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Alla scoperta dei segreti dell'effetto piezoelettrico: come possono i materiali piezoelettrici rivoluzionare le applicazioni industriali?
Nel mondo tecnologico di oggi, i sensori piezzoelettrici stanno gradualmente emergendo e diventando un elemento importante in molte applicazioni industriali. Questo dispositivo utilizza l'effetto piezoelettrico per misurare i cambiamenti di pressione, accelerazione, temperatura, deformazione e forza e convertirli in cariche elettriche. La parola "piezo" per l'effetto piezoelettrico deriva dalla parola greca che significa "premere" o "spremere". Tuttavia, l’ampia applicazione di questa tecnologia si basa su solide basi scientifiche.
La versatilità dei sensori piezoelettrici li rende uno strumento fondamentale per il controllo della qualità, il controllo dei processi e la ricerca e sviluppo in una varietà di settori.
Sebbene l'effetto piezoelettrico sia stato scoperto per la prima volta da Jacques e Pierre Curie nel 1780, fu solo a partire dagli anni '50 che l'effetto cominciò ad essere ampiamente utilizzato nei sensori industriali. Nel tempo questo principio di misurazione è maturato e si è dimostrato estremamente affidabile. Oggi, questo tipo di sensore viene utilizzato con successo nella strumentazione medica, aerospaziale e nucleare e persino nei sensori di inclinazione nell'elettronica di consumo e nei sensori di pressione nei touch panel dei telefoni cellulari.
Nell'industria automobilistica, i componenti piezoelettrici vengono utilizzati per monitorare il processo di combustione nei motori a combustione interna. Questi sensori possono essere installati direttamente in fori aggiuntivi nella testata oppure i sensori Piezoelettrici miniaturizzati possono essere integrati nel dispositivo di accensione. L'ascesa di questa tecnologia si basa principalmente sulla serie di vantaggi intrinseci. Innanzitutto, l'elevato modulo elastico di molti materiali piezoelettrici è paragonabile a quello dei metalli, fino a 106 N/m2.
Sebbene i sensori piezoelettrici siano sistemi meccatronici che rispondono alla compressione, i loro elementi di rilevamento non hanno praticamente alcuna deflessione, il che conferisce loro robustezza e una frequenza naturale estremamente elevata, mostrando prestazioni eccellenti su un ampio intervallo di linearità.
Inoltre, la tecnologia piezoelettrica è insensibile ai campi elettromagnetici e alle radiazioni, consentendo di eseguire misurazioni in ambienti difficili. Alcuni di questi materiali, in particolare il fosfato di gallio e la tormalina, sono anche abbastanza stabili alle alte temperature, operando a temperature fino a 1000°C. Allo stesso tempo, oltre all’effetto piezoelettrico, la tormalina ha anche un effetto termoelettrico, ciò significa che quando la temperatura del cristallo cambia, può generare un segnale elettrico;
Sebbene i sensori piezoelettrici siano sempre più utilizzati nell’industria, uno dei loro principali svantaggi è che non possono ottenere misurazioni realmente statiche. Quando si applicano forze statiche a un materiale piezoelettrico, viene immagazzinata una carica fissa, ma il segnale si indebolisce presto a causa dell'isolamento imperfetto all'interno del materiale e di una riduzione della resistenza interna. Tuttavia, ciò non significa che i sensori piezoelettrici possano essere utilizzati solo per processi molto rapidi o funzionare in condizioni ambientali.
Molte applicazioni piezoelettriche sono in grado di generare misurazioni quasi statiche e altre funzionano addirittura a temperature superiori a 500°C.
Inoltre, i sensori piezoelettrici possono anche misurare simultaneamente la risonanza e la capacità per identificare gli odori nell'aria. Con lo sviluppo di apparecchiature elettroniche controllate da computer, l'ambito di applicazione dei sensori piezoelettrici continua ad espandersi. La cosa più interessante è che i principi della tecnologia piezoelettrica si riflettono anche in natura. Ad esempio, il collagene stesso ha proprietà piezoelettriche ed è considerato un sensore di forze biologiche.
I principali principi di funzionamento dei materiali piezoelettrici
Il modo in cui i materiali piezoelettrici vengono tagliati determina le tre principali modalità operative: trasversale, longitudinale e di taglio. L'effetto trasversale è che quando viene applicata una forza lungo l'asse neutro, la carica si muove perpendicolarmente alla direzione della forza, mentre l'effetto longitudinale è che la carica applicata è proporzionale alla forza applicata, risultando in una carica costante indipendentemente dall'asse neutro. dimensione del materiale. Infine, l'effetto di taglio crea una carica perpendicolare alla forza, ancora una volta indipendente dalla dimensione o dalla forma del componente.
Design e materiali del sensore
La tecnologia piezoelettrica viene spesso utilizzata per misurare quantità fisiche, in particolare pressione e accelerazione. I design dei sensori di pressione includono tipicamente una membrana e una base pesante per applicare la pressione in una direzione specifica, mentre gli accelerometri utilizzano una massa montata su un elemento cristallino per testare l'elemento contro le forze esercitate dalle leggi del movimento di Newton. Inoltre, i sensori sono spesso sensibili a molteplici quantità fisiche, che richiedono un'analisi dettagliata durante la progettazione.
Attualmente, i materiali dei sensori piezoelettrici sono principalmente suddivisi in tre categorie: ceramiche piezoelettriche, materiali monocristallini e materiali piezoelettrici a film sottile. Ciascun materiale ha caratteristiche diverse ed è adatto a diversi scenari applicativi.
Le ceramiche piezoelettriche, come le ceramiche PZT, sono due ordini di grandezza più sensibili dei materiali naturali monocristallini e possono essere prodotte attraverso un processo di sinterizzazione a basso costo. Tuttavia, la sensibilità di tali materiali diminuisce nel tempo, soprattutto in ambienti ad alta temperatura. I materiali naturali monocristallini come il fosfato di gallio e la tormalina mostrano una stabilità a lungo termine praticamente illimitata nelle giuste condizioni di lavorazione. Inoltre, i materiali piezoelettrici a film sottile vengono prodotti principalmente attraverso vari processi moderni come lo sputtering e la deposizione di vapori chimici, e i loro vantaggi vengono utilizzati in applicazioni che richiedono alta frequenza e dimensioni ridotte.
Oggi, mentre la tecnologia continua ad avanzare, come utilizzare al meglio l’effetto piezoelettrico per promuovere future applicazioni industriali sarà una questione su cui riflettere.
