Piezoelectricidad - Piezoelectricity

Balanza piezoeléctrica presentada por Pierre Curie a Lord Kelvin , Hunterian Museum, Glasgow

La piezoelectricidad ( / ˌ p z -, ˌ p t s -, p ˌ z - / , US : / p i ˌ z -, p i ˌ t s - / ) es el carga eléctrica que se acumula en ciertos materiales sólidos, como cristales , ciertas cerámicas y materia biológica como huesos, ADN y diversas proteínas, en respuesta a la tensión mecánica aplicada . La palabra piezoelectricidad significa electricidad resultante de la presión y el calor latente. Se deriva de la palabra griega πιέζειν ; piezein , que significa apretar o presionar, y ἤλεκτρον ēlektron , que significa ámbar , una antigua fuente de carga eléctrica.

El efecto piezoeléctrico resulta de la interacción electromecánica lineal entre los estados mecánico y eléctrico en materiales cristalinos sin simetría de inversión . El efecto piezoeléctrico es un proceso reversible : los materiales que exhiben el efecto piezoeléctrico también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso: la generación interna de una deformación mecánica resultante de un campo eléctrico aplicado. Por ejemplo, los cristales de titanato de circonato de plomo generarán piezoelectricidad medible cuando su estructura estática se deforme en aproximadamente un 0,1% de la dimensión original. Por el contrario, esos mismos cristales cambiarán aproximadamente un 0,1% de su dimensión estática cuando se aplique un campo eléctrico externo. El efecto piezoeléctrico inverso se utiliza en la producción de ondas ultrasónicas .

Los físicos franceses Jacques y Pierre Curie descubrieron la piezoelectricidad en 1880. El efecto piezoeléctrico se ha explotado en muchas aplicaciones útiles, incluida la producción y detección de sonido, la impresión de inyección de tinta piezoeléctrica , la generación de electricidad de alto voltaje, como un generador de reloj en dispositivos electrónicos, en microbalanzas , para impulsar una boquilla ultrasónica , y en enfoque ultrafino de conjuntos ópticos. Constituye la base de los microscopios de sonda de barrido que resuelven imágenes a escala de átomos . Se utiliza en las pastillas de algunas guitarras amplificadas electrónicamente y como disparador en la mayoría de las baterías electrónicas modernas . El efecto piezoeléctrico también encuentra usos cotidianos, como la generación de chispas para encender dispositivos de calefacción y cocina a gas, antorchas y encendedores de cigarrillos .

Historia

Descubrimiento e investigación temprana

El efecto piroeléctrico , por el cual un material genera un potencial eléctrico en respuesta a un cambio de temperatura, fue estudiado por Carl Linnaeus y Franz Aepinus a mediados del siglo XVIII. Basándose en este conocimiento, tanto René Just Haüy como Antoine César Becquerel postularon una relación entre el estrés mecánico y la carga eléctrica; sin embargo, los experimentos de ambos no resultaron concluyentes.

Vista de cristal piezoeléctrico en la parte superior de un compensador Curie en el Museo de Escocia.

La primera demostración del efecto piezoeléctrico directo fue en 1880 por los hermanos Pierre Curie y Jacques Curie . Combinaron su conocimiento de la piroelectricidad con su comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes que dieron lugar a la piroelectricidad para predecir el comportamiento de los cristales, y demostraron el efecto utilizando cristales de turmalina , cuarzo , topacio , azúcar de caña y sal de Rochelle (tartrato de sodio y potasio tetrahidrato). El cuarzo y la sal de Rochelle exhibieron la mayor piezoelectricidad.

Un disco piezoeléctrico genera un voltaje cuando se deforma (el cambio de forma es muy exagerado).

Sin embargo, los Curie no predijeron el efecto piezoeléctrico inverso. El efecto inverso fue deducido matemáticamente de los principios termodinámicos fundamentales por Gabriel Lippmann en 1881. Los Curie confirmaron inmediatamente la existencia del efecto inverso, y pasaron a obtener una prueba cuantitativa de la reversibilidad completa de las deformaciones electroelasto-mecánicas en los cristales piezoeléctricos.

Durante las siguientes décadas, la piezoelectricidad siguió siendo una curiosidad de laboratorio, aunque fue una herramienta vital en el descubrimiento del polonio y el radio por Pierre y Marie Curie en 1898. Se trabajó más para explorar y definir las estructuras cristalinas que exhibían piezoelectricidad. Esto culminó en 1910 con la publicación de Woldemar Voigt 's Lehrbuch der Kristallphysik ( libro de texto sobre Crystal Física ), que describe las 20 clases cristalinas naturales capaces de piezoelectricidad, y rigurosamente definidas las constantes piezoeléctricas utilizando análisis tensor .

Primera Guerra Mundial y años de entreguerras

La primera aplicación práctica para dispositivos piezoeléctricos fue el sonar , desarrollado por primera vez durante la Primera Guerra Mundial . En Francia, en 1917, Paul Langevin y sus compañeros de trabajo desarrollaron un detector submarino ultrasónico . El detector constaba de un transductor , hecho de finos cristales de cuarzo pegados cuidadosamente entre dos placas de acero, y un hidrófono para detectar el eco devuelto . Al emitir un pulso de alta frecuencia desde el transductor y medir la cantidad de tiempo que se tarda en escuchar un eco de las ondas sonoras que rebotan en un objeto, se puede calcular la distancia a ese objeto.

El uso de piezoelectricidad en el sonar y el éxito de ese proyecto crearon un intenso interés en el desarrollo de dispositivos piezoeléctricos. Durante las siguientes décadas, se exploraron y desarrollaron nuevos materiales piezoeléctricos y nuevas aplicaciones para esos materiales.

Los dispositivos piezoeléctricos encontraron hogares en muchos campos. Los cartuchos de fonógrafo de cerámica simplificaron el diseño del reproductor, eran baratos y precisos, e hicieron que los reproductores de discos fueran más baratos de mantener y más fáciles de construir. El desarrollo del transductor ultrasónico permitió medir fácilmente la viscosidad y la elasticidad en fluidos y sólidos, lo que resultó en enormes avances en la investigación de materiales. Los reflectómetros ultrasónicos de dominio del tiempo (que envían un pulso ultrasónico a través de un material y miden los reflejos de las discontinuidades) podrían encontrar fallas dentro de los objetos de piedra y metal fundido, mejorando la seguridad estructural.

Segunda Guerra Mundial y posguerra

Durante la Segunda Guerra Mundial , grupos de investigación independientes en los Estados Unidos , Rusia y Japón descubrieron una nueva clase de materiales sintéticos, llamados ferroeléctricos , que exhibían constantes piezoeléctricas muchas veces más altas que los materiales naturales. Esto condujo a una intensa investigación para desarrollar titanato de bario y más tarde materiales de titanato de circonato de plomo con propiedades específicas para aplicaciones particulares.

Un ejemplo significativo del uso de cristales piezoeléctricos fue desarrollado por Bell Telephone Laboratories. Después de la Primera Guerra Mundial, Frederick R. Lack, que trabajaba en radiotelefonía en el departamento de ingeniería, desarrolló el cristal "AT cut", un cristal que operaba en una amplia gama de temperaturas. El cristal de Lack no necesitaba los pesados ​​accesorios que utilizaba el cristal anterior, lo que facilitaba su uso en aviones. Este desarrollo permitió a las fuerzas aéreas aliadas participar en ataques masivos coordinados mediante el uso de radio de aviación.

El desarrollo de dispositivos y materiales piezoeléctricos en los Estados Unidos se mantuvo dentro de las empresas que realizaban el desarrollo, principalmente debido a los inicios del campo en tiempos de guerra y en aras de obtener patentes rentables. Los primeros materiales fueron los primeros en ser desarrollados; los cristales de cuarzo fueron el primer material piezoeléctrico explotado comercialmente, pero los científicos buscaron materiales de mayor rendimiento. A pesar de los avances en materiales y la maduración de los procesos de fabricación, el mercado de Estados Unidos no creció tan rápido como lo hizo el de Japón. Sin muchas aplicaciones nuevas, el crecimiento de la industria piezoeléctrica de los Estados Unidos sufrió.

Por el contrario, los fabricantes japoneses compartieron su información, superando rápidamente los desafíos técnicos y de fabricación y creando nuevos mercados. En Japón, Issac Koga desarrolló un corte de cristal estable a la temperatura . Los esfuerzos japoneses en la investigación de materiales crearon materiales piezocerámicos competitivos con los materiales estadounidenses, pero libres de costosas restricciones de patentes. Los principales desarrollos piezoeléctricos japoneses incluyeron nuevos diseños de filtros piezocerámicos para radios y televisores, zumbadores piezoeléctricos y transductores de audio que pueden conectarse directamente a circuitos electrónicos, y el encendedor piezoeléctrico , que genera chispas para sistemas de encendido de motores pequeños y encendedores de parrilla de gas, al comprimir un disco de cerámica. Los transductores ultrasónicos que transmiten ondas sonoras a través del aire habían existido durante bastante tiempo, pero primero vieron un uso comercial importante en los primeros controles remotos de televisión. Estos transductores ahora están montados en varios modelos de automóviles como un dispositivo de ecolocalización , lo que ayuda al conductor a determinar la distancia desde el automóvil a cualquier objeto que pueda encontrarse en su camino.

Mecanismo

Placa piezoeléctrica utilizada para convertir la señal de audio en ondas sonoras

La naturaleza del efecto piezoeléctrico está estrechamente relacionada con la aparición de momentos dipolares eléctricos en sólidos. Este último puede ser inducido por iones en sitios de red cristalina con entornos de carga asimétrica (como en BaTiO 3 y PZT ) o puede ser transportado directamente por grupos moleculares (como en el azúcar de caña ). La densidad o polarización del dipolo (dimensionalidad [C · m / m 3 ]) puede calcularse fácilmente para los cristales sumando los momentos dipolares por volumen de la celda unitaria cristalográfica . Como cada dipolo es un vector, la densidad del dipolo P es un campo vectorial . Los dipolos cercanos entre sí tienden a alinearse en regiones llamadas dominios de Weiss. Los dominios suelen estar orientados al azar, pero se pueden alinear mediante el proceso de poling (no es lo mismo que el poling magnético ), un proceso mediante el cual se aplica un fuerte campo eléctrico a través del material, generalmente a temperaturas elevadas. No todos los materiales piezoeléctricos pueden colocarse en polos.

De importancia decisiva para el efecto piezoeléctrico es el cambio de polarización P cuando se aplica una tensión mecánica . Esto podría deberse a una reconfiguración del entorno inductor del dipolo o por la reorientación de los momentos dipolares moleculares bajo la influencia de la tensión externa. La piezoelectricidad puede manifestarse entonces en una variación de la fuerza de polarización, su dirección o ambas, dependiendo los detalles de: 1. la orientación de P dentro del cristal; 2. simetría cristalina ; y 3. la tensión mecánica aplicada. El cambio en P aparece como una variación de la densidad de carga superficial sobre las caras del cristal, es decir, como una variación del campo eléctrico que se extiende entre las caras provocada por un cambio en la densidad del dipolo en la masa. Por ejemplo, un 1 cm 3 cubo de cuarzo con 2 kN (500 lbf) de la fuerza aplicada correctamente puede producir una tensión de 12.500 V .

Los materiales piezoeléctricos también muestran el efecto opuesto, llamado efecto piezoeléctrico inverso , donde la aplicación de un campo eléctrico crea una deformación mecánica en el cristal.

Descripción matemática

La piezoelectricidad lineal es el efecto combinado de

  • El comportamiento eléctrico lineal del material:
donde D es la densidad de flujo eléctrico ( desplazamiento eléctrico ), ε es la permitividad (constante dieléctrica de cuerpo libre), E es la intensidad del campo eléctrico y .
donde S es la deformación linealizada , s es el cumplimiento en condiciones de cortocircuito, T es la tensión y
,
donde u es el vector de desplazamiento .

Estos pueden combinarse en las denominadas ecuaciones acopladas , cuya forma de carga de deformación es:

donde es el tensor piezoeléctrico y el superíndice t representa su transposición. Debido a la simetría de , .

En forma de matriz,

donde [ d ] es la matriz del efecto piezoeléctrico directo y [ d t ] es la matriz del efecto piezoeléctrico inverso. El superíndice E indica un campo eléctrico cero o constante; el superíndice T indica un campo de tensión cero o constante; y el superíndice t representa la transposición de una matriz .

Observe que el tensor de tercer orden mapea los vectores en matrices simétricas. No hay tensores invariantes de rotación no triviales que tengan esta propiedad, por lo que no hay materiales piezoeléctricos isotrópicos.

La carga de deformación para un material de la clase de cristal de 4 mm (C 4v ) (como una cerámica piezoeléctrica polarizada como tetragonal PZT o BaTiO 3 ), así como la clase de cristal de 6 mm , también se puede escribir como (ANSI IEEE 176):

donde la primera ecuación representa la relación para el efecto piezoeléctrico inverso y la última para el efecto piezoeléctrico directo.

Aunque las ecuaciones anteriores son la forma más utilizada en la literatura, son necesarios algunos comentarios sobre la notación. Generalmente, D y E son vectores , es decir, tensores cartesianos de rango 1; y la permitividad ε es un tensor cartesiano de rango 2. La deformación y la tensión son, en principio, también tensores de rango 2 . Pero convencionalmente, debido a que la deformación y la tensión son tensores simétricos, el subíndice de deformación y tensión se puede volver a etiquetar de la siguiente manera: 11 → 1; 22 → 2; 33 → 3; 23 → 4; 13 → 5; 12 → 6. (Diferentes autores pueden usar diferentes convenciones en la literatura. Por ejemplo, algunos usan 12 → 4; 23 → 5; 31 → 6 en su lugar.) Es por eso que S y T parecen tener la "forma vectorial" de seis componentes. En consecuencia, s parece ser una matriz de 6 por 6 en lugar de un tensor de rango 3. Esta notación reetiquetada a menudo se denomina notación de Voigt . Si los componentes de la deformación cortante S 4 , S 5 , S 6 son componentes tensores o deformaciones de ingeniería es otra cuestión. En la ecuación anterior, deben ser deformaciones de ingeniería para que el coeficiente 6,6 de la matriz de cumplimiento se escriba como se muestra, es decir, 2 ( sE
11
 -  sE
12
). Las deformaciones por cortante de ingeniería son el doble del valor de la cortante del tensor correspondiente, como S 6  = 2 S 12 y así sucesivamente. Esto también significa que s 66  = 1/G 12, donde G 12 es el módulo de corte.

En total, hay cuatro coeficientes piezoeléctricos, d ij , e ij , g ij y h ij definidos de la siguiente manera:

donde el primer conjunto de cuatro términos corresponde al efecto piezoeléctrico directo y el segundo conjunto de cuatro términos corresponde al efecto piezoeléctrico inverso. La igualdad entre el tensor piezoeléctrico directo y la transpuesta del tensor piezoeléctrico inverso se origina en las relaciones de Maxwell de la termodinámica. Para aquellos cristales piezoeléctricos para los que la polarización es del tipo inducido por campo cristalino, se ha elaborado un formalismo que permite el cálculo de coeficientes piezoeléctricos d ij a partir de constantes de celosía electrostática o constantes de Madelung de orden superior .

Clases de cristal

Cualquier carga separada espacialmente dará como resultado un campo eléctrico y, por lo tanto, un potencial eléctrico . Aquí se muestra un dieléctrico estándar en un condensador . En un dispositivo piezoeléctrico, la tensión mecánica, en lugar de un voltaje aplicado externamente, causa la separación de carga en los átomos individuales del material.

De las 32 clases de cristales , 21 son no centrosimétricas (sin centro de simetría), y de estas, 20 exhiben piezoelectricidad directa (la 21 es la clase cúbica 432). Diez de estos representan las clases de cristales polares, que muestran una polarización espontánea sin estrés mecánico debido a un momento dipolar eléctrico que no desaparece asociado con su celda unitaria, y que exhiben piroelectricidad . Si el momento dipolar se puede invertir aplicando un campo eléctrico externo, se dice que el material es ferroeléctrico .

  • Las 10 clases de cristales polares (piroeléctricos): 1, 2, m, mm2, 4, 4 mm, 3, 3 m, 6, 6 mm.
  • Las otras 10 clases de cristales piezoeléctricos: 222, 4 , 422, 4 2m, 32, 6 , 622, 6 2m, 23, 4 3m.

Para los cristales polares, para los cuales P  ≠ 0 se mantiene sin aplicar una carga mecánica, el efecto piezoeléctrico se manifiesta cambiando la magnitud o la dirección de P o ambas.

Para los cristales no polares pero piezoeléctricos, por otro lado, una polarización P diferente de cero solo se provoca aplicando una carga mecánica. Para ellos, se puede imaginar que la tensión transforma el material de una clase de cristal no polar ( P  = 0) a una polar, teniendo P  ≠ 0.

Materiales

Muchos materiales exhiben piezoelectricidad.

Materiales cristalinos

  • Langasita (La 3 Ga 5 SiO 14 ) - un cristal análogo al cuarzo
  • Ortofosfato de galio (GaPO 4 ): un cristal análogo al cuarzo
  • Niobato de litio (LiNbO 3 )
  • Tantalato de litio (LiTaO 3 )
  • Cuarzo
  • Berlinita (AlPO 4 ): un mineral de fosfato raro que es estructuralmente idéntico al cuarzo.
  • Sal de Rochelle
  • Topacio: la piezoelectricidad en Topaz probablemente se puede atribuir al orden de (F, OH) en su celosía, que por lo demás es centrosimétrica: bipiramidal ortorrómbica (mmm). El topacio tiene propiedades ópticas anómalas que se atribuyen a tal ordenación.
  • Minerales del grupo de la turmalina
  • Titanato de plomo (PbTiO 3 ): aunque se encuentra en la naturaleza como mineral macedonita, se sintetiza para investigación y aplicaciones.

