Pictures of the Future Herbst 2005
Corporate Technology – Piezotechnik
Der starke Stapel
Ein Paradebeispiel für Sensor- und Aktorsysteme ist die Piezotechnik. Siemens hat hier auf fast allen Anwendungsgebieten Entscheidendes beigetragen – am aktuellsten ist die revolutionäre Piezo-Einspritzdüse für Dieselmotoren.
Revolutionäre Technik: Es war ein langer Weg von den Anfängen der Piezo-Aktoren im CT?Labor (unten links) bis zum erfolgreichen Einsatz in Dieselmotoren (Bilder oben: Injektor und Sprühvorgang). Die Fertigung erfordert Reinraumtechnik (ganz unten)
Der Quader ist 3 cm hoch und 7 mm breit und tief. Der unscheinbare Klotz aus Keramik offenbart seine Besonderheit erst unter dem Mikroskop. Er besteht aus 340 jeweils 0,08 mm dünnen Schichten, durch Lagen aus Metall getrennt (Grafik oben). Die Keramik aus Blei-Zirkonat-Titanat verhält sich piezoelektrisch: Unter einer elektrischen Spannung dehnt sie sich in Bruchteilen einer Tausendstel Sekunde aus, der Stapel streckt sich um 0,04 mm. Die Kraft, die der kleine Klotz dabei ausübt, reicht, um 220 kg zu stemmen.
"Früher dachte man, mit Piezotechnik könne man zwar Signale verarbeiten, aber keine nennenswerte mechanische Energie erzeugen", sagt Max Guntersdorfer, früher verantwortlich für das Gebiet Microsystems bei Siemens Corporate Technology (CT). Aber der Piezo-Aktor leitete eine neue Ära ein: Er übt Kraft aus und bewegt Gegenstände. Zunächst wurde er für eine einzige Anwendung entwickelt: die Piezo-Einspritzdüse. Im September 2000 startete Siemens VDO Automotive die Serienfertigung von Piezo-Injektoren für Dieselmotoren und wurde damit aus dem Stand Technologieführer. Gegenüber den bis dato verwendeten Magnetventilen haben Piezo-Einspritzdüsen den Vorteil, dass sie sich zeitlich viel präziser steuern lassen, so dass sie den Treibstoff während eines Motorzyklus in mehreren, genau dosierten Portionen einspritzen. Das kann den Verbrauch um über 20 % reduzieren; auch die Abgas-Emissionen sinken.
Erste Ideen für einen Piezo-Injektor entwickelten Siemens-Forscher bereits 1980. Im Lauf der Jahre entstanden daraus weit über 100 Patente. 1996 entschied der Bereichsvorstand der Siemens Automobiltechnik, die Einspritzdüsen nicht für Benzin-, sondern für Dieselmotoren marktreif zu machen – obwohl Siemens hier keinerlei Erfahrung besaß. Noch heute freut sich das Team um Hans Meixner über diesen Streich. "Alle wussten, dass wir an Piezo-Einspritztechnik für Otto-Motoren arbeiteten, aber niemand hatte erwartet, dass wir mit Diesel-Injektoren auf den Markt kommen", sagt der ehemalige Leiter des Fachzentrums Sensor & Actuator Systems bei CT. Ermöglicht wurde der Coup durch die Mehrlagentechnik der Piezo-Aktoren. Die Materialforscher von Siemens lösten damit mit Kollegen von Siemens Matsushita Components (heute Epcos AG) das Problem, dass für nennenswerte Verformungen von größeren Bauteilen eigentlich große Spannungen nötig sind. Um den Piezo-Effekt in einem einzelnen Plättchen auszulösen, reichen dagegen 160 V – der entscheidende Trick ist also, viele solcher Plättchen zu stapeln und elekrisch parallel zu schalten.
Allerdings erwies es sich als anspruchsvolle Aufgabe, Stapel mit ausreichender Belastbarkeit und Lebensdauer zu entwickeln. Bis heute ist Epcos weltweit der einzige Serienhersteller der Piezo-Stapel für Einspritzventile. Nun ist auch ein Piezo-Injektor für Benzinmotoren kurz vor der Serienreife. "Alle Autohersteller und Zulieferer weltweit setzen auf diese Technik", sagt Meixner, der mit Klaus Egger, Bereichsvorstand bei Siemens VDO, und Friedrich Boecking von der Robert Bosch GmbH für den Deutschen Zukunftspreis 2005 nominiert wurde (siehe In aller Kürze).
Diese Erfolgsgeschichte basiert letztlich auf der langen Erfahrung, die Siemens in der Piezo-Technik gesammelt und in bahnbrechenden Erfindungen umgesetzt hat. Bereits in den 50er Jahren baute ein Team Kompetenz für Elektrokeramik und Kaltleiter auf und beschäftigte sich dann Anfang der 60er Jahre intensiv mit Piezomaterialien. Zu Beginn ging es vor allem um extrem stabile und trennscharfe Filter für die Fernmelde- technik. Dank Piezo-Filtern ließen sich sehr viele Gespräche pro Kanal übertragen. "Siemens gewann damals dank des besseren Prinzips das Wettrennen mit dem US-Konzern Bell", erzählt Guntersdorfer. Die Materialforschung um dieses 100-kHz-Filter unter Leitung seines Kollegen Helmut Thomann warf schnell weitere Produkte ab: Die Forscher entwickelten piezokeramische Folien, die ab 1972 in Telefon-Mikrofonen zum Einsatz kamen, später ersetzten Piezo-Membranen auch Lautsprecher und Klingel. "Das war die erste Anwendung als Schallgeber", sagt Guntersdorfer. Heute piepen diese Buzzer in vielen Elektrogeräten und generieren in Handys die Klingeltöne.
Der Piezo-Baum
Das Feld der Piezotechnik ist weit verzweigt. Der "Piezo-Baum" trägt bereits zahlreiche Früchte, entwickelt aber immer weitere Blüten. Piezo-Elemente dienen beispielsweise als Filter für elektromagnetische Wellen (Oberflächenwellenfilter, Filterkeramiken), sie wandeln elektromagnetische Signale in Schall um (Lautsprecher, Buzzer) und umgekehrt (Fernsprechmikrofon, Klopfsensor) oder sie setzen mechanischen Druck in elektrische Signale um (batterielose Funktechnik, Piezozünder). Manche Elemente dienen als Sensoren für Ultraschall, andere erzeugen Ultraschall: im Echolot, in der medizinischen Diagnostik, in Durchflussmessern oder zur Zerstäubung von Flüssigkeiten. Ein neuer, stark wachsender Ast sind die Piezo-Aktoren, die Anwendungen von Piezo-Einspritzventilen bis hin zu starken Piezo-Motoren erlauben. Solche Motoren werden etwa von der Firma Elliptec Resonant Actuator AG – einem Start-up, das sich aus Siemens entwickelte – für den Spielzeug- und Consumer-Markt angeboten. Die Vielschicht-Aktoren eignen sich aber zum Beispiel auch für völlig neuartige elektrische Fensterheber im Auto, die gleichzeitig eine integrierte Sensorik enthalten
Siemens war ebenfalls führend bei Piezo-Wandlern für die Ultraschalldiagnostik in der Medizin, und auch die ersten Tintenstrahldrucker, bei denen die Tinte aus dünnen Piezo-Röhrchen ausgestoßen wurde, entstanden bei Siemens. Die Zentrale Forschung hat viele dieser Innovationen entscheidend vorangebracht – nicht zuletzt dank der kreativen Atmosphäre im Entwicklungsteam. So gab der Forscher Andreas Kappel, der sich zuvor mit Piezo-Tintendruckern beschäftigt hatte, seit den 90er Jahren mit einer Vielzahl von Patenten auch den Piezo-Injektoren einen kräftigen Schub: Er entwickelte etwa hydraulische Übersetzer, die den Hub des Piezo-Aktors vergrößern und temperaturbedingte Längenänderungen ausgleichen konnten. "Die Röhrchen im Tintenstrahldrucker sind ja im Grunde auch nichts anderes als Mini-Einspritzdüsen", sagt Kappel, der 2002 die Siemens-Auszeichnung "Erfinder des Jahres" erhielt. Einen weiteren Coup landete das Piezo-Labor mit dem Oberflächenwellenfilter (OFW) aus Lithium-Niobat, das 1977 in Grundig-Fernsehern elektromagnetische Filter ersetzte und die Bild- und Tonqualität entscheidend verbesserte. Anders als die großen und teuren 100-kHz-Filter für die Fernmeldetechnik waren die OFW klein und preiswert. Obwohl die Filter daher schnell zu einem Renner wurden, machte sie erst der Handy-Boom auch finanziell zu einem Erfolg. "Mobiltelefone wären ohne OFW gar nicht denkbar", sagt Guntersdorfer.
Ein großer Erfolg in der Automobiltechnik gelang dem Piezo-Team 1989 mit dem Klopfsensor, einem elektronischen Ohr für den Motor, mit dem sich der Wirkungsgrad optimieren lässt. "Derzeit sind 40 Millionen Motoren weltweit mit Siemens-Klopfsensoren bestückt", berichtet der Physiker Randolf Mock. Mit Computersimulationen brachte Mock die Entwicklung des Sensors entscheidend voran.
Eine neue Entwicklung aus der Piezo-Schmiede ist die batterielose Funktechnik: Allein durch Drücken eines Lichtschalters erzeugt ein piezoelektrischer Energiewandler genug Energie, um ein Funksignal zur Lichtquelle zu senden. Siemens-Mitarbeiter gründeten 2001 die Firma EnOcean GmbH, um die Erfindung zu vermarkten. Inzwischen sind weitere Ideen umgesetzt, etwa ein batterieloser Reifensensor.
Zudem haben Siemens-Forscher entdeckt, dass sich Piezo-Aktoren gut zur Schalldämpfung eignen, etwa in Magnetresonanz-Tomographen. Da sie zugleich Schwingungssensoren sind, können die Bauteile das Rütteln erst registrieren und dann mit geeigneten Bewegungen gegensteuern. In Zukunft könnten daher Piezo-Elemente als Learning Soft Sensors andere Sensoren vielfach überflüssig machen. So könnte etwa der Aktor in der Einspritzdüse weitere Informationen über den Druck im Zylinder liefern. Andreas Kappel ist sich sicher: "Die Piezotechnik ist eine bedeutende Basistechnologie geworden, deren Ende noch gar nicht abzusehen ist."
Ute Kehse