Valores de D33 em cristais piezoelétricos: Implicações para aplicações práticas
1 Introdução
Os materiaispiezoelétricos podem gerar um campo elétrico quando a deformação ocorre por força externa, e a deformação ocorre quando o campo elétrico é aplicado, o que realiza a conversão mútua de energia mecânica e energia elétrica no processo e, portanto, tem uma ampla gama de aplicações em equipamentos eletrônicos e campos optoeletrônicos. Para materiais piezoelétricos, a constante piezoelétrica é a expressão de desempenho mais comum e intuitiva, que reflete o material para a tensão mecânica ou o campo elétrico e a direção do campo elétrico gerado ou a deformação do tamanho da relação. Um dos valores de caracterização mais comumente usados é o valor d33, que será discutido neste artigo do ponto de vista de sua relação com as propriedades e aplicações de vários cristais piezoelétricos.
Fig. 1 Cristais e pastilhas de quartzo
2 Visão geral do efeito piezoelétrico
2.1 Cristais piezoelétricos e o efeito piezoelétrico
Os cristais piezoelétricos são materiais cristalinos que têm um efeito piezoelétrico. O efeito piezoelétrico é um fenômeno físico que ocorre quando determinados materiais são deformados por forças externas, o que produz uma separação de cargas dentro do material, gerando um campo elétrico em ambas as extremidades do material. Por outro lado, quando um campo elétrico é aplicado a esses materiais, o material sofre deformação mecânica. O efeito piezoelétrico é encontrado principalmente em certos cristais sem uma estrutura centro-simétrica, como o titanato de bário (BaTiO3), o titanato de zirconato de chumbo (PZT) e o quartzo (SiO2).
2.2 Constantes piezoelétricas
As constantes piezoelétricas são um conjunto de parâmetros que caracterizam a capacidade de um material piezoelétrico de converter um motor sob tensão mecânica e campo elétrico. Elas são os principais coeficientes que conectam as grandezas elétricas e mecânicas, refletindo especificamente a deformação mecânica de um material ou a distribuição de carga sob um campo elétrico ou estresse mecânico aplicado. Essas constantes são geralmente indicadas como dij, gij, eij etc., sendo dij a mais comum.
1. Constante dij (constante de deformação): usada para descrever a relação entre a deformação produzida pelo material sob a ação de um campo elétrico aplicado e a intensidade do campo elétrico. I e j representam a direção do campo elétrico aplicado e a direção da deformação produzida.
2. A constante gij (constante de tensão) descreve a relação entre o campo elétrico gerado pelo material sob tensão mecânica e a tensão. I e j representam a direção do estresse mecânico aplicado e a direção do campo elétrico gerado, respectivamente.
3. A constante eij (constante de carga de tensão) descreve a relação entre a densidade de carga gerada pelo material piezoelétrico sob tensão mecânica e a tensão. I e j representam a direção da tensão aplicada e a direção da carga gerada, respectivamente.
2.3 Constante D33
O valor de d33 representa a proporcionalidade entre a deformação produzida pelo material na direção da polarização (geralmente na direção 3) e a força do campo elétrico aplicado quando o campo elétrico é aplicado ao material nessa direção. Um valor mais alto de d33 significa que o material pode gerar uma tensão mecânica maior quando um campo elétrico é aplicado, ou um campo elétrico mais forte quando um estresse mecânico é aplicado. Isso indica que o material é eficiente na conversão do motor e pode converter energia elétrica em energia mecânica ou energia mecânica em energia elétrica com mais eficiência.
A magnitude do valor d33 tem impacto direto sobre o desempenho do material piezoelétrico e, consequentemente, afeta a eficácia do material piezoelétrico nas aplicações. Nos sensores piezoelétricos, quanto maior o valor d33, maior a sensibilidade e a capacidade de resposta do material, pois o sensor recebido pelo estresse mecânico externo ou pela pressão pode produzir um sinal elétrico mais evidente. Em atuadores piezoelétricos, os materiais com valores d33 mais altos podem gerar tensões ou deslocamentos maiores quando um campo elétrico é aplicado, o que os torna adequados para aplicações que exigem controle de maior precisão e saída de alta potência. Em coletores de energia piezoelétricos, os materiais com altos valores de d33 podem converter com mais eficiência a energia mecânica do ambiente em energia elétrica, melhorando a eficiência da utilização de energia.