Cerámica

Celda unitaria tetragonal de titanato de plomo

Las cerámicas con granos orientados al azar deben ser ferroeléctricas para exhibir piezoelectricidad. La aparición de crecimiento anormal de grano (AGG) en cerámicas piezoeléctricas policristalinas sinterizadas tiene efectos perjudiciales sobre el rendimiento piezoeléctrico en tales sistemas y debe evitarse, ya que la microestructura en piezocerámicas que exhiben AGG tiende a consistir en pocos granos alargados anormalmente grandes en una matriz de forma aleatoria. granos más finos orientados. La piezoelectricidad macroscópica es posible en materiales piezoeléctricos no ferroeléctricos policristalinos texturizados, tales como AlN y ZnO. Las familias de cerámicas con perovskita , tungsteno - bronce y estructuras relacionadas exhiben piezoelectricidad:

  • Titanato de circonato de plomo ( Pb [ Zr x Ti 1− x ] O 3 con 0 ≤  x  ≤ 1) - más comúnmente conocido como PZT, la cerámica piezoeléctrica más común en uso en la actualidad.
  • Niobato de potasio (KNbO 3 )
  • Tungstato de sodio (Na 2 WO 3 )
  • Ba 2 NaNb 5 O 5
  • Pb 2 KNb 5 O 15
  • Óxido de zinc (ZnO) - Estructura de wurtzita . Mientras que los monocristales de ZnO son piezoeléctricos y piroeléctricos, el ZnO policristalino (cerámico) con granos orientados aleatoriamente no exhibe ningún efecto piezoeléctrico ni piroeléctrico. Al no ser ferroeléctrico, el ZnO policristalino no se puede polarizar como el titanato de bario o el PZT. Las cerámicas y películas delgadas policristalinas de ZnO pueden exhibir piezoelectricidad macroscópica y piroelectricidad solo si están texturizadas (los granos están orientados preferentemente), de modo que las respuestas piezoeléctricas y piroeléctricas de todos los granos individuales no se cancelen. Esto se logra fácilmente en películas delgadas policristalinas.

Piezocerámicas sin plomo

  • Niobato de sodio y potasio ((K, Na) NbO 3 ). Este material también se conoce como NKN o KNN. En 2004, un grupo de investigadores japoneses dirigidos por Yasuyoshi Saito descubrió una potasio composición niobato de sodio con propiedades similares a las de PZT, incluyendo una alta T C . Se ha demostrado que ciertas composiciones de este material retienen un alto factor de calidad mecánica ( Q m  ≈ 900) con niveles de vibración crecientes, mientras que el factor de calidad mecánica del PZT duro se degrada en tales condiciones. Este hecho convierte a NKN en un sustituto prometedor para las aplicaciones de resonancia de alta potencia, como los transformadores piezoeléctricos.
  • Ferrita de bismuto (BiFeO 3 ): un candidato prometedor para el reemplazo de la cerámica a base de plomo.
  • Niobato de sodio (NaNbO 3 )
  • Titanato de bario (BaTiO 3 ): el titanato de bario fue la primera cerámica piezoeléctrica descubierta.
  • Titanato de bismuto (Bi 4 Ti 3 O 12 )
  • Titanato de bismuto de sodio (NaBi (TiO 3 ) 2 )

La fabricación de piezocerámicas sin plomo plantea múltiples desafíos, desde un punto de vista ambiental y su capacidad para replicar las propiedades de sus contrapartes a base de plomo. Al eliminar el componente de plomo de la piezocerámica, el riesgo de toxicidad para los humanos disminuye, pero la minería y extracción de los materiales puede ser dañina para el medio ambiente. El análisis del perfil medioambiental de PZT frente al niobato de sodio y potasio (NKN o KNN) muestra que en los cuatro indicadores considerados (consumo de energía primaria, huella toxicológica, ecoindicador 99 y emisiones de gases de efecto invernadero de entrada-salida aguas arriba), KNN es en realidad más perjudicial para el medio ambiente. La mayoría de las preocupaciones con KNN, específicamente su componente Nb 2 O 5 , se encuentran en la fase inicial de su ciclo de vida antes de llegar a los fabricantes. Dado que los impactos dañinos se concentran en estas fases tempranas, se pueden tomar algunas acciones para minimizar los efectos. Devolver la tierra lo más cerca posible de su forma original después de la extracción de Nb 2 O 5 a través de la deconstrucción de presas o reemplazar una pila de suelo utilizable son ayudas conocidas para cualquier evento de extracción. Para minimizar los efectos de la calidad del aire, aún es necesario realizar modelos y simulaciones para comprender completamente qué métodos de mitigación se requieren. La extracción de componentes piezocerámicos sin plomo no ha crecido a una escala significativa en este momento, pero desde los primeros análisis, los expertos recomiendan precaución cuando se trata de efectos ambientales.

La fabricación de piezocerámicas sin plomo enfrenta el desafío de mantener el rendimiento y la estabilidad de sus contrapartes basadas en plomo. En general, el principal desafío de fabricación es crear los "límites de fase morfotrópica (MPB)" que proporcionan a los materiales sus propiedades piezoeléctricas estables sin introducir los "límites de fase polimórfica (PPB)" que disminuyen la estabilidad de temperatura del material. Se crean nuevos límites de fase variando las concentraciones de aditivos para que las temperaturas de transición de fase converjan a temperatura ambiente. La introducción del MPB mejora las propiedades piezoeléctricas, pero si se introduce un PPB, el material se ve afectado negativamente por la temperatura. Se están realizando investigaciones para controlar el tipo de límites de fase que se introducen a través de la ingeniería de fase, las transiciones de fase de difusión, la ingeniería de dominio y la modificación química.

Semiconductores III – V y II – VI

Se puede crear un potencial piezoeléctrico en cualquier cristal semiconductor nanoestructurado o a granel que tenga simetría no central, como los materiales del Grupo III-V y II-VI, debido a la polarización de iones bajo tensión y deformación aplicadas. Esta propiedad es común a las estructuras cristalinas de zincblenda y wurtzita . De primer orden, solo hay un coeficiente piezoeléctrico independiente en la blenda de zinc , llamado e 14 , acoplado a los componentes de cizallamiento de la deformación. En wurtzite , hay lugar tres coeficientes piezoeléctricos independientes: e 31 , e 33 y e 15 . Los semiconductores donde se observa la piezoelectricidad más fuerte son los que se encuentran comúnmente en la estructura de la wurtzita , es decir, GaN, InN, AlN y ZnO (ver piezotronics ).

Desde 2006, también ha habido una serie de informes de fuertes efectos piezoeléctricos no lineales en semiconductores polares . En general, se reconoce que tales efectos son al menos importantes, si no del mismo orden de magnitud que la aproximación de primer orden.

Polímeros

La piezo-respuesta de los polímeros no es tan alta como la respuesta de la cerámica; sin embargo, los polímeros tienen propiedades que las cerámicas no tienen. Durante las últimas décadas, se han estudiado y aplicado polímeros piezoeléctricos no tóxicos debido a su flexibilidad y menor impedancia acústica . Otras propiedades que hacen que estos materiales sean significativos incluyen su biocompatibilidad , biodegradabilidad , bajo costo y bajo consumo de energía en comparación con otros piezomateriales (cerámica, etc.). Se pueden utilizar polímeros piezoeléctricos y compuestos poliméricos no tóxicos dadas sus diferentes propiedades físicas.

Los polímeros piezoeléctricos pueden clasificarse por polímeros a granel, polímeros cargados con huecos ("piezoelectretos") y compuestos poliméricos. Una piezo-respuesta observada por los polímeros a granel se debe principalmente a su estructura molecular. Hay dos tipos de polímeros a granel: amorfos y semicristalinos . Ejemplos de polímeros semicristalinos son el fluoruro de polivinilideno (PVDF) y sus copolímeros , poliamidas y parileno-C . Los polímeros no cristalinos, como la poliimida y el cloruro de polivinilideno (PVDC), se incluyen en los polímeros a granel amorfos. Los polímeros cargados vacíos exhiben el efecto piezoeléctrico debido a la carga inducida por el pulido de una película polimérica porosa. Bajo un campo eléctrico, se forman cargas en la superficie de los vacíos formando dipolos. Las respuestas eléctricas pueden ser causadas por cualquier deformación de estos vacíos. El efecto piezoeléctrico también se puede observar en compuestos poliméricos integrando partículas cerámicas piezoeléctricas en una película polimérica. Un polímero no tiene que ser piezoactivo para ser un material eficaz para un compuesto polimérico. En este caso, un material podría estar compuesto por una matriz inerte con un componente piezoactivo separado.

PVDF exhibe piezoelectricidad varias veces mayor que el cuarzo. La piezorespuesta observada en PVDF es de aproximadamente 20 a 30 pC / N. Eso es un orden de 5 a 50 veces menos que el titanato de circonato de plomo de cerámica piezoeléctrica (PZT). La estabilidad térmica del efecto piezoeléctrico de los polímeros de la familia PVDF (es decir, co-poli-trifluoroetileno de fluoruro de vinilideno) asciende a 125 ° C. Algunas aplicaciones de PVDF son sensores de presión, hidrófonos y sensores de ondas de choque.

Debido a su flexibilidad, los compuestos piezoeléctricos se han propuesto como recolectores de energía y nanogeneradores. En 2018, fue informado por Zhu et al. que podría obtenerse una respuesta piezoeléctrica de aproximadamente 17 pC / N a partir del nanocompuesto de PDMS / PZT con una porosidad del 60%. Otro nanocompuesto de PDMS se informó en 2017, en el que BaTiO 3 se integró en PDMS para hacer un nanogenerador transparente y estirable para el monitoreo fisiológico autoamplificado. En 2016, se introdujeron moléculas polares en una espuma de poliuretano en la que se reportaron altas respuestas de hasta 244 pC / N.

Otros materiales

La mayoría de los materiales exhiben al menos respuestas piezoeléctricas débiles. Los ejemplos triviales incluyen sacarosa (azúcar de mesa), ADN , proteínas virales, incluidas las de bacteriófagos . Se ha informado de un actuador basado en fibras de madera, llamadas fibras de celulosa . Las respuestas D33 para el polipropileno celular son de alrededor de 200 pC / N. Algunas aplicaciones del polipropileno celular son teclados musicales, micrófonos y sistemas de ecolocalización basados ​​en ultrasonidos. Recientemente, un solo aminoácido como la β-glicina también mostró un alto valor piezoeléctrico (178 pmV -1 ) en comparación con otros materiales biológicos.

Solicitud

Actualmente, la industria y la fabricación es el mercado de aplicaciones más grande para dispositivos piezoeléctricos, seguido por la industria automotriz. La fuerte demanda también proviene de instrumentos médicos, así como de información y telecomunicaciones. La demanda mundial de dispositivos piezoeléctricos se valoró en aproximadamente 21.600 millones de dólares estadounidenses en 2015. El grupo de materiales más grande para dispositivos piezoeléctricos es la piezocerámica, y el piezopolímero está experimentando el crecimiento más rápido debido a su bajo peso y tamaño.

Los cristales piezoeléctricos ahora se utilizan de numerosas formas:

Fuentes de energía y alto voltaje

La piezoelectricidad directa de algunas sustancias, como el cuarzo, puede generar diferencias de potencial de miles de voltios.

  • La aplicación más conocida es el encendedor de cigarrillos eléctrico : al presionar el botón, un martillo con resorte golpea un cristal piezoeléctrico, produciendo una corriente eléctrica de voltaje suficientemente alto que fluye a través de un pequeño espacio de chispas , calentando y encendiendo el gas. Los encendedores portátiles que se utilizan para encender las estufas de gas funcionan de la misma manera, y muchos tipos de quemadores de gas ahora tienen sistemas de encendido piezoeléctricos integrados.
  • DARPA está investigando una idea similar en los Estados Unidos en un proyecto llamado recolección de energía , que incluye un intento de alimentar el equipo del campo de batalla mediante generadores piezoeléctricos integrados en las botas de los soldados . Sin embargo, estas fuentes de recolección de energía por asociación afectan al cuerpo. El esfuerzo de DARPA para aprovechar 1-2 vatios del impacto continuo del zapato al caminar fue abandonado debido a la impracticabilidad y la incomodidad de la energía adicional gastada por una persona que usa los zapatos. Otras ideas de recolección de energía incluyen recolectar la energía de los movimientos humanos en estaciones de tren u otros lugares públicos y convertir una pista de baile para generar electricidad. Las vibraciones de la maquinaria industrial también se pueden aprovechar con materiales piezoeléctricos para cargar baterías para suministros de respaldo o para alimentar microprocesadores de baja potencia y radios inalámbricas.
  • Un transformador piezoeléctrico es un tipo de multiplicador de voltaje CA. A diferencia de un transformador convencional, que utiliza un acoplamiento magnético entre la entrada y la salida, el transformador piezoeléctrico utiliza un acoplamiento acústico . Se aplica un voltaje de entrada a lo largo de un tramo corto de una barra de material piezocerámico como PZT , creando una tensión alterna en la barra por el efecto piezoeléctrico inverso y haciendo que toda la barra vibre. La frecuencia de vibración se elige para que sea la frecuencia de resonancia del bloque, típicamente en el rango de 100  kilohercios a 1 megahercio. Entonces se genera un voltaje de salida más alto en otra sección de la barra por el efecto piezoeléctrico. Se han demostrado ratios de aumento de más de 1000: 1. Una característica adicional de este transformador es que, al operarlo por encima de su frecuencia de resonancia, puede aparecer como una carga inductiva , lo cual es útil en circuitos que requieren un arranque suave controlado. Estos dispositivos se pueden utilizar en inversores CC-CA para impulsar lámparas fluorescentes de cátodo frío . Los transformadores piezoeléctricos son algunas de las fuentes de alto voltaje más compactas.

Sensores

Disco piezoeléctrico utilizado como pastilla de guitarra
Muchas granadas propulsadas por cohetes usaban un fusible piezoeléctrico . En la foto, un RPG-7 ruso

El principio de funcionamiento de un sensor piezoeléctrico es que una dimensión física, transformada en una fuerza, actúa sobre dos caras opuestas del elemento sensor. Dependiendo del diseño de un sensor, se pueden utilizar diferentes "modos" para cargar el elemento piezoeléctrico: longitudinal, transversal y cortante.

La detección de variaciones de presión en forma de sonido es la aplicación de sensor más común, por ejemplo, micrófonos piezoeléctricos (las ondas sonoras doblan el material piezoeléctrico, creando un voltaje cambiante) y pastillas piezoeléctricas para guitarras electroacústicas . Un sensor piezoeléctrico unido al cuerpo de un instrumento se conoce como micrófono de contacto .

Los sensores piezoeléctricos se utilizan especialmente con sonido de alta frecuencia en transductores ultrasónicos para imágenes médicas y también pruebas industriales no destructivas (NDT).

Para muchas técnicas de detección, el sensor puede actuar tanto como sensor como como actuador; a menudo se prefiere el término transductor cuando el dispositivo actúa en esta capacidad dual, pero la mayoría de los dispositivos piezo tienen esta propiedad de reversibilidad tanto si se usa como si no. Los transductores ultrasónicos, por ejemplo, pueden inyectar ondas ultrasónicas en el cuerpo, recibir la onda devuelta y convertirla en una señal eléctrica (un voltaje). La mayoría de los transductores de ultrasonido médicos son piezoeléctricos.

Además de las mencionadas anteriormente, varias aplicaciones de sensores y transductores incluyen:

  • Los elementos piezoeléctricos también se utilizan en la detección y generación de ondas de sonar.
  • Los materiales piezoeléctricos se utilizan en la detección de inclinación de un eje y de dos ejes.
  • Monitoreo de energía en aplicaciones de alta potencia (por ejemplo, tratamiento médico, sonoquímica y procesamiento industrial).
  • Las microbalanzas piezoeléctricas se utilizan como sensores químicos y biológicos muy sensibles.
  • Los piezos se utilizan a veces en galgas extensométricas .
  • Se utilizó un transductor piezoeléctrico en el penetrómetro de la sonda Huygens .
  • Los transductores piezoeléctricos se utilizan en pads de batería electrónica para detectar el impacto de las baquetas del baterista y para detectar los movimientos musculares en la aceleromiografía médica .
  • Los sistemas de gestión de motores de automóviles utilizan transductores piezoeléctricos para detectar la detonación del motor (Knock Sensor, KS), también conocida como detonación, en ciertas frecuencias de hercios. También se utiliza un transductor piezoeléctrico en los sistemas de inyección de combustible para medir la presión absoluta del colector (sensor MAP) para determinar la carga del motor y, en última instancia, los inyectores de combustible en milisegundos de tiempo.
  • Los sensores piezoeléctricos ultrasónicos se utilizan en la detección de emisiones acústicas en las pruebas de emisiones acústicas .
  • Los transductores piezoeléctricos se pueden utilizar en medidores de flujo ultrasónicos de tiempo de tránsito .

Actuadores

Disco de metal con disco piezoeléctrico adjunto, utilizado en un zumbador

Como los campos eléctricos muy altos corresponden solo a pequeños cambios en el ancho del cristal, este ancho se puede cambiar con una precisión superior a µm , lo que convierte a los cristales piezoeléctricos en la herramienta más importante para posicionar objetos con extrema precisión, de ahí su uso en actuadores . Cerámica de múltiples capas, usando capas más delgada que 100! M , permiten alcanzar altos campos eléctricos con una tensión inferior a 150 V . Estas cerámicas se utilizan en dos tipos de actuadores: actuadores piezoeléctricos directos y actuadores piezoeléctricos amplificados . Mientras que la carrera del actuador directo es generalmente inferior a 100 µm , los actuadores piezoeléctricos amplificados pueden alcanzar carreras milimétricas.

  • Altavoces : el voltaje se convierte en movimiento mecánico de un diafragma metálico.
  • La limpieza ultrasónica suele utilizar elementos piezoeléctricos para producir ondas sonoras intensas en líquido.
  • Motores piezoeléctricos : los elementos piezoeléctricos aplican una fuerza direccional a un eje , lo que hace que gire. Debido a las distancias extremadamente pequeñas involucradas, el motor piezoeléctrico se considera un reemplazo de alta precisión para el motor paso a paso .
  • Los elementos piezoeléctricos se pueden utilizar en la alineación de espejos láser , donde se explota su capacidad para mover una gran masa (el montaje del espejo) a distancias microscópicas para alinear electrónicamente algunos espejos láser. Al controlar con precisión la distancia entre los espejos, la electrónica del láser puede mantener con precisión las condiciones ópticas dentro de la cavidad del láser para optimizar la salida del haz.
  • Una aplicación relacionada es el modulador acústico-óptico , un dispositivo que dispersa la luz de las ondas sonoras en un cristal, generada por elementos piezoeléctricos. Esto es útil para ajustar la frecuencia de un láser.
  • Los microscopios de fuerza atómica y los microscopios de túnel de barrido emplean piezoelectricidad inversa para mantener la aguja sensora cerca de la muestra.
  • Impresoras de inyección de tinta : en muchas impresoras de inyección de tinta, se utilizan cristales piezoeléctricos para impulsar la expulsión de tinta desde el cabezal de impresión de inyección de tinta hacia el papel.
  • Motores diésel : los motores diésel common rail de alto rendimiento utilizan inyectores de combustible piezoeléctricos , desarrollados por primera vez por Robert Bosch GmbH , en lugar de los dispositivos de válvula solenoide más comunes .
  • Control activo de vibraciones mediante actuadores amplificados.
  • Persianas de rayos X.
  • Etapas XY para microescaneo utilizadas en cámaras infrarrojas.
  • Mover al paciente con precisión dentro de escáneres de TC y RM activos donde la fuerte radiación o magnetismo excluye los motores eléctricos.
  • Los auriculares de cristal se utilizan a veces en radios antiguas o de baja potencia.
  • El ultrasonido enfocado de alta intensidad para el calentamiento localizado o la creación de una cavitación localizada se puede lograr, por ejemplo, en el cuerpo del paciente o en un proceso químico industrial.
  • Pantalla braille actualizable . Un pequeño cristal se expande aplicando una corriente que mueve una palanca para elevar las células braille individuales.
  • Actuador piezoeléctrico. Un solo cristal o varios cristales se expanden aplicando un voltaje para mover y controlar un mecanismo o sistema.
  • Los actuadores piezoeléctricos se utilizan para el posicionamiento preciso de los servos en unidades de disco duro.

Estándar de frecuencia

Las propiedades piezoeléctricas del cuarzo son útiles como patrón de frecuencia .

  • Los relojes de cuarzo emplean un oscilador de cristal hecho de un cristal de cuarzo que utiliza una combinación de piezoelectricidad directa y inversa para generar una serie de pulsos eléctricos cronometrados regularmente que se utiliza para marcar el tiempo. El cristal de cuarzo (como cualquier material elástico ) tiene una frecuencia natural definida con precisión (causada por su forma y tamaño) a la que prefiere oscilar , y esto se utiliza para estabilizar la frecuencia de un voltaje periódico aplicado al cristal.
  • El mismo principio se usa en algunos transmisores y receptores de radio , y en computadoras donde crea un pulso de reloj . Ambos suelen utilizar un multiplicador de frecuencia para alcanzar rangos de gigahercios.

Motores piezoeléctricos

Un actuador stick-slip

Los tipos de motor piezoeléctrico incluyen:

Aparte del motor paso a paso, todos estos motores funcionan con el mismo principio. Impulsado por modos de vibración ortogonal dual con una diferencia de fase de 90 °, el punto de contacto entre dos superficies vibra en una trayectoria elíptica , produciendo una fuerza de fricción entre las superficies. Por lo general, una superficie está fija, lo que hace que la otra se mueva. En la mayoría de los motores piezoeléctricos, el cristal piezoeléctrico es excitado por una señal de onda sinusoidal a la frecuencia resonante del motor. Usando el efecto de resonancia, se puede usar un voltaje mucho más bajo para producir una amplitud de vibración alta.

Un motor stick-slip funciona utilizando la inercia de una masa y la fricción de una abrazadera. Estos motores pueden ser muy pequeños. Algunos se utilizan para el desplazamiento del sensor de la cámara, lo que permite una función anti-vibración.

Reducción de vibraciones y ruido.

Diferentes equipos de investigadores han estado investigando formas de reducir las vibraciones en los materiales uniendo elementos piezoeléctricos al material. Cuando el material se dobla por una vibración en una dirección, el sistema de reducción de vibraciones responde a la curva y envía energía eléctrica al elemento piezoeléctrico para que se doble en la otra dirección. Se esperan futuras aplicaciones de esta tecnología en automóviles y casas para reducir el ruido. También se han estudiado otras aplicaciones a estructuras flexibles, como carcasas y placas, durante casi tres décadas.

En una demostración en la Feria Material Vision en Frankfurt en noviembre de 2005, un equipo de TU Darmstadt en Alemania mostró varios paneles que fueron golpeados con un mazo de goma, y ​​el panel con el elemento piezoeléctrico dejó de balancearse inmediatamente.

La tecnología de fibra cerámica piezoeléctrica se utiliza como sistema de amortiguación electrónico en algunas raquetas de tenis HEAD .

Todos los transductores piezoeléctricos tienen una frecuencia resonante fundamental y muchas frecuencias armónicas. Los sistemas de fluidos Drop-On-Demand accionados por piezo son sensibles a las vibraciones adicionales en la estructura piezoeléctrica que deben reducirse o eliminarse. Una empresa de inyección de tinta, Howtek, Inc. resolvió este problema reemplazando las boquillas de inyección de tinta de vidrio (rígidas) por boquillas de inyección de tinta Tefzel (blandas). Esta novedosa idea popularizó las impresoras de inyección de tinta de una sola boquilla y ahora se utilizan en impresoras de inyección de tinta 3D que funcionan durante años si se mantienen limpias por dentro y no se sobrecalientan (Tefzel se arrastra bajo presión a temperaturas muy altas)

Tratamiento de infertilidad

En personas con fallas previas de fertilización total , la activación piezoeléctrica de los ovocitos junto con la inyección intracitoplasmática de espermatozoides (ICSI) parece mejorar los resultados de la fertilización.

Cirugía

Piezosurgery La piezosurgery es una técnica mínimamente invasiva que tiene como objetivo cortar un tejido objetivo con poco daño a los tejidos vecinos. Por ejemplo, Hoigne et al. utiliza frecuencias en el rango de 25 a 29 kHz, lo que provoca microvibraciones de 60 a 210 μm. Tiene la capacidad de cortar tejido mineralizado sin cortar tejido neurovascular y otros tejidos blandos, manteniendo así un área de operación libre de sangre, mejor visibilidad y mayor precisión.

Aplicaciones potenciales

En 2015, investigadores de la Universidad de Cambridge que trabajaron en conjunto con investigadores del Laboratorio Nacional de Física y la compañía de antenas dieléctricas Antenova Ltd, con sede en Cambridge, utilizaron películas delgadas de materiales piezoeléctricos y encontraron que, a una cierta frecuencia, estos materiales se convierten no solo en resonadores eficientes, sino en radiadores eficientes. también, lo que significa que potencialmente pueden usarse como antenas. Los investigadores encontraron que al someter las películas delgadas piezoeléctricas a una excitación asimétrica, la simetría del sistema se rompe de manera similar, lo que resulta en la correspondiente ruptura de la simetría del campo eléctrico y la generación de radiación electromagnética.

Han surgido varios intentos de aplicación a gran escala de la tecnología piezoeléctrica para recolectar energía cinética de los peatones que caminan.

En este caso, la ubicación de áreas de alto tráfico es fundamental para optimizar la eficiencia de la recolección de energía, así como la orientación del pavimento de baldosas afecta significativamente la cantidad total de energía recolectada. Se recomienda una evaluación de flujo de densidad para evaluar cualitativamente el potencial de recolección de energía piezoeléctrica del área considerada en función del número de pasos de peatones por unidad de tiempo. En el estudio de X. Li, se examina y discute la posible aplicación de un recolector de energía piezoeléctrica comercial en un edificio central en la Universidad Macquarie en Sydney, Australia. Se presenta la optimización del despliegue de baldosas piezoeléctricas de acuerdo a la frecuencia de movilidad peatonal y se desarrolla un modelo donde el 3,1% de la superficie total de piso con mayor movilidad peatonal está pavimentado con baldosas piezoeléctricas. Los resultados del modelado indican que el potencial de recolección de energía anual total para el modelo de pavimento de baldosas optimizado propuesto se estima en 1,1 MW h / año, lo que sería suficiente para cubrir cerca del 0,5% de las necesidades energéticas anuales del edificio. En Israel, hay una empresa que ha instalado materiales piezoeléctricos debajo de una carretera muy transitada. La energía generada es adecuada y alimenta alumbrado público, vallas publicitarias y letreros.

La compañía de llantas Goodyear tiene planes de desarrollar una llanta generadora de electricidad que tiene material piezoeléctrico forrado en su interior. A medida que el neumático se mueve, se deforma y, por lo tanto, se genera electricidad.

La eficiencia de una celda fotovoltaica híbrida que contiene materiales piezoeléctricos se puede aumentar simplemente colocándola cerca de una fuente de ruido o vibración ambiental. El efecto se demostró con células orgánicas utilizando nanotubos de óxido de zinc . La electricidad generada por el efecto piezoeléctrico en sí es un porcentaje insignificante de la producción total. Los niveles de sonido tan bajos como 75 decibeles mejoraron la eficiencia hasta en un 50%. La eficiencia alcanzó un máximo de 10 kHz, la frecuencia de resonancia de los nanotubos. El campo eléctrico creado por los nanotubos vibrantes interactúa con los electrones que migran desde la capa de polímero orgánico. Este proceso disminuye la probabilidad de recombinación, en la que los electrones se energizan pero vuelven a asentarse en un agujero en lugar de migrar a la capa de ZnO que acepta electrones.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

  • EN 50324 (2002) Propiedades piezoeléctricas de materiales y componentes cerámicos (3 partes)
  • Norma ANSI-IEEE 176 (1987) sobre piezoelectricidad
  • IEEE 177 (1976) Definiciones estándar y métodos de medición para vibradores piezoeléctricos
  • IEC 444 (1973) Método básico para la medición de la frecuencia de resonancia y la resistencia en serie equiv de unidades de cristal de cuarzo mediante la técnica de fase cero en una red pi
  • IEC 302 (1969) Definiciones estándar y métodos de medición para vibradores piezoeléctricos que operan en el rango de frecuencia de hasta 30 MHz

enlaces externos