Ein modellbasiertes Messverfahren zur Charakterisierung der frequenzabh?ngigen Materialeigenschaften von Piezokeramiken unter Verwendung eines einzelnen Probek?rperindividuums

Zur vollst?ndigen Bestimmung eines Materialparametersatzes für Piezokeramiken wird bis heute ein Verfahren verwendet, welches auf der Vermessung von fünf in der Geometrie verschiedenen und unterschiedlich prozessierten Materialproben basiert. Da die Herstellungsschritte die Materialeigenschaften jedoch deutlich beeinflussen, kann dieses
Vorgehen somit nur zu einem inkonsistenten Materialparametersatz führen. Hieraus ergeben sich zum Teil recht gro?e Abweichungen zwischen Simulation und Experiment. Die bisherige Verfahrensweise, mehrere Materialproben einzusetzen, resultiert aus der Tatsache, dass je nach Probengeometrie nicht alle Materialparameter gleicherma?en das
Ergebnis der Materialcharakterisierung beeinflussen. So zeigt zum Beispiel die Impedanzmessung an einer Piezokeramikscheibe mit vollfl?chigen Elektroden nur eine geringe Sensitivit?t für die radiale Komponente des Permittivit?tstensors. Der zunehmende Einsatz von Simulationswerkzeugen zum Sensordesign sowie der Einsatz vorzugsweise kleiner piezokeramischer Bauelemente machen die Charakterisierung aller Materialparameter an der jeweiligen konkreten Geometrie des piezokeramischen Bauelementes zwingend notwendig. Die Bestimmung eines
solchen konsistenten Materialparametersatzes ist eine entscheidende Voraussetzung für den Entwurf optimierter piezokeramischer Schallwandler (z. B. Sensor Arrays, Annular Arrays oder Interdigital-Schallwandler). Im Rahmen des beantragten Forschungsvorhabens soll daher ein Messverfahren entwickelt werden, welches die Bestimmung aller relevanten Materialparameter bzw. eines konsistenten Materialparametersatzes an einem einzelnen Probek?rper
gew?hrleistet. In Zusammenarbeit haben beide Projektpartner bereits gezeigt, dass sich die Sensitivit?t der Messung auf alle Materialparameter durch die Verwendung von Piezokeramikscheiben mit drei ringf?rmig strukturierten Elektroden signifikant steigern l?sst. Durch zwei konzentrische Elektroden auf der gleichen Seite der Piezokeramik k?nnen so zum Beispiel auch elektrische Felder in radialer Richtung im Probek?rper erzeugt werden, was die gesteigerte Sensitivit?t erkl?rt. Aufgrund der hohen Komplexit?t des Messaufbaus ist eine analytische Berechnung aller Materialparameter aus den Messergebnissen nicht direkt m?glich. Es wird daher ein inverser Ansatz verwendet, bei dem der Verlauf der frequenzabh?ngigen Impedanz der Piezokeramik mit FEM-Simulationsergebnissen verglichen wird. Mit Hilfe von ableitungsbasierten Optimierungsalgorithmen werden die Parameter des Modells angepasst, bis Mess- und Simulationsergebnisse bestm?glich übereinstimmen.