Laserbearbeitung von Piezokeramik

Diplomarbeit von Fredegar Bönning

Einleitung:

Piezoelemente sind insbesondere für Anwendungen geeignet, die eine schnelle und hochgenaue Wandlung von Energie in große Kräfte und umgekehrt auf kleinstem Raum erfordern. Um ihren Einsatzbereich zu vergrößern, muß die Möglichkeit geschaffen werden, an bestimmte Anforderungen individuell anpaßbare Wandler zu erstellen. Zur Strukturierung solcher Piezowandler kann die Laserbearbeitung dienen.

In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, wie sich Piezokeramik bei Bearbeitung mit unterschiedlichen Laserparametern verhält und inwieweit verschiedene Strukturgeometrien den Abtrag beeinflussen. Abschließend wird eine Analyse der piezoelektrischen Eigenschaften nach der Laserbearbeitung vorgenommen.

In einer Vorstudie wird beschrieben, welche Strukturen sich generell mit dem Laser erstellen lassen. Eine Differenzierung zwischen Fokusdurchmesser und Bearbeitungsdurchmesser wird vorgenommen. Die verschiedenen Meßverfahren werden vorgestellt und die Reproduzierbarkeit der Abtragsergebnisse bei verschiedenen Proben wird untersucht.

In einem Ishikawadiagramm werden die auf den Laserstrahlmaterialabtrag einwirkenden Parameter dargestellt. Bei der anschließenden Analyse werden zunächst die verschiedenen Verfahrmuster beim Erzeugen einer Struktur untersucht und die Einflüsse einer vor der Bearbeitung stattfindenden Veränderung der Probenoberfläche erforscht. Die wichtigsten Einflußgrößen auf den Materialabtrag sind jedoch die Laserparameter, insbesondere die Laserleistung. Variationen der Laserleistung wirken sich neben der Abtragsrate vor allem auf den Flankenwinkel und die Bodenebenheit einer Struktur aus. Neben der Laserleistung spielen die Pulsfrequenz und der Pulsüberlapp eine wichtige Rolle.

Eine REM-Analyse wird zur Untersuchung der chemischen Zusammensetzung der bearbeiteten Piezokeramik herangezogen. Sie zeigt, daß die Laserbearbeitung die Zusammensetzung unter Umständen verändert.

Bei vielen Materialien ändern sich die Abtragseigenschaften, wenn der Laserstrahlmaterialabtrag unter bestimmten Prozeßgasen erfolgt. Daher werden auch bei Piezokeramik Versuche zur Strukturierung unter Prozeßgasen vorgenommen. Desweiteren erfolgt eine Bearbeitung bei unterschiedlichen Bearbeitungstemperaturen.

Zur Untersuchung unterschiedlicher Geometrien gehört insbesondere die Abgrenzung zwischen flächigen Strukturen und schmalen Spalten. Bei der Spalterzeugung werden neuartige Gesetzmäßigkeiten zwischen der Anzahl der Überfahrungen und der erzielten Spalttiefe festgestellt (zweiter linearer Bereich)! Auch die Erzeugung von Bohrungen und schmalen Stegen wird genauer untersucht.

Zur Herstellung der Funktionsfähigkeit einer unpolarisierten Probe gehört die Kontaktierung mit leitfähigem Material und die anschließende Polarisierung. Eine Kontaktierung wird durch Bedampfung mit Chrom und anschließender Kupfergalvanisierung erzeugt.

Neben selbst polarisierten Proben werden auch herstellerseitig kontaktierte und polarisierte Proben untersucht. Insbesondere wird dabei der Einfluß der Laserbearbeitung auf die Polarisierung und die Funktionalität des Piezoeffekts geprüft. Dabei kann festgestellt werden, daß sich unter bestimmten Prozeßbedingungen die Qualität im Auslenkungsverhalten laserbearbeiteter Piezokeramik nicht von der herkömmlich bearbeiteter Piezokeramik unterscheidet.

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