Elektrische und elektromechanische Charakterisierungsmethoden für Piezo-, Ferro- und Dielektrika

Zur Charakterisierung von piezoelektrischen Eigenschaften kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz. Die piezoelektrischen Ladungskonstanten d₃₃ und d₃₁ können mittels eines Berlincourt-Meters quasistatisch bestimmt werden. Hierzu wird eine niederfrequente Last auf das Piezomaterial aufgebracht und die elektrische Antwort gemessen. Zur Bestimmung eines vollständigen Satzes linearer piezoelektrischer Materialparameter werden elektrische Impedanzmessungen an verschiedenen scheiben- und quaderförmigen Probekörpern gemäß DIN 50324-2 durchgeführt. Abhängig von der Problemstellung werden auch verschiedene andere Verfahren wie beispielsweise Schalllaufzeitmessungen oder laservibrometrische Messungen eingesetzt, um piezoelektrische Materialeigenschaften zu charakterisieren.

• D₃₃-Messung bis 4000 pC/N, D₃₁-Messung bis 400 pC/N
• Impedanzspektroskopie/Messung und Auswertung gemäß DIN 50324-2
• Schalllaufzeitmessungen
• Laservibrometrie

Piezoelektrische Wandler können auf verschiedene Weise elektrisch/mechanisch angeregt und die mechanische/elektrische Antwort gemessen werden. Für eine erste Charakterisierung hat sich hierzu die elektrische Impedanzspektroskopie als Mittel der Wahl erwiesen. Aber auch komplexere Charakterisierungen beispielsweise mittels Laservibrometer können durchgeführt werden. Zur Charakterisierung von Ultraschallwandlern werden weiterhin räumlich aufgelöste Schallfeldmessungen im Wasserbad eingesetzt.

• Impedanzspektroskopie
  
• Laservibrometrie
  
• Akustische Charakterisierung (Schallfeldmessung) mit 5-Achsen-Messsystem im Wasserbad

Die Messung des elektrischen Durchgangs- und Oberflächenwiderstands von festen Isolierstoffen erfolgt in der Regel an geeignet geformten Probekörpern (z. B. Scheibenproben). Auf diese werden Elektroden aufgebracht, die während der Widerstandsmessung mit einer elektrischen Spannung von bis zu 1000 V DC beaufschlagt werden. Aus einer gleichzeitigen hochgenauen Strommessung wird der elektrische Widerstand bestimmt.

• Messung des elektrischen Durchgangs- und Oberflächenwiderstands (1 MOhm bis 200 TOhm, bei Raumtemperatur bis > 1POhm) bei Temperaturen von -50 °C bis 1000 °C
  
• Messungen gemäß DIN EN 62631

Die Messung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit von dielektrischen Werkstoffen erfolgt in der Regel an geeignet geformten Probekörpern (z. B. Scheiben- oder Tablettenproben). Diese werden zwischen zwei Elektroden gebracht, wobei die Probekörper je nach Aufgabenstellung zusätzlich mit Filmelektroden versehen werden. Über die Elektroden wird eine zeitlich ansteigende elektrische Spannung (DC oder AC) angelegt, bis es zum elektrischen Durchschlag kommt, der sich in Form eines plötzlichen Stromflusses äußert. Die höchste erreichte elektrische Spannung ist die Durchschlagsspannung, aus welcher sich dann über die Geometrie des Probekörpers die (nominelle) elektrische Durchschlagsfestigkeit ergibt. In den meisten Fällen hängt die elektrische Durchschlagsfestigkeit allerdings von der konkreten Anordnung (z. B. der Dicke einer Scheibenprobe) ab, sodass es auch sinnvoll sein kann, direkt am Bauteil zu messen und entsprechende Bauteilkennwerte bzgl. der Durchschlagsfestigkeit zu ermitteln.

• Messung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit DC (bis 100 kV) und AC (bis 12 kV)
  
• Messungen gemäß den Normen ASTM D149, ASTM D3755 und DIN EN 60243
  
• Modellunterstützte Bewertung von elektrischem Komponentenversagen durch elektrischen Durchschlag

Die Messung der komplexen elektrischen Impedanz bzw. von Permittivität und Verlustwinkel erfolgt an geeignet geformten Probekörpern oder an Bauteilen. Meist werden zuvor Elektroden aufgebracht, um an den Probekörpern harmonische elektrische Wechselspannungssignale anlegen zu können. Es wird bei verschiedenen Messfrequenzen die Stromantwort gemessen und daraus die komplexe elektrische Impedanz bestimmt. Daraus kann auf die Permittivität und den Verlustwinkel geschlossen werden.

• Messung der komplexen elektrischen Impedanz bzw. von Permittivität und Verlustwinkel im Frequenzbereich von 20 Hz bis 1 GHz (Messungen bei höheren Frequenzen können in Kooperation mit der Gruppe Mikrosysteme, LTCC und HTCC angeboten werden)
• Messung gemäß den Normen ASTM D150, DIN EN 62631-2-1 und DIN EN 62631-2-2

Mittels Laser-Doppler-Vibrometern können mechanische Schwingungen von Prüfkörpern und Bauteilen an deren Oberfläche berührungslos mittels eines Laserstrahls gemessen werden. Hierbei lassen sich neben Punktmessungen auch die Schwingungsfelder auf ausgedehnten Oberflächen charakterisieren und visualisieren. Diese Methodik kann beispielsweise zur Identifikation von Materialparametern, Charakterisierung von Ultraschallwandlern und Validierung von Modellen verwendet werden.

• Durchführung und Auswertung von Punkt- und Flächenmessungen des Schwingungsverhaltens von Oberflächen (ortsaufgelöste Schwingungsgeschwindigkeit und ortsaufgelöster Schwingungsweg)

Für die elektrische Großsignalcharakterisierung werden Ladungs- und Wegmessungen an ferroelektrischen und anderen Probekörpern unter arbiträrer transienter elektrischer Anregung angeboten. Dabei wird standardmäßig der Temperaturbereich von -50 °C bis 250 °C abgedeckt (erweiterte Temperaturbereiche je nach Problemstellung möglich). Für die Polung von Ferroelektrika stehen Hochspannungsquellen bis zu 100 kV DC zur Verfügung.

• Hysteresemessung (Ladung und Weg bzw. Polarisation und Dehnung für Materialproben)
• Bestimmung von Tangenten- und Sekantenkapazitäten im Großsignalbereich
• Polung bis 100 kV, Impulspolung

Zur akustischen Charakterisierung stehen sowohl ein Wasserbad als auch eine Luftschallkammer zur Verfügung. Mittels eines fünf-achsigen Positioniersystems können beispielsweise Hydrophone und Reflektoren genau positioniert werden. Je nach Fragestellung lassen sich Puls-Echo- oder Sender-Empfänger-Anordnungen umsetzen. Eine typische Anwendung für eine Sender-Empfänger-Anordnung ist die Charakterisierung des ausgesendeten dreidimensionalen Schalldruckfelds von Ultraschallwandlern im Wasserbad. Hierzu wird vom Wandler Schall ausgesendet und mittels eines Hydrophons empfangen. Das Hydrophon wird schrittweise im Raum bewegt, um das gesamte räumliche Schallfeld zu erfassen.

• Schallfeldmessungen in Wasser und an Luft bei transienter (pulsförmiger) oder harmonischer Erregung
• Messungen von akustischen Impedanzen, Schallgeschwindigkeiten und Dämpfungseigenschaften
• Charakterisierung des Schallfeldes nach DIN EN 61689

Elektrische Bauteile oder Baugruppen wie Kondensatoren werden über lange Zeiten einer elektrischen Lastfolge ausgesetzt. Die Lebensdauer wird anhand eines festgelegten Ausfallkriteriums (z. B. unzulässige Erhöhung des Stromflusses) bestimmt. Da typische praxisrelevante Lebensdauern weit über den Zeiträumen liegen, die im Laborexperiment realisiert werden können, ist es meist nötig, die Versuche durch die Erhöhung der Temperatur und/oder des elektrischen Spannungsniveaus zu beschleunigen. Eine Rückrechnung auf die unter realen Einsatzbedingungen zu erwartende Lebensdauer erfolgt aus den dabei erhaltenen Ergebnissen unter Verwendung von Modellen.

• Konzept, Design, Durchführung von Lebensdauertests und hochbeschleunigten Lebensdauertests (HALT)
  
• Anwendung von Lebensdauervorhersagemodellen, Bestimmung von Weibull-Parametern und Versagenswahrscheinlichkeiten
  
• Problemangepasste Analyse von Ausfallmechanismen

Eines unserer zentralen Arbeitsgebiete ist die Entwicklung kundenspezifischer Messaufbauten insbesondere für die elektrische und elektromechanische Charakterisierung. Hierbei stellen wir Ihnen unser Know-How zur Verfügung und entwickeln einen Prüfstand für Ihre Messaufgabe. Dazu können wir auf eine Vielzahl von Messgeräten sowie eine eigene mechanische Werkstatt zurückgreifen. Sprechen Sie uns hierzu gern an!

Beispiele

• Elektrokalorischer Prüfstand
• Elektrische Charakterisierung von thermisch gespritzten Schichten