Sensor piezoeléctrico

Un sensor piezoeléctrico es un dispositivo que utiliza el efecto piezoeléctrico para medir cambios en la presión, la aceleración, la temperatura, la tensión o la fuerza al convertirlos en una carga eléctrica. El prefijo piezo- es una palabra griega que significa "presionar" o "apretar".

Aplicaciones

Los sensores piezoeléctricos son herramientas versátiles para la medición de diversos procesos. Se utilizan para el control de calidad, el control de procesos y la investigación y el desarrollo en muchas industrias. Jacques y Pierre Curie descubrieron el efecto piezoeléctrico en 1880, pero recién en la década de 1950 los fabricantes comenzaron a utilizarlo en aplicaciones de detección industrial. Desde entonces, este principio de medición se ha utilizado cada vez más y se ha convertido en una tecnología madura con una excelente confiabilidad inherente.

Se han utilizado con éxito en diversas aplicaciones, como en la industria médica, aeroespacial, instrumentación nuclear y como sensor de inclinación en electrónica de consumo o sensor de presión en los paneles táctiles de los teléfonos móviles. En la industria automotriz, los elementos piezoeléctricos se utilizan para controlar la combustión durante el desarrollo de motores de combustión interna. Los sensores se montan directamente en orificios adicionales en la culata o la bujía incandescente está equipada con un sensor piezoeléctrico en miniatura incorporado.

El auge de la tecnología piezoeléctrica está directamente relacionado con un conjunto de ventajas inherentes. El alto módulo de elasticidad de muchos materiales piezoeléctricos es comparable al de muchos metales y llega hasta 10⁶ N/m². Aunque los sensores piezoeléctricos son sistemas electromecánicos que reaccionan a la compresión, los elementos sensores muestran una deflexión casi nula. Esto proporciona a los sensores piezoeléctricos robustez, una frecuencia natural extremadamente alta y una excelente linealidad en un amplio rango de amplitud. Además, la tecnología piezoeléctrica es insensible a los campos electromagnéticos y la radiación, lo que permite realizar mediciones en condiciones duras. Algunos materiales utilizados (especialmente el fosfato de galio o la turmalina) son extremadamente estables a altas temperaturas, lo que permite que los sensores tengan un rango de trabajo de hasta 1000 °C. La turmalina muestra piroelectricidad además del efecto piezoeléctrico; es decir, la capacidad de generar una señal eléctrica cuando cambia la temperatura del cristal. Este efecto también es común a los materiales piezocerámicos. Gautschi, en Piezoelectric Sensorics (2002), ofrece esta tabla comparativa de las características de los materiales de los sensores piezoeléctricos frente a otros tipos:

Una desventaja de los sensores piezoeléctricos es que no se pueden utilizar para mediciones verdaderamente estáticas. Una fuerza estática da como resultado una cantidad fija de carga en el material piezoeléctrico. En la electrónica de lectura convencional, los materiales aislantes imperfectos y la reducción de la resistencia interna del sensor provocan una pérdida constante de electrones y producen una señal decreciente. Las temperaturas elevadas provocan una caída adicional de la resistencia interna y la sensibilidad. El principal efecto sobre el efecto piezoeléctrico es que con el aumento de las cargas de presión y la temperatura, la sensibilidad se reduce debido a la formación de gemelos. Mientras que los sensores de cuarzo deben enfriarse durante las mediciones a temperaturas superiores a 300 °C, tipos especiales de cristales como el fosfato de galio GaPO4 no muestran formación de gemelos hasta el punto de fusión del propio material.

Sin embargo, no es cierto que los sensores piezoeléctricos sólo puedan utilizarse en procesos muy rápidos o en condiciones ambientales. De hecho, numerosas aplicaciones piezoeléctricas producen mediciones cuasiestáticas y otras aplicaciones funcionan en temperaturas superiores a los 500 °C.

Los sensores piezoeléctricos también se pueden utilizar para determinar los aromas del aire midiendo simultáneamente la resonancia y la capacitancia. La electrónica controlada por ordenador aumenta enormemente la gama de posibles aplicaciones de los sensores piezoeléctricos.

Los sensores piezoeléctricos también se observan en la naturaleza. El colágeno de los huesos es piezoeléctrico y algunos piensan que actúa como un sensor de fuerza biológica. La piezoelectricidad también se ha demostrado en el colágeno de los tejidos blandos, como el tendón de Aquiles, las paredes aórticas y las válvulas cardíacas.

Principio de funcionamiento

La forma en que se corta un material piezoeléctrico define uno de sus tres modos operativos principales:

• Transverso
• Longitudinal
• Shear

Efecto transversal

Una fuerza aplicada a lo largo de un eje neutral (y) desplaza cargos a lo largo de la dirección (x), perpendicular a la línea de fuerza. La cantidad de cargo (${\displaystyle Q_{x}$) depende de las dimensiones geométricas del elemento piezoeléctrico respectivo. Dimensiones ${\displaystyle a,b,d}$ aplicar,

${\displaystyle Q_{x}=d_{xy}F_{y}b/a}$,

Donde ${\displaystyle a}$ es la dimensión en línea con el eje neutral, ${\displaystyle b}$ está en línea con el eje generador de carga y ${\displaystyle d}$ es el coeficiente piezoeléctrico correspondiente. [3]

Efecto longitudinal

La cantidad de carga desplazada es estrictamente proporcional a la fuerza aplicada e independiente del tamaño y la forma del elemento piezoeléctrico. Poner varios elementos mecánicamente en serie y eléctricamente en paralelo es la única forma de aumentar la salida de carga. La carga resultante es

${\displaystyle Q_{x}=d_{xx}F_{x}n~$,

Donde ${\displaystyle d_{xx}$ es el coeficiente piezoeléctrico para una carga en la dirección x liberada por fuerzas aplicadas a lo largo de la dirección x (en pC/N). ${\displaystyle F_{x}$ es la Fuerza aplicada en la dirección x [N] y ${\displaystyle n}$ corresponde al número de elementos apilados.

