie zum Beispiel Langasit (La3Ga5SiO14).Der erste Kristall dieser Familie,Ca3Ga2Ge4O14, wurde bereits 1979 ander Universität Moskau entdeckt.Mittlerweile sind über 100 verschiedeneVerbindungen aus dieser Familie ge-züchtet und ein Teil davon auch piezo-elektrisch charakterisiert worden. DieseKristalle gehören zu gleichen kristallo-graphischen Symmetrieklasse 32 wieQuarz. Daher sind auch ähnlicheKristallschnitte (Longitudinal-, Transver-sal- und Schubschnitt) möglich. ImGegensatz zu Quarz oder Gallium-orthophosphat besitzen die Kristalle ausder Langasit-Familie keinen Phasenum-wandlungspunkt unterhalb des Schmelz-punktes. Dies erklärt die ausgezeichneteStabilität dieser Kristalle bis zu extremenTemperaturen.

Literatur: B.V. Mill and Yu.V. Pisarevsky,Proc. IEEE International FrequencyControl Symposium, 2000, p.133-144.

Die Anwendungen dieser Kristalle fin-den sich neben der Sensortechnik vorallem bei Resonatoren und Oberflä-chenwellen-Bauelementen für Oszilla-toren, Frequenzfilter und Verzöge-rungsleitungen für Mobilkommuni-kation und Fernsehgeräte.

Vorteile von PiezoStar-KristallenEinfach und wirtschaftlich züchtbar,gute Ausbeute, gute Stabilität, hoheEmpfindlichkeit, keine Zwillingsbildung,keine Phasenumwandlung unterhalbdes Schmelzpunktes, einsetzbar beihöchsten Temperaturen, kein Pyro-effekt

NachteileBelastbarkeit geringer als Quarz, höhe-re Kosten als Quarz.

Nachteile TurmalinNur natürliche Kristalle erhältlich (unter-schiedliche Qualität, Beschaffung nichtgesichert), geringe Empfindlichkeit.

Nachteile GaPO4Sehr aufwendig zu züchten, nur kleineKristalle erhältlich, kleine Ausbeute,Zwillingsbildung, Phasenumwandlungbei 970 °C.

Nachteile QuarzKleine Empfindlichkeit, Zwillingsbil-dung, Phasenumwandlung bei 573 °C.

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Besonderheit Pyroeffekt Tmax* Herstellung

Prozess Menge KostenQuarz mechanisch hoch belastbar nein 573 °C hydrothermal gross tiefKI85 hoch empfindlich nein Tm Czochralsky mittel hochKI91 geringer nein Tm Czochralsky mittel hoch

TemperaturkoeffizientGaPO4 geringer nein 970 °C hydrothermal klein hoch

TemperaturkoeffizientTurmalin hohe ja >900 °C natürlich klein hoch

TemperaturbeständigkeitPiezokeramik hoch empfindlich ja 250 °C Sintern gross tief(PZT)

* Phasenumwandlungstemperatur. Tm = keine Umwandlung unterhalb des Schmelzpunkts

Vergleich verschiedener piezoelektrischer Materialien

KI85 Kristall, Ø 55 mm, 1,8 kg

Das Czochralsky-Züchtungsverfahren(oder Züchtung aus der Schmelze)

Kistler verwendet dieses seit 1917bekannte Züchtungsverfahren, mit demin relativ kurzer Zeit grosse Kristalleguter Qualität gezüchtet werden kön-nen (zum Beispiel wird unser KI85-Kristall, Ø 55 mm, 1,8 kg, innerhalbeiner Woche gezüchtet). Die einzelnenKomponenten (meistens Oxidpulver)werden in einem Tiegel gemischt undbis zum Schmelzpunkt aufgeheizt(Induktivheizung). Die Temperaturbeträgt etwa 1400 bis 1500 °C, wasden Einsatz von Tiegeln aus Edelmetall(Platin oder Iridium) erfordert. Vonoben wird ein Keim (Stück Kristall glei-cher Verbindung) in die Schmelze ein-getaucht. Hier ist es sehr wichtig, dieTemperatur der Schmelze sehr genau zukontrollieren. Ist die Schmelze zu warm,schmilzt der Keim ab. Ist sie zu kalt,besteht die Gefahr, dass die Schmelzeauf Grund des Eintauchens des Keimsrasch erstarrt. Sobald das Kristallwachs-tum begonnen hat, wird der Keim lang-sam hochgezogen (etwa 1 mm/h). DieGrösse (Durchmesser) des Kristalls wirdüber die Heizleistung und die Ziehge-schwindigkeit automatisch gesteuert.

