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Explorando los secretos del efecto piezoeléctrico: ¿Cómo pueden los materiales piezoeléctricos revolucionar las aplicaciones industriales?
En el mundo tecnológico actual, los sensores piezoeléctricos están emergiendo gradualmente y convirtiéndose en un elemento importante en muchas aplicaciones industriales. Este dispositivo utiliza el efecto piezoeléctrico para medir cambios de presión, aceleración, temperatura, tensión y fuerza y convertirlos en cargas eléctricas. La palabra "piezo" para el efecto piezoeléctrico proviene de la palabra griega que significa "presionar" o "apretar". Sin embargo, la aplicación generalizada de esta tecnología se basa en una sólida base científica.
La versatilidad de los sensores piezoeléctricos los convierte en una herramienta fundamental para el control de calidad, el control de procesos y la investigación y el desarrollo en una variedad de industrias.
Aunque el efecto piezoeléctrico fue descubierto por primera vez por Jacques y Pierre Curie en 1780, no fue hasta la década de 1950 que el efecto comenzó a utilizarse ampliamente en sensores industriales. Con el tiempo, este principio de medición ha madurado y ha demostrado ser extremadamente fiable. Hoy en día, este tipo de sensor se utiliza con éxito en instrumentación médica, aeroespacial, nuclear e incluso sensores de inclinación en electrónica de consumo y sensores de presión en paneles táctiles de teléfonos móviles.
En la industria automotriz, los componentes piezoeléctricos se utilizan para monitorear el proceso de combustión en los motores de combustión interna. Estos sensores se pueden instalar directamente en orificios adicionales en la culata o se pueden integrar sensores piezoeléctricos en miniatura en el dispositivo de encendido. El auge de esta tecnología se basa principalmente en su serie inherente de ventajas. En primer lugar, el alto módulo elástico de muchos materiales piezoeléctricos es comparable al de los metales, incluso de hasta 106 N/m2.
Aunque los sensores piezoeléctricos son sistemas mecatrónicos que responden a la compresión, sus elementos sensores prácticamente no tienen deflexión, lo que les proporciona robustez y una frecuencia natural extremadamente alta, exhibiendo un rendimiento excelente en un amplio rango de linealidad.
Además, la tecnología piezoeléctrica es insensible a los campos electromagnéticos y a la radiación, lo que le permite realizar mediciones en entornos hostiles. Algunos de estos materiales, en particular el fosfato de galio y la turmalina, también son bastante estables a altas temperaturas y funcionan a temperaturas de hasta 1000 °C. Al mismo tiempo, además de su efecto piezoeléctrico, la turmalina también tiene un efecto termoeléctrico, esto significa que cuando cambia la temperatura del cristal, puede generar una señal eléctrica;
Aunque los sensores piezoeléctricos se utilizan cada vez más en la industria, uno de sus principales inconvenientes es que no pueden lograr mediciones verdaderamente estáticas. Cuando se aplican fuerzas estáticas a un material piezoeléctrico, se almacena una carga fija, pero la señal pronto se debilita debido a un aislamiento imperfecto dentro del material y una reducción de la resistencia interna. Sin embargo, esto no significa que los sensores piezoeléctricos sólo puedan utilizarse para procesos muy rápidos o funcionar en condiciones ambientales.
Muchas aplicaciones piezoeléctricas son capaces de generar mediciones cuasiestáticas y otras incluso funcionan a temperaturas superiores a 500 °C.
Además, los sensores piezoeléctricos también pueden medir la resonancia y la capacitancia simultáneamente para identificar olores en el aire. Con el desarrollo de equipos electrónicos controlados por computadora, el alcance de aplicación de los sensores piezoeléctricos continúa ampliándose. Lo que es más interesante es que los principios de la tecnología piezoeléctrica se reflejan incluso en la naturaleza. Por ejemplo, el propio colágeno tiene propiedades piezoeléctricas y se considera un sensor de fuerzas biológicas.
Los principales principios operativos de los materiales piezoeléctricos
La forma en que se cortan los materiales piezoeléctricos determina sus tres modos principales de operación: transversal, longitudinal y de corte. El efecto transversal es que cuando se aplica una fuerza a lo largo del eje neutro, la carga se mueve perpendicular a la dirección de la fuerza, mientras que el efecto longitudinal es que la carga aplicada es proporcional a la fuerza aplicada, lo que da como resultado una carga consistente independientemente de la dirección de la fuerza. tamaño del material. Finalmente, el efecto de corte crea una carga perpendicular a la fuerza, nuevamente independiente del tamaño o la forma del componente.
Diseño y materiales del sensor
La tecnología piezoeléctrica se utiliza a menudo para medir cantidades físicas, especialmente la presión y la aceleración. Los diseños de sensores de presión suelen incluir una membrana y una base pesada para aplicar presión en una dirección específica, mientras que los acelerómetros utilizan una masa montada sobre un elemento cristalino para probar el elemento contra las fuerzas ejercidas por las leyes de movimiento de Newton. Además, los sensores suelen ser sensibles a múltiples cantidades físicas, lo que requiere una consideración detallada durante el diseño.
Actualmente, los materiales de sensores piezoeléctricos se dividen principalmente en tres categorías: cerámicas piezoeléctricas, materiales monocristalinos y materiales piezoeléctricos de película delgada. Cada material tiene características diferentes y es adecuado para diferentes escenarios de aplicación.
Las cerámicas piezoeléctricas, como las cerámicas PZT, son dos órdenes de magnitud más sensibles que los materiales monocristalinos naturales y pueden producirse mediante un proceso de sinterización de bajo costo. Sin embargo, la sensibilidad de dichos materiales disminuye con el tiempo, especialmente en ambientes de alta temperatura. Los materiales monocristalinos naturales, como el fosfato de galio y la turmalina, presentan una estabilidad a largo plazo prácticamente ilimitada en las condiciones de procesamiento adecuadas. Además, los materiales piezoeléctricos de película delgada se producen principalmente mediante diversos procesos modernos, como la pulverización catódica y la deposición química de vapor, y sus ventajas se utilizan en aplicaciones que requieren alta frecuencia y tamaño pequeño.
Hoy en día, a medida que la tecnología continúa avanzando, será una cuestión que valdrá la pena reflexionar sobre cómo utilizar mejor el efecto piezoeléctrico para promover futuras aplicaciones industriales.