Efecto de corte

La carga producida es exactamente proporcional a la fuerza aplicada y se genera en un ángulo recto a la fuerza. La carga es independiente del tamaño y la forma del elemento. Para ${\displaystyle n}$ elementos mecánicamente en serie y eléctricamente en paralelo la carga es

${\displaystyle Q_{x}=2d_{xx}F_{x}n}$.

A diferencia de los efectos longitudinal y de corte, el efecto transversal permite ajustar con precisión la sensibilidad a la fuerza aplicada y a la dimensión del elemento.

Propiedades eléctricas

Un transductor piezoeléctrico tiene impedancia de salida muy alta y puede ser modelado como una fuente de tensión proporcional y red de filtros. Tensión V en la fuente es directamente proporcional a la fuerza aplicada, presión o cepa. La señal de salida está relacionada con esta fuerza mecánica como si hubiera pasado por el circuito equivalente.

Un modelo detallado incluye los efectos de la construcción mecánica del sensor y otras no idealidades. La inductancia L_m se debe a la masa sísmica y la inercia del propio sensor. C_e es inversamente proporcional a la elasticidad mecánica del sensor. C₀ representa la capacitancia estática del transductor, resultante de una masa inercial de tamaño infinito. R_i es la resistencia de fuga de aislamiento del elemento transductor. Si el sensor está conectado a una resistencia de carga, esta también actúa en paralelo con la resistencia de aislamiento, lo que aumenta la frecuencia de corte de paso alto.

Para su uso como sensor, se suele utilizar la región plana del diagrama de respuesta de frecuencia, entre el corte de paso alto y el pico resonante. La resistencia de carga y de fuga debe ser lo suficientemente grande como para que no se pierdan las frecuencias bajas de interés. En esta región se puede utilizar un modelo de circuito equivalente simplificado, en el que C_s representa la capacitancia de la superficie del sensor en sí, determinada por la fórmula estándar para la capacitancia de placas paralelas.

También puede ser modelado como fuente de carga en paralelo con la capacitancia de origen, con la carga directamente proporcional a la fuerza aplicada.

Diseño sensor

La tecnología piezoeléctrica puede medir varias cantidades físicas, más comúnmente presión y aceleración. Para sensores de presión se utiliza una membrana fina y una base masiva, asegurando que una presión aplicada carga específicamente los elementos en una dirección. Para los acelerómetros, una masa sísmica se une a los elementos de cristal. Cuando el acelerómetro experimenta un movimiento, la masa sísmica invariante carga los elementos según la segunda ley de movimiento de Newton ${\displaystyle F=ma.$.

La principal diferencia en el principio de funcionamiento entre estos dos casos es la forma en que aplican fuerzas a los elementos sensores. En un sensor de presión, una membrana delgada transfiere la fuerza a los elementos, mientras que en los acelerómetros una masa sísmica adjunta aplica las fuerzas. Los sensores suelen ser sensibles a más de una cantidad física. Los sensores de presión muestran una señal falsa cuando se exponen a vibraciones. Por lo tanto, los sensores de presión sofisticados utilizan elementos de compensación de aceleración además de los elementos sensores de presión. Al hacer coincidir cuidadosamente esos elementos, la señal de aceleración (liberada del elemento de compensación) se resta de la señal combinada de presión y aceleración para derivar la información de presión real.

Los sensores de vibración también pueden aprovechar la energía que de otro modo se desperdiciaría a partir de las vibraciones mecánicas. Esto se logra utilizando materiales piezoeléctricos para convertir la tensión mecánica en energía eléctrica utilizable.

Materiales de detección

Se utilizan tres grupos principales de materiales para los sensores piezoeléctricos: cerámica piezoeléctrica, materiales monocristalinos y materiales piezoeléctricos de película delgada. Los materiales cerámicos (como la cerámica PZT) tienen una constante/sensibilidad piezoeléctrica que es aproximadamente dos órdenes de magnitud mayor que la de los materiales monocristalinos naturales y pueden producirse mediante procesos de sinterización económicos. El efecto piezoeléctrico de las piezocerámicas está "entrenado", por lo que su alta sensibilidad se degrada con el tiempo. Esta degradación está altamente correlacionada con el aumento de temperatura.

Los materiales monocristalinos naturales, menos sensibles (fosfato de galio, cuarzo, turmalina) tienen una mayor estabilidad a largo plazo (cuando se manipulan con cuidado, casi ilimitada). También hay nuevos materiales monocristalinos disponibles comercialmente, como el niobato de plomo y magnesio-titanato de plomo (PMN-PT). Estos materiales ofrecen una sensibilidad mejorada con respecto al PZT, pero tienen una temperatura de funcionamiento máxima más baja y actualmente son más complicados de fabricar debido al material PZT de cuatro compuestos frente al de tres compuestos.

Los materiales piezoeléctricos de película delgada se pueden fabricar utilizando métodos de pulverización catódica, CVD (deposición química de vapor), ALD (epitaxia de capa atómica), etc. Los materiales piezoeléctricos de película delgada se utilizan en aplicaciones donde se utiliza alta frecuencia (> 100 MHz) en el método de medición y/o se favorece el tamaño pequeño en la aplicación.