CERÁMICA PIEZOELÉCTRICA PIEZOELÉCTRICA
¿Qué es el efecto piezoeléctrico? > Antecedentes En En el año 1815, Coulomb ya teorizaba que la electricidad podía ser producida aplicando presión. El descubrimiento del fenómeno piezoeléctrico, que llearía unos años después, en en 188!, es atribuido "aunque en realidad fue descubierto por #ené$%ust &a'y, un mineróloo islandés alo antes( antes( a los )ermanos )ermanos %aques %aques y *ier *ierre re Curie, que obser+aron que al aplicar presión a un cristal de cuarzo se establecían caras eléctricas en en este "piezo deri+a del rieo piezein, que sinica presionar(. -s tarde comprobaron que los mism ismos materiales que muestran el efecto piezoeléctrico también muestran el efecto contrario, en el que cambian su su forma ba/o la in0uencia de un un campo eléctrico dando luar a lo que se denomina el efecto piezoeléctrico in+erso. os a+ances en la ciencia de materiales que se )icieron durante esta fase se di+iden en tres cateorías2 1. 3esarrollo 3esarrollo de la familia de piezoeléctricos del 4itanato de ario que posteriormente condu/o al 4itanato de 6irconio. 7. El desarrollo de un entendimiento de una correspondencia de la estructura cristalina de la *ero+site y su acti+idad electromecnica. 9. El desarrollo de una lóica para me/orar ambas familias con impurezas metlicas para lorar propiedades deseadas tales como constantes dieléctricas, coecientes de empare/amiento piezoeléctrico.
> Efecto piezoeléctrico El efecto piezoeléctrico, es un fenómeno físico que presentan alunos cristales debido al cual, aparece una diferencia de potencial eléctrico "+olta/e( entre ciertas caras del cristal cuando éste se somete a una deformación mecnica y se denomina efecto piezoeléctrico directo "si ocurre al contrario, se trata del efecto piezoeléctrico in+erso(. Cuando se aplica una tensión mecnica sobre el cristal, los tomos ionizados "carados( presentes presentes en la estructura de cada celda de formación del cristal
se desplazan, pro+ocando la aparición de caras en las supercies del material.
Cerámic piezoeléctric En el silo ::, piezoeléctricos basados en ó;ido metlico y otros materiales )ec)os por el )ombre permitieron a los inenieros emplear el efecto piezoeléctrico en muc)as nue+as aplicaciones. Estos materiales eneralmente son físicamente fuertes y químicamente inertes, y son relati+amente baratos de producir. a composición, forma y dimensión de un elemento cermico piezoeléctrico puede ser desarrollada para cumplir los requerimientos de un propósito especíco. os cermicos producidos a partir de formulaciones de 6irconato o 4itanato e;)iben una sensibilidad muc)o mayor y mayores temperaturas operati+as en comparación con cermicos de otra composición. os determinados *64 "cermicos piezoeléctricos basados en el circonio y titanio( a)ora mismo son los cermicos piezoeléctricos ms usados a lo laro del mundo. El *64, fue desarrollado en 1<57 en el instituto tecnolóico de 4oio. Como bien )emos dic)o es una solución sólida sintetizada de 4itanato de *lomo con 6inconato de plomo y son las cermicas piezoeléctricas ms usadas por su temperatura crítica, por su coeciente piezoeléctrico y por su relati+amente ba/a temperatura de funcionamiento "7!! =C(. 4iene la +enta/a sobre otras cermicas de que se puede fabricar a un precio muy ba/o, físicamente es fuerte y es químicamente inerte y adems )a demostrado que tiene ms sensibilidad piezoeléctrica que otras cermicas, lo que se comprueba obser+ando su coeciente piezoeléctrico. 3entro de los materiales *64 e;isten dos clases2
!" LO# PZT $%RO# &'AR$(2 >on los que tienen una temperatura de Curie por encima de los 9!! =C y son difíciles de polarizar e;cepto a altas temperaturas.
(" LO# PZT )LA*$O# &#O+T", 4ienen una temperatura de Curie por deba/o de los 7!! =C. *ueden ser polarizados a temperaturas ambientales con campos eléctricos fuertes.
Proceso de f-ricci.n ?n cermico piezoeléctrico tradicional es un con/unto masi+o de cristales de *ero+site, cada uno de los cuales consiste en un pequeño @on metlico tetra+alente normalmente 4itanio o Circonio, en una red cristalina de un ión metlico mayor "normalmente ario o plomo( e iones de o;ieno "A7(, ba/o condiciones de simetría tetraonal o romboédrica en los cristales, cada cristal tiene un momento bipolar propio.
El proceso consta de los siguientes pasos: 1( >e selecciona el material y se pesa acorde a las proporciones para ser manufacturado. 7( >e muele en un molino de bolas para conseuir un rano muy no 9( a mezcla se calienta )asta el B5 de la temperatura de síntesis para acelerar la reacción de los componentes. D( El pol+o calcinado es molido de nue+o para incrementar su reacti+idad y se mezcla con un liamento ornico.. 5( >e prensa y se elimina el sobrante. ( >e calienta )asta la síntesis entre 175! =C y 195! =C. B( as partículas de pol+o se sinterizan y el material adquiere una estructura cristalina densa B( los elementos se enfrían, se cortan, se pulen y se les da la forma nal. 8( >e somete al proceso de polarización. El proceso de polarización tiene que +er 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 arrelados en forma aleatoria. En estas condiciones, tienden a anularse unos con otros, y mayormente no responden a las características propias de los dieléctricos. *ara que esto ocurra, los polos de los cristales deben estar permanentemente alineados unos con otros, en un proceso de alineamiento o polarización.
Aplicciones as primeras aplicaciones serias de los piezoeléctricos "naturales, claro, aFn no se )abían desarrollado las cermicas piezoeléctricas( tu+ieron luar durante la *rimera Guerra -undial, donde se incorporaron a los submarinos para ser+ir como detectores de ultrasonidos "sónares(. >in embaro a este é;ito, por entonces, las randes empresas no le dieron ninuna importancia, si bien es cierto que el este primer uso que se dio a estos materiales siue presente )oy día.
*ocos años después se desarrollaron métodos de prueba de materiales basados en la propaación de ondas ultrasónicas y nue+os métodos de medidas de presión transitoria, Ftiles para estudiar, por e/emplo, las combustiones internas de un motor. Hdems se empezaron a fabricar los primeros micrófonos, tocadiscos, acelerómetros, etc. Ia durante la >eunda Guerra -undial se fabricó el primer material cermico piezoeléctrico, el 4itanato de ario y ms tarde la familia 4itanato 6irconato de *lomo "*64(. Gracias al desarrollo de estas cermicas se pudo me/orar el sónar, se utilizaban también para simplicar circuitos eléctricos, se me/oraron los micrófonos y se creó el primer transductor cermico de tonos. ?na aplicación muy importante de los piezoeléctricos, ms en concreto del cuarzo, es en los osciladores electrónicos de precisión, dispositi+os que usan la frecuencia natural de resonancia del cristal e;citada por un +olta/e para fabricar relo/es, radios o relo/es internos de ordenador. Hctualmente se in+estia su uso como dispositi+os de memoria "denominados J#H-(, cuya +enta/as sobre las memorias con+encionales #H- y #A- es que son memorias no +oltiles, de ba/o consumo, que no necesitan procesos de refresco y son de fcil lecturaKescritura, sin embaro, problemas de interación y +elocidad de momento no permiten competir a esta tecnoloía con el otro tipo de memorias "de tecnoloía semiconductora( >u uso est e;tendido a muc)os ms mbitos. Gracias a estas cermicas e;isten detectores de )umo, los mandos de tele+isión, sensores de mo+imiento, los clsicos mec)eros Lde clicM, que eneran c)ispa al presionarse, y aFn )oy cada año se siuen patentando decenas de productos basados en los piezoeléctricos. 4odos los dispositi+os piezoceramicos pertenecen a cuatro cateorías enerales2 los eneradores, sensores, actuadores y transductores. as características de cada rupo se resumen bre+emente aquí2
/enerdores0 los cermicos piezoeléctricos pueden enerar tensiones sucientemente randes para enerar una corriente entre los electrodos, y por lo tanto puede ser utilizado como quemador de combustible de los encendedores, estufas de as, equipos de soldadura, y otros aparatos de este tipo.
#ensores0 ?n sensor con+ierte un parmetro físico, tal como la aceleración o la presión, en una señal eléctrica. Hlunos sensores del parmetro físico actFan directamente sobre el elemento piezoeléctrico, y otros dispositi+os
de señal acFstica establecen +ibraciones en los elementos y las +ibraciones son, a su +ez, con+ertidas en unas señales eléctricas.
Act1dores0 ?n actuador piezoeléctrico con+ierte una señal eléctrica en un desplazamiento controlado con precisión física, para a/ustar con precisión las )erramientas de mecanizado de precisión, los lentes o espe/os. Hctuadores piezoeléctricos también se usan para controlar las +l+ulas )idrulicas, actFan como bombas de pequeño +olumen o los motores de uso especíco, y en otras aplicaciones. -otores piezoeléctricos se +en afectados por pérdidas de eciencia enerética que limitan la miniaturización de los motores electromanéticos, y se )an construido a tamaños de menos de 1 cm 9. ?na +enta/a adicional potencialmente importante para los motores piezoeléctricos es la ausencia de ruido electromanético. Como alternati+a, si se e+ita el desplazamiento físico, un actuador desarrollar una fuerza utilizable.
Trnsd1ctores. 4ransductores piezoeléctricos con+ierten la enería eléctrica en enería mecnica +ibratoria, con frecuencia de sonido o ultrasonido, que se utiliza para realizar una tarea. transductores piezoeléctricos que eneran sonidos audibles pre+én +enta/as sinicati+as en relación con alternati+as dispositi+os electromanéticos $ que son compactos, simple y muy able , y un mínimo de enería puede producir un alto ni+el de sonido. Estas características son ideales adaptado a las necesidades de los equipos con pilas. 3ebido a que el efecto piezoeléctrico es re+ersible, un transductor puedan enerar una señal de ultrasonido de la enería eléctrica y con+ertir el sonido entrante en una señal eléctrica. 4ransductores piezoeléctricos también se usan para enerar +ibraciones ultrasónicas para la limpieza, de atomización de líquidos, taladrado o fresado de cermica u otros materiales difíciles, plsticos de soldadura, dianóstico médico, o para otros nes.
