Abhängigkeit der piezoelektrischen Eigenschaften von Ferroelektreten von der Form, dem Elastizitätsmodul und der Aufladung von rechteckigen und konvexen Polymerröhrenarrays

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Heinz von Seggern
• Subject Area: Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
• Term: from 2012 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 211266539

Ferroelektrete (= Piezoelektrete) sind unpolare Kunststofffilme, die durch einen Symmetriebruch in der elektrischen Ladung zu piezoelektrisch aktiven Materialien gewandelt werden und dann zu Pie-zosensoren verarbeitet werden können. Ein klassischer Vertreter dieser Gattung ist das poröse Poly-propylen (PP), das zu ca. 60% aus ungleichmäßig großen, geschlossenen Luftporen und zu 40% aus PP aufgebaut ist. Lädt man die Porenwände elektrisch so auf, dass die Ladungen eines Vorzeichens auf die eine Porenoberfläche und die Ladungen des anderen Vorzeichens auf die gegenüberliegende Porenoberfläche senkrecht zur Filmoberfläche verschoben sind, erzeugt man einen Symmetriebruch. Dieser führt bei mechanischer Verformung des Films zu einer Oberflächenspannung, die den piezo-elektrischen Effekt ausmacht. Die Größe der dadurch erzielbaren piezoelektrischen Konstanten hängt in nicht-trivialer Weise von der elektrischen Aufladungshöhe, dem Elastizitätsmodul des Films und der elektrischen Durchbruchsspannung ab, die alle über die verwendete Morphologie/Geometrie des Films verbunden sind. Im vorliegenden Forschungsvorhaben soll anhand eines geometrisch einfachen Piezosensors, beste-hend aus einem einzelnen oder mehreren, mechanisch gekoppelten, luftgefüllten Fluorpolymer-Röhrchen unterschiedlicher Form, der grundsätzliche Zusammenhang zwischen Aufladung, Elastizi-tätsmodul und deren Abhängigkeit von der Form der Röhren mit rechteckigem oder konvexem Quer-schnitt untersucht und aufgeklärt werden. Die Herausforderung besteht dabei in der Optimierung der Röhrenform zur Erzielung maximaler effektiver d33-Piezokonstanten von 10 mm2 bis 5 cm2 großen, piezoelektrisch aktiven Flächen. Experimentell und theoretisch muss dazu zum Einen die gezielte mechanische Verformung kommerziell nicht in jeder Geometrie verfügbarer Röhrchen zu filmähnli-chen Strukturen mit einstellbarem Elastizitätsmodul gelingen und zum Anderen die Abhängigkeit der elektrischen Aufladung von der Geometrie, der aktuellen Durchbruchsspannung der Luft sowie der verfügbaren Ladungsträgerfallendichte verstanden werden.

• DFG Programme: Research Grants