In this study, a 0-3 piezoelectric composite based on lead zirconate-titanate (PZT)/polyvinyl-butyral (PVB) was fabricated and characterized for its potential application in tactile sensing. The 0-3 composite was developed to incorporate the advantages of both ceramic and polymer. The paste of 0-3 PZT–PVB composite was printed using a conventional screen-printing technique on alumina and mylar substrates. The thickness of the prepared composite was approximately 80 μm. After printing the top electrode of the silver paste, 10 kV/mm of DC field was applied at 25 °C, 120 °C, and 150 °C for 10 min to align the electric dipoles in the composite. The piezoelectric charge coefficient of $d_{33}$ and the piezoelectric voltage coefficient of $g_{33}$ were improved by increasing the temperature of the poling process. The maximum values of $d_{33}$ and $g_{33}$ were 14.3 pC/N and 44.2 mV·m/N, respectively, at 150 °C. The sensor’s sensitivity to the impact force was measured by a ball drop test. The sensors showed a linear behavior in the output voltage with increasing impact force. The sensitivity of the sensor on the alumina and mylar substrates was 1.368 V/N and 0.815 V/N, respectively. The rising time of the sensor to the finger touch was 43 ms on the alumina substrate and 35 ms on the mylar substrate. Consequently, the high sensitivity and fast response time of the sensor make the 0-3 PZT–PVB composite a good candidate for tactile sensors.

Zusammenfassung: Ultraschallwandler werden zum Senden und Empfangen akustischer Wellen eingesetzt und bilden damit das Herzstück eines jeden Ultraschallprüfgeräts. Je nach Anwendung arbeiten sie in unterschiedlichen Frequenzbereichen. Ultraschallwandler mit niedrigen Arbeitsfrequenzen von 1 kHz bis 1 MHz werden insbesondere für Sonaranwendungen benötigt, wohingegen Hochfrequenz-Ultraschallwandler mit Arbeitsfrequenzen von mehr als 15 MHz für die hochauflösende Bildgebung im Rahmen biomedizinischer Untersuchungen und zerstörungsfreier Prüfverfahren interessant sind. Herkömmliche zerstörungsfreie Diagnose- und klinische Ultraschallbildgebungssysteme werden typischerweise mit Ultraschallwandlern, die bei Frequenzen zwischen 1 MHz und 10 MHz arbeiten, betrieben. Im Hinblick auf eine leistungsfähige Auslegung und kosteneffektive Fertigung müssen sowohl die verwendeten piezoelektrischen Komponenten als auch die Größe und innere Struktur solcher Wandler auf den Anwendungsfall zugeschnitten sein. Neben dem Ultraschallwandler, als aktives Element zur Umwandlung von elektrischer Energie in Schallenergie und umgekehrt, werden in einem Ultraschallprüfkopf weitere Komponenten wie Dämpfungskörper und Anpassschichten integriert um die Funktion an die jeweilige Messaufgabe anzupassen. Der Aufbau funktionsfähiger Ultraschallgeräte umfasst darüber hinaus die Ansteuer- und Auswerteelektronik sowie die Bildverarbeitung. Im vorliegenden Artikel werden verschiedene Fertigungstechnologien für Ultraschallwandler unterschiedlicher Frequenzbereiche vorgestellt, die von den Autoren in den vergangenen Jahren entwickelt wurden. 1-3-Piezokomposite auf der Basis von piezokeramischen Fasern können in nahezu jeder Dicke hergestellt werden, was Arbeitsfrequenzen entsprechender Ultraschallwandler zwischen 40 kHz und 8 MHz erlaubt. Das Soft-Mold-Verfahren ermöglicht die Herstellung von Hochfrequenz-Ultraschallwandlern mit Arbeitsfrequenzen von 5 MHz bis 40 MHz. Hochintegrierte Wandler können durch Siebdruck von Elektroden-, Piezokeramik- und Isolationsschichten auf mikroelektronischen Substraten hergestellt werden. Damit sind strukturierte Ultraschallwandler mit Arbeitsfrequenzen zwischen 5 MHz und 30 MHz möglich.