Auf dem Papier sieht es relativ einfachaus, aber in der Realität spielen sichkomplexe chaotische Phänomene in 3 Dimensionen ab. Insbesondere mussdie Temperatur sehr genau kontrolliertwerden. Wächst der Kristall zu schnell,besteht die Gefahr, dass sich Risse oderStörungen in der Kristallstruktur bilden.Deswegen ist neben einer sehr genauenRegelung der Heizleistung die Erfah-rung des Operators äusserst wichtig,um einen störungsfreien Kristall zuzüchten.

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Schematischer Aufbau des Czochralsky-

Verfahrens

KI91 Kristall Ø 65 mm, 2,5 kg

Kristallzüchtungsanlage nach Czochralski-Verfahren (Bild Kistler)

Nachheizer

Keim

Keramik-Isolator

Schmelze

Kristall

Spule

Tiegel

Dänemark/Finnland/Norwegen/SchwedenKistler Nordic ABAminogatan 34SE-431 53 MölndalTel. (+46) 31 871 566Fax (+46) 31 871 597info.se@kistler.com

ItalienKistler Italia s.r.l.Via Paolo Uccello, 4IT-20148 MilanoTel. (+39) 02 481 27 51Fax (+39) 02 481 28 21sales.it@kistler.com

Schweiz/LiechtensteinKistler Instrumente AG Verkauf SchweizPostfach, Eulachstr. 22CH-8408 WinterthurTel. (+41) 52 224 12 32Fax (+41) 52 224 14 21sales.ch@kistler.com

Volksrepublik ChinaKistler China Ltd.Unit D, 24 / F Seabright Plaza9–23 Shell StreetNorth Point, Hong KongTel. (+852) 25 91 59 30Fax (+852) 25 91 18 85sales.cn@kistler.com

Representative Office BeijingTel. (+86) 10 8225 2163Fax (+86) 10 8225 2124sales.cn@kistler.com

SingapurKistler Instruments (Pte) Ltd.50 Bukit Batok Street 23#04-06 Midview BuildingSingapore 659578Tel. (+65) 631 67331Fax (+65) 631 67332sales.sg@kistler.com

Europa

DeutschlandKistler Instrumente GmbHPostfach 1262DE-73748 OstfildernTel. (+49) 7 11 34 07 0 Fax (+49) 7 11 34 07 159info.de@kistler.com

GrossbritannienKistler Instruments Ltd.Alresford House, Mill LaneAlton, Hampshire GU34 2QJ, UKTel. (+44) 1420 54 44 77Fax (+44) 1420 54 44 74sales.uk@kistler.com

ÖsterreichKistler GmbHLemböckgasse 49fAT-1230 WienTel. (+43) 1 867 48 67 0Fax (+43) 1 867 48 67 17sales.at@kistler.com

Asien

JapanKistler Japan Co., Ltd.MT Building7-5, Shibadaimon 2-chomeMinato-ku, Tokyo 105Tel. (+81) 3 35 78 02 71Fax (+81) 3 35 78 02 78sales.jp@kistler.com

Republik KoreaKistler Korea Co., Ltd.3rd Floor, Bow Building1580-1, Seocho-3 dong, Seocho-ku, Seoul, Korea 137-875Tel. (+82) 2 597 6013Fax (+82) 2 525 6015sales.kr@kistler.com

FrankreichKistler SAZA de Courtabœuf 115, avenue du HoggarFR-91953 Les Ulis cédexTel. (+33) 1 69 18 81 81Fax (+33) 1 69 18 81 89info.fr@kistler.com

NiederlandeKistler B.V. NederlandNewtonlaan 115NL-3584 BH, UtrechtTel. (+31) 30 210 63 67 Fax (+31) 30 210 66 66sales.nl@kistler.com

Amerika

USA / KanadaKistler Instrument Corp.75 John Glenn DriveAmherst, NY 14228-2171Tel. (+1) 716 691 5100Fax (+1) 716 691 5226sales.us@kistler.com

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