¿Qué son los Sensores Piezoeléctricos?
Los sensores piezoeléctricos son sensores pasivos que utilizan los efectos piezoeléctricos y piezoeléctricos inversos que se producen en materiales dieléctricos como el cuarzo y el cuarzo para controlar y detectar micromovimientos.
Debido a su sencilla estructura, que no requiere engranajes ni motores para su funcionamiento, los sensores piezoeléctricos son más pequeños que otros sensores de mecanismos de micromovimiento.
Aplicaciones de los Sensores Piezoeléctricos
Los sensores piezoeléctricos se utilizan principalmente en dispositivos para detectar y controlar movimientos diminutos en la industria.
Por ejemplo, se emplean en vibrómetros, en los que los diminutos cambios de fuerza causados por la vibración se introducen en el sensores piezoeléctrico en forma de presión. La tensión generada en el sensores piezoeléctrico bajo presión se utiliza como salida para obtener un valor de tensión, que se cuantifica como la magnitud de la vibración.
También se utilizan como sistemas de accionamiento que acompañan el movimiento de etapas en equipos como microscopios e interferómetros, que requieren movimientos precisos.
Los componentes piezoeléctricos de estos sistemas de accionamiento se denominan controladores piezoeléctricos o actuadores piezoeléctricos, y los actuadores multicapa con múltiples capas de sensores piezoeléctricos también son componentes comunes.
En ellos, los movimientos diminutos se consiguen aplicando corrientes de impulsos diminutas a lossensores piezoeléctricos. Los sensores piezoeléctricos son adecuados en situaciones en las que se requiere una gran capacidad de respuesta y un control preciso del movimiento.
Principio de los Sensores Piezoeléctricos
Las cerámicas piezoeléctricas son el principal material utilizado en los sensores piezoeléctricos, donde el material piezoeléctrico tiene polaridad, que es una distorsión eléctrica dentro del cristal.
Un sensor piezoeléctrico consiste en un material piezoeléctrico intercalado entre electrodos positivos y negativos.
Al aplicar una tensión entre los electrodos, se ejerce una presión sobre el sensor piezoeléctrico, que se expande, se contrae y se desplaza. Este desplazamiento se utiliza como fuerza motriz, etc. Además, también es posible detectar una tensión aplicando una presión que deforme el sensor piezoeléctrico en sentido contrario.
La red cristalina del cuerpo piezoeléctrico permanece eléctricamente estable en condiciones normales al absorber iones de la atmósfera. Sin embargo, cuando se aplica un voltaje. El equilibrio se rompe fácilmente y la polaridad dentro del cristal cambia, haciendo que la propia red cristalina se expanda y contraiga en la dirección indicada por la flecha, que es el desplazamiento del cuerpo piezoeléctrico.
Los sensores piezoeléctricos utilizan esta polaridad para convertir eficazmente la energía eléctrica en energía de deformación para el sensor, con el cuerpo piezoeléctrico intercalado entre electrodos.
En respuesta a la tensión aplicada entre los electrodos, se aplica presión al cuerpo piezoeléctrico, provocando su deformación.
El cuerpo piezoeléctrico también puede detectar tensión cuando se aplica presión en la dirección opuesta.
En este caso, la deformación del material piezoeléctrico es, como mucho, de unas pocas micras, debido a la deformación por tensión que utiliza la polaridad electrónica de la red cristalina del material piezoeléctrico.
Por lo tanto, en general, sólo es posible expresar cantidades de accionamiento tan pequeñas como unas pocas micras, por lo que es necesario coalescer y apilar múltiples sensores piezoeléctricos si se quieren asegurar mayores cantidades de accionamiento.
Cómo Seleccionar los Sensores Piezoeléctricos
Es necesario identificar el sensor piezoeléctrico que opera adecuadamente dependiendo de si la composición del material sobre el que se instala y opera el sensor piezoeléctrico es una carga másica o una carga elástica.
En particular, cuando se opera una estructura en movimiento sostenida a través de un miembro elástico tal como un resorte, la condición es una condición de carga elástica, porque a medida que la carga es aplicada por el sensor piezoeléctrico, la fuerza debida al sensor piezoeléctrico es empujada hacia atrás por la elasticidad del resorte y la forma en que la fuerza es transmitida cambia.
La fuerza generada cuando el sensor piezoeléctrico presiona el miembro motriz se transmite directamente al componente que se está moviendo se denomina carga másica. Se seguirá aplicando una fuerza constante desde el momento en que se aplica la tensión al sensor piezoeléctrico.
La carga elástica, por el contrario, es el caso en el que la fuerza generada cuando el esensor piezoeléctrico presiona el elemento motriz se transmite realmente al componente móvil a través de un miembro elástico, como un muelle.
Desde el momento en que se aplica la tensión al sensor piezoeléctrico, éste es presionado contra la resistencia del muelle mostrado por la flecha roja, y la fuerza aplicada al componente aumenta gradualmente hasta alcanzar una fuerza constante.
Por lo tanto, al presionar a través de un miembro elástico como un muelle, si el sensor piezoeléctrico es un elemento que sólo puede proporcionar una tensión constante, la cantidad de movimiento diferirá entre la primera y la segunda mitad del movimiento.
Además, como el sensor piezoeléctrico tiene una carrera fija que se puede mover, es importante seleccionar uno con una carrera que pueda cumplir el movimiento deseado.
Materiales de los Sensores Piezoeléctricos
Los materiales con efecto piezoeléctrico pueden ser cerámicos o peliculares.
1. Cerámicas Piezoeléctricas
Titanato de circonato de plomo (PZT)
La piezocerámica más extendida, utilizada en una amplia gama de aplicaciones, con zumbadores, sensores de vibración y actuadores como productos típicos.
2. Tantalato de Litio (LT)
Se utiliza en dispositivos electrónicos debido a su cristal único y a su buena estabilidad. La aplicación más común es en dispositivos electrónicos llamados filtros SAW, que sólo dejan pasar determinadas ondas de radio. Muy utilizado en teléfonos móviles.
3. Películas Piezoeléctricas
Fluoruro de polivinilideno (PVDF)
Película de resina con propiedades piezoeléctricas. Aunque su capacidad de desplazamiento no es tan alta como la de la cerámica, puede producirse a bajo coste y procesarse en diversas formas, por lo que se utiliza ampliamente en electrodomésticos, como sensores de proximidad en aspiradoras autopropulsadas y sensores táctiles.
Ejemplos de Productos en los que se Utilizan Sensores Piezoeléctricos
1. Sensores Piezoeléctricos para encendedores
Los sensores piezoeléctricos se utilizan en las piezas de encendido de encendedores electrónicos y estufas de gas, aprovechando el hecho de que generan una carga de alto voltaje cuando se aplica una descarga.
Los pedernales (piedras de encendido) se desgastan con cada uso, pero los sensores piezoeléctricos utilizados en los encendedores electrónicos pueden utilizarse de forma semipermanente siempre que no se dañen, lo que los hace adecuados para su uso en encendedores de gas recargables.
2. Altavoces con Sensores Piezoeléctricos
Los sensores piezoeléctricos también se utilizan como componentes de sonido, aprovechando su propiedad de expandirse y contraerse cuando se aplica una señal eléctrica. Se laminan finas láminas de cerámica piezoeléctrica sobre una placa metálica para obtener una amplitud de vibración mediante la propagación de vibraciones, lo que puede producir un sonido fuerte.
Se utiliza principalmente para sonidos de notificación en electrodomésticos, pitidos de ordenador, sonidos electrónicos en relojes, sonidos de retroceso en cabinas de coche y sonidos de clic en equipos de audio.
Algunos sistemas de audio de gama alta están equipados con altavoces piezoeléctricos como tweeters que producen sonidos en torno a los 20 kHz, apenas audibles para el oído humano, y algunos producen el efecto de expansión del sonido en la música clásica, etc.
3. Actuadores Piezoeléctricos
Los sensores piezoeléctricos también son adecuados como actuadores (unidades de accionamiento) para empujar y tirar de objetos, aprovechando su capacidad para expandirse y contraerse con señales eléctricas.
Se utilizan en la unidad de accionamiento de las impresoras de chorro de tinta para realizar funciones de expulsión de tinta de alta precisión y funciones de dispensación para empujar el líquido hacia fuera.
Los actuadores que utilizan sensores piezoeléctricos tienen la ventaja de ser más pequeños que los actuadores que utilizan bobinas electromagnéticas, pero como no pueden igualar a los actuadores de tipo bobina en cuanto a amplitud de vibración, sólo se utilizan en aplicaciones en las que se requieren amplitudes de accionamiento diminutas y de alta precisión.