Cerámica Piezoeléctrica 6w144v

CERÁMICA PIEZOELÉCTRICA

¿Qué es el efecto piezoeléctrico? > Antecedentes En el año 1815, Coulomb ya teorizaba que la electricidad podía ser producida aplicando presión. El descubrimiento del fenómeno piezoeléctrico, que llegaría unos años después, en 1880, es atribuido (aunque en realidad fue descubierto por René-Just Haüy, un minerólogo islandés algo antes) a los hermanos Jaques y Pierre Curie, que observaron que al aplicar presión a un cristal de cuarzo se establecían cargas eléctricas en este (piezo deriva del griego piezein, que significa presionar). Más tarde comprobaron que los mismos materiales que muestran el efecto piezoeléctrico también muestran el efecto contrario, en el que cambian su forma bajo la influencia de un campo eléctrico dando lugar a lo que se denomina el efecto piezoeléctrico inverso. Los avances en la ciencia de materiales que se hicieron durante esta fase se dividen en tres categorías: 1. Desarrollo de la familia de piezoeléctricos del Titanato de Bario que posteriormente condujo al Titanato de Zirconio. 2. El desarrollo de un entendimiento de una correspondencia de la estructura cristalina de la Perovskite y su actividad electromecánica. 3. El desarrollo de una lógica para mejorar ambas familias con impurezas metálicas para lograr propiedades deseadas tales como constantes dieléctricas, coeficientes de emparejamiento piezoeléctrico.

> Efecto piezoeléctrico El efecto piezoeléctrico, es un fenómeno físico que presentan algunos cristales debido al cual, aparece una diferencia de potencial eléctrico (voltaje) entre ciertas caras del cristal cuando éste se somete a una deformación mecánica y se denomina efecto piezoeléctrico directo (si ocurre al contrario, se trata del efecto piezoeléctrico inverso). Cuando se aplica una tensión mecánica sobre el cristal, los átomos ionizados (cargados) presentes en la estructura de cada celda de formación del cristal

se desplazan, provocando la aparición de cargas en las superficies del material.

Cerámica piezoeléctrica En el siglo XX, piezoeléctricos basados en óxido metálico y otros materiales hechos por el hombre permitieron a los ingenieros emplear el efecto piezoeléctrico en muchas nuevas aplicaciones. Estos materiales generalmente son físicamente fuertes y químicamente inertes, y son relativamente baratos de producir. La composición, forma y dimensión de un elemento cerámico piezoeléctrico puede ser desarrollada para cumplir los requerimientos de un propósito específico. Los cerámicos producidos a partir de formulaciones de Zirconato o Titanato exhiben una sensibilidad mucho mayor y mayores temperaturas operativas en comparación con cerámicos de otra composición. Los determinados PZT (cerámicos piezoeléctricos basados en el circonio y titanio) ahora mismo son los cerámicos piezoeléctricos más usados a lo largo del mundo. El PZT, fue desarrollado en 1952 en el instituto tecnológico de Tokio. Como bien hemos dicho es una solución sólida sintetizada de Titanato de Plomo con Zinconato de plomo y son las cerámicas piezoeléctricas más usadas por su temperatura crítica, por su coeficiente piezoeléctrico y por su relativamente baja temperatura de funcionamiento (200 ºC). Tiene la ventaja sobre otras cerámicas de que se puede fabricar a un precio muy bajo, físicamente es fuerte y es químicamente inerte y además ha demostrado que tiene más sensibilidad piezoeléctrica que otras cerámicas, lo que se comprueba observando su coeficiente piezoeléctrico. Dentro de los materiales PZT existen dos clases: 1) LOS PZT DUROS (HARD): Son los que tienen una temperatura de Curie por encima de los 300 ºC y son difíciles de polarizar excepto a altas temperaturas. 2) LOS PZT BLANDOS (SOFT): Tienen una temperatura de Curie por debajo de los 200 ºC. Pueden ser polarizados a temperaturas ambientales con campos eléctricos fuertes.

Proceso de fabricación Un cerámico piezoeléctrico tradicional es un conjunto masivo de cristales de Perovskite, cada uno de los cuales consiste en un pequeño Ion metálico tetravalente normalmente Titanio o Circonio, en una red cristalina de un ión metálico mayor (normalmente Bario o plomo) e iones de oxigeno (O2), bajo condiciones de simetría tetragonal o romboédrica en los cristales, cada cristal tiene un momento bipolar propio. El proceso consta de los siguientes pasos: 1) Se selecciona el material y se pesa acorde a las proporciones para ser manufacturado. 2) Se muele en un molino de bolas para conseguir un grano muy fino 3) La mezcla se calienta hasta el 75% de la temperatura de síntesis para acelerar la reacción de los componentes. 4) El polvo calcinado es molido de nuevo para incrementar su reactividad y se mezcla con un ligamento orgánico.. 5) Se prensa y se elimina el sobrante. 6) Se calienta hasta la síntesis entre 1250 ºC y 1350 ºC. 7) Las partículas de polvo se sinterizan y el material adquiere una estructura cristalina densa 7) los elementos se enfrían, se cortan, se pulen y se les da la forma final. 8) Se somete al proceso de polarización. El proceso de polarización tiene que ver con la alineación de los polos de los cristales componentes. El procedimiento es necesario porque al ser inicialmente manufacturado, el material piezoeléctrico tiene los polos de sus cristales arreglados en forma aleatoria. En estas condiciones, tienden a anularse unos con otros, y mayormente no responden a las características propias de los dieléctricos. Para que esto ocurra, los polos de los cristales deben estar permanentemente alineados unos con otros, en un proceso de alineamiento o polarización.

Aplicaciones Las primeras aplicaciones serias de los piezoeléctricos (naturales, claro, aún no se habían desarrollado las cerámicas piezoeléctricas) tuvieron lugar durante la Primera Guerra Mundial, donde se incorporaron a los submarinos para servir como detectores de ultrasonidos (sónares). Sin embargo a este éxito, por entonces, las grandes empresas no le dieron ninguna importancia, si bien es cierto que el este primer uso que se dio a estos materiales sigue presente hoy día.

Pocos años después se desarrollaron métodos de prueba de materiales basados en la propagación de ondas ultrasónicas y nuevos métodos de medidas de presión transitoria, útiles para estudiar, por ejemplo, las combustiones internas de un motor. Además se empezaron a fabricar los primeros micrófonos, tocadiscos, acelerómetros, etc. Ya durante la Segunda Guerra Mundial se fabricó el primer material cerámico piezoeléctrico, el Titanato de Bario y más tarde la familia Titanato Zirconato de Plomo (PZT). Gracias al desarrollo de estas cerámicas se pudo mejorar el sónar, se utilizaban también para simplificar circuitos eléctricos, se mejoraron los micrófonos y se creó el primer transductor cerámico de tonos. Una aplicación muy importante de los piezoeléctricos, más en concreto del cuarzo, es en los osciladores electrónicos de precisión, dispositivos que usan la frecuencia natural de resonancia del cristal excitada por un voltaje para fabricar relojes, radios o relojes internos de ordenador. Actualmente se investiga su uso como dispositivos de memoria (denominados FRAM), cuya ventajas sobre las memorias convencionales RAM y ROM es que son memorias no volátiles, de bajo consumo, que no necesitan procesos de refresco y son de fácil lectura/escritura, sin embargo, problemas de integración y velocidad de momento no permiten competir a esta tecnología con el otro tipo de memorias (de tecnología semiconductora) Su uso está extendido a muchos más ámbitos. Gracias a estas cerámicas existen detectores de humo, los mandos de televisión, sensores de movimiento, los clásicos mecheros “de click”, que generan chispa al presionarse, y aún hoy cada año se siguen patentando decenas de productos basados en los piezoeléctricos. Todos los dispositivos piezoceramicos pertenecen a cuatro categorías generales: los generadores, sensores, actuadores y transductores. Las características de cada grupo se resumen brevemente aquí: Generadores. los cerámicos piezoeléctricos pueden generar tensiones suficientemente grandes para generar una corriente entre los electrodos, y por lo tanto puede ser utilizado como quemador de combustible de los encendedores, estufas de gas, equipos de soldadura, y otros aparatos de este tipo. Sensores. Un sensor convierte un parámetro físico, tal como la aceleración o la presión, en una señal eléctrica. Algunos sensores del parámetro físico actúan directamente sobre el elemento piezoeléctrico, y otros dispositivos

de señal acústica establecen vibraciones en los elementos y las vibraciones son, a su vez, convertidas en unas señales eléctricas. Actuadores. Un actuador piezoeléctrico convierte una señal eléctrica en un desplazamiento controlado con precisión física, para ajustar con precisión las herramientas de mecanizado de precisión, los lentes o espejos. Actuadores piezoeléctricos también se usan para controlar las válvulas hidráulicas, actúan como bombas de pequeño volumen o los motores de uso específico, y en otras aplicaciones. Motores piezoeléctricos se ven afectados por pérdidas de eficiencia energética que limitan la miniaturización de los motores electromagnéticos, y se han construido a tamaños de menos de 1 cm3. Una ventaja adicional potencialmente importante para los motores piezoeléctricos es la ausencia de ruido electromagnético. Como alternativa, si se evita el desplazamiento físico, un actuador desarrollará una fuerza utilizable. Transductores. Transductores piezoeléctricos convierten la energía eléctrica en energía mecánica vibratoria, con frecuencia de sonido o ultrasonido, que se utiliza para realizar una tarea. transductores piezoeléctricos que generan sonidos audibles prevén ventajas significativas en relación con alternativas dispositivos electromagnéticos - que son compactos, simple y muy fiable , y un mínimo de energía puede producir un alto nivel de sonido. Estas características son ideales adaptado a las necesidades de los equipos con pilas. Debido a que el efecto piezoeléctrico es reversible, un transductor puedan generar una señal de ultrasonido de la energía eléctrica y convertir el sonido entrante en una señal eléctrica. Transductores piezoeléctricos también se usan para generar vibraciones ultrasónicas para la limpieza, de atomización de líquidos, taladrado o fresado de cerámica u otros materiales difíciles, plásticos de soldadura, diagnóstico médico, o para otros fines.