3 Fatores que afetam os valores de D33
3.1 Estrutura cristalina
A simetria e as constantes de rede do cristal têm uma influência importante sobre o valor d33. Os cristais de baixa simetria (por exemplo, monoclínico ou triclínico) geralmente têm coeficientes piezoelétricos mais altos porque permitem maior distorção da rede. Constantes de rede maiores tendem a implicar maior espaço deformável, o que pode melhorar as propriedades piezoelétricas.
Fig. 2 Cristais com piezoeletricidade têm menor simetria
3.2 Composição do material
A dopagem de diferentes elementos em materiais piezoelétricos pode afetar significativamente o valor de d33. Por exemplo, no PZT, as propriedades piezoelétricas podem ser otimizadas ajustando-se a proporção de titânio para zircônio. Além disso, a proporção estequiométrica no material afeta o valor d33. O desvio da proporção estequiométrica ideal pode levar a defeitos no cristal, afetando as propriedades piezoelétricas.
3.3 Processamento
A temperatura e o tempo de sinterização dos materiais cerâmicos piezoelétricos afetam sua microestrutura e o tamanho dos grãos, o que, por sua vez, afeta o valor d33. As condições adequadas de sinterização podem otimizar o tamanho do grão e reduzir os defeitos nos limites do grão. O tratamento de polarização é uma etapa fundamental para aprimorar as propriedades piezoelétricas. Ao aplicar um campo elétrico em altas temperaturas, os dipolos dentro do material são orientados na mesma direção, melhorando assim o valor d33.
3.4 Microestrutura
O tamanho do grão tem um efeito significativo sobre o valor d33. Em geral, o tamanho de grão intermediário (nível de mícron) é favorável para melhorar as propriedades piezoelétricas, enquanto o tamanho de grão muito grande ou muito pequeno leva a uma diminuição nos valores de d33. Os defeitos de contorno de grão afetam as propriedades piezoelétricas, e a redução dos defeitos de contorno de grão ajuda a melhorar os valores de d33. A concentração de tensão e o acúmulo de carga nos limites dos grãos reduzem as propriedades piezoelétricas.
3.5 Condições externas
A temperatura tem um efeito significativo sobre o valor d33. A maioria dos materiais piezoelétricos apresenta propriedades piezoelétricas ideais perto da temperatura Curie, mas o valor d33 diminui em temperaturas muito altas ou muito baixas. As tensões e deformações mecânicas externas também podem afetar os valores de d33. Em alguns materiais, a pré-tensão adequada pode melhorar as propriedades piezoelétricas, mas o excesso de tensão pode levar a rachaduras ou à degradação do material.
3.6 Ferroeletricidade dos materiais
A estrutura do domínio ferroelétrico de um material piezoelétrico tem um efeito direto sobre o valor d33. Um movimento maior da parede do domínio melhora a resposta piezoelétrica do material. A relação entre a direção da polarização e a direção da tensão do material também afeta o valor d33, e a melhor resposta piezoelétrica geralmente é obtida quando a direção da polarização é a mesma da direção da tensão.
Fig. 3 Diagrama esquemático do arranjo do dipolo elétrico e curvas de resposta de eletrodeposição em transições de fase ferroelétricas
3.7 Campo elétrico e frequência
A intensidade e a direção do campo elétrico aplicado têm um efeito significativo sobre o valor de d33. Um campo elétrico adequado pode aumentar a resposta piezoelétrica de um material. A frequência do campo elétrico aplicado também afeta o valor d33, com determinados materiais exibindo propriedades piezoelétricas aprimoradas por ressonância em frequências específicas.
4 Propriedades e aplicações de materiais piezoelétricos comuns
4.1 Quartzo
O quartzo (SiO2) é um material piezoelétrico de ocorrência natural amplamente utilizado em vários dispositivos eletrônicos e ópticos. É um sistema de cristal hexagonal com alta simetria, e suas propriedades piezoelétricas dependem da orientação do cristal e da direção da tensão. Em geral, o quartzo tem valores de d33 em torno de 2 a 3 pC/N, o que é relativamente baixo. Apesar do valor relativamente baixo da constante piezoelétrica d33 do quartzo, suas propriedades físicas exclusivas e sua excelente estabilidade o tornam insubstituível em campos específicos.
