Un
sensor piezoeléctrico es un dispositivo que utiliza el
efecto piezoeléctrico para medir
presión,
aceleración,
tensión o
fuerza; transformando las lecturas en señales eléctricas.
Aplicaciones
Los sensores piezoeléctricos son catalogados como herramientas
versátiles para la medición de varios procesos. Son utilizados para
garantías de calidad, procesos de control, investigación y desarrollo en
diferentes campos industriales. Aunque el efecto piezoeléctrico fue
descubierto por
Curie
en 1880, éste comenzó a ser implementado en las aéreas sensoriales de
la industria sólamente a partir del año 1950. Desde entonces, el uso de
este principio de medición se ha incrementado, ya que puede ser
considerado como una tecnología madura gracias a su fácil manejo y su
alto nivel de confiabilidad. Tiene aplicaciones en campos como la
medicina, la
industria aeroespacial y la instrumentación nuclear, así como pantallas táctiles de teléfonos celulares. En la
industria automovilística,
los elementos piezoeléctricos son utilizados para monitorear la
combustión durante el desarrollo de motores de combustión interna. Los
sensores pueden estar, bien sea montado directamente en hoyos
adicionales en la culata o en las bujías las cuales están equipadas con
un sensor piezoeléctrico en miniatura.
[1]
-
Un disco piezoeléctrico genera voltaje cuando es deformado (cambio drástico en la forma)
El ascenso de la tecnología piezoeléctrica está directamente
relacionado a un conjunto de ventajas inherentes. El alto módulo de
elasticidad de muchos materiales piezoeléctricos puede ser comparado con
el de metales con magnitudes cuyo orden alcanza 10
6 N/m[dubious – discuss]. A pesar de que los sensores piezoeléctricos son sistemas electromecánicos que reaccionan a la
compresión,
los elementos sensoriales muestran casi una deflexión nula. Por esta
razón los sensores piezoeléctricos son tan precisos, tienen una
frecuencia natural extremadamente alta y una excelente linealidad en
amplio rango. Además, la tecnología piezoeléctrica es insensible a
campos electromagnéticos y
radiación, facilitando mediciones bajo condiciones adversas. Algunos materiales usados (especialmente
fosfato de galio [2] o
turmalina),
poseen un alto grado de sensibilidad incluso al ser expuestos a altas
temperaturas, permitiendo que el sensor sea eficiente hasta temperaturas
de 1000 °C. La turmalina también posee piroelectricidad; gracias a esta
característica se genera una señal eléctrica cuando la temperatura del
cristal es alterada. Este efecto es muy común en materiales
piezocerámicos.
-
Transmisor piezoeléctrico en una guitarra acústica.
Una desventaja de los sensores piezoeléctricos es que no se pueden
usar para tomar mediciones de estática verdadera. Una fuerza estática
resultaría en una cantidad fija de cargas sobre el material
piezoeléctrico. Trabajar con dispositivos de visualización
convencionales, materiales aislantes imperfectos, así como la reducción
de la
resistencia interna del sensor, resulta poco eficiente debido a la pérdida constante de
electrones y el bajo rendimiento de la señal. Además las temperaturas elevadas causan una falla adicional en la
resistencia interna
y en la sensibilidad de la medición. El mayor efecto del efecto
piezoeléctrico es que cuando aumenta significativamente la presión y la
temperatura, la sensibilidad se reduce debido a un montaje gemelo
(twin-formation).
Principio |
Sensibilidad de la Tensión [V/µ*] |
Umbral [µ*] |
Razón umbral- periodo |
Piezoelectrico |
5.0 |
0.00001 |
100,000,000 |
Piezoresistivo |
0.0001 |
0.0001 |
2,500,000 |
Inductividad |
0.001 |
0.0005 |
2,000,000 |
Capasitividad |
0.005 |
0.0001 |
750,000 |
Mientras los sensores de cuarzo deben ser enfriados a 300 °C durante las mediciones, existen cristales especiales como el GaPO
4 fosfato de galio,
que no presentan un montaje gemelo hasta el punto de ebullición del
propio material. Sin embargo, se debe desmentir la premisa que afirma
que estos sensores sólo pueden ser utilizados en procesos muy rápidos o
en condiciones ambientales. De hecho existen numerosas aplicaciones que
demuestran mediciones cuasi-estáticas y muchas otras realizadas a
temperaturas que superan los 500 °C. En la naturaleza también existen
los sensores piezoeléctricos. La smithsonita o carbonato de zinc son
piezoeléctricos, y se cree que puede llegar comportarse como sensores
biológicos de fuerza. [www. ortho. lsuhsc. edu/ Faculty/ Marino/ EL/
EL4/ Piezo. htm]
Principios de operación
-
Símbolo esquemático y modelo electrónico de un sensor piezoeléctrico.
Dependiendo de cómo se corte el material piezoeléctrico, se obtienen
tres formas de operación diferentes: transversal, longitudinal o
tangencial.
Efecto Transeversal
Se aplica una fuerza a lo largo del eje neutro Y, los cambios son
generados a los largo del eje X, es decir perpendicular a la línea de
fuerza. La cantidad de carga, depende de las dimensiones geométricas del
elemento piezoeléctrico, respectivo. Para dimensiones
a,b,c se aplica :
Cx = dxyFyb / a,
Donde
a es la dimensión alineada con el eje Y,
b está alineada con el eje que genera la carga y
d es el correspondiente coeficiente piezoeléctrico.
[3]
Efecto longitudinal
La cantidad de carga producida es directamente proporcional a la
fuerza aplicada y es independiente del tamaño y la forma del elemento
piezoeléctrico. Usando varios elementos mecánicamente en serie y
eléctricamente en
paralelo, se puede conseguir aumentar la carga emitida. La carga resultante es:
Cx = dxxFxn,
Donde
dxx es el coeficiente piezoeléctrico para una carga en
dirección X, carga liberada por fuerzas aplicadas a lo largo del eje X
(en pC/N).
Fx es la carga proporcionada en dirección X [N] y
n corresponde al número de elementos en el circuito.
Efecto Tangencial
Nuevamente las cargas producidas son estrictamente proporcionales a
las fuerzas aplicadas e independientes de la forma y el tamaño de los
elementos. Para
n elementos mecánicamente en serie y eléctricamente en paralelo la carga es:
Cx = 2dxxFxn.
Propiedades eléctricas
Un transductor eléctrico tiene una muy alta impedancia de salida de corriente contínua y puede ser modelado como una
fuente proporcional de voltaje
y como una red de filtro. El voltaje V en la fuente es directamente
proporcional a la fuerza, presión o tensión aplicada. La señal producida
está relacionada con esta fuerza mecánica como si hubiera pasado a
través de un
circuito equivalente.
Un modelo detallado incluye los efectos de la construcción mecánica del
sensor y otras no idealidades. La inductancia Lm es causada gracias a
la
masa sísmica y la
inercia
del propio sensor. Ce es inversamente proporcional a la elasticidad
mecánica del sensor. C0 representa la capacitancia estática del
transductor , la cual es resultado de la inercia de una masa de tamaño
infinito. Ri es la resistencia de la salida del aislamiento del elemento
del transductor. Si el sensor está conectado a una resistencia de
carga, esto también actúa en paralelo con la resistencia del
aislamiento, incrementando la alta frecuencia de corte.
Materiales sensibles
Dos grandes grupos de materiales son usados en los sensores
piezoeléctricos: cerámicos piezoeléctricos y materiales de un solo
cristal. El material cerámico (como por ejemplo la cerámica PZT) tienen
una sensibilidad constante que es aproximadamente dos
órdenes de magnitud
más grande que los materiales de un solo cristal y pueden ser
producidos a través de procesos de sinterización de bajo costo. El
Efecto “Piezo” en las piezocerámicas se considera que es “entrenado” por
lo que desafortunadamente su alta sensibilidad se ve degradada con el
tiempo. Esta degradación está altamente correlacionada con la
temperatura. Los materiales de cristal menos sensibles (
fosfato de galio,
cuarzo,
turmalina) cuando se manipulan con cuidado tienen mayor estabilidad a largo plazo.