O quartzo tem excelente estabilidade física e química e é capaz de manter as propriedades piezoelétricas estáveis em uma variedade de condições ambientais. Além disso, o fator de alta qualidade do quartzo o torna superior a outros materiais em osciladores e ressonadores, proporcionando maior estabilidade de frequência e menor perda de energia. O coeficiente de baixa temperatura do quartzo garante a estabilidade da frequência em uma ampla faixa de temperatura, uma vantagem importante em aplicações de alta precisão. Essas propriedades fazem com que o quartzo seja amplamente utilizado, embora tenha um valor d33 relativamente baixo.
Os cristais de quartzo são amplamente usados em osciladores e ressonadores em dispositivos eletrônicos para fornecer referências de frequência estáveis. O fator de alta qualidade e o coeficiente de baixa temperatura do quartzo garantem a estabilidade da frequência e a baixa perda por longos períodos. O quartzo também é usado em sensores piezoelétricos para medir força, pressão e aceleração. Os sensores de quartzo são excelentes em termos de precisão e estabilidade de longo prazo, o que os torna adequados para medições de alta precisão e monitoramento de longo prazo. O quartzo também é usado em moduladores ópticos e dispositivos de comunicação por fibra óptica. A alta transparência e a baixa absorção do quartzo lhe conferem importantes aplicações em óptica, especialmente em comunicações por laser e fibra óptica.
Fig. 4 Anéis de wafer de quartzo
4.2 Titanato de bário
O titanato de bário (BaTiO3) é um material cerâmico piezoelétrico comum que tem atraído muita atenção em diversas aplicações devido às suas excelentes propriedades piezoelétricas e aos altos valores de d33. O titanato de bário tem uma estrutura de calcogeneto (ABO3), e essa estrutura apresenta boa piezoeletricidade e ferroeletricidade em uma faixa de temperatura específica. O valor d33 para o titanato de bário é normalmente em torno de 100 a 200 pC/N. Esse é um valor relativamente alto. Esse é um valor relativamente alto, indicando que o titanato de bário é capaz de produzir tensão mecânica significativa quando um campo elétrico é aplicado.
O titanato de bário com um alto valor de d33 pode melhorar significativamente a eficiência de conversão do motor do material. O titanato de bário tem ferroeletricidade em uma faixa de temperatura específica, o que lhe permite manter propriedades piezoelétricas estáveis em uma ampla faixa de temperatura. Os materiais de titanato de bário têm excelente estabilidade química e resistência mecânica, o que os torna adequados para longos períodos de uso em ambientes adversos. Os materiais cerâmicos de titanato de bário são fáceis de processar e moldar, adequados para produção em massa e amplamente utilizados em campos industriais.
Devido ao seu alto valor d33 e às excelentes propriedades piezoelétricas, o titanato de bário é amplamente utilizado em diversos campos. O titanato de bário é usado para fabricar sensores de pressão, sensores de aceleração e sensores de vibração. O alto valor d33 do titanato de bário permite que esses sensores detectem tensões mecânicas e vibrações com sensibilidade, fornecendo medições suscetíveis e de alta resolução. O titanato de bário também é usado para fabricar atuadores de precisão, como atuadores de microdeslocamento e transdutores ultrassônicos, capazes de gerar grandes deformações mecânicas quando um campo elétrico é aplicado, permitindo um controle preciso e uma saída de alta potência. As características do titanato de bário fazem com que ele seja amplamente utilizado em coletores de energia para converter energia mecânica (por exemplo, vibração, pressão) no ambiente em energia elétrica. A eficiência aprimorada da conversão de energia permite que os coletores de energia coletem e armazenem energia com mais eficiência para dispositivos autoalimentados e vestíveis. A alta constante dielétrica e as boas propriedades piezoelétricas permitem que os capacitores de titanato de bário sejam excelentes em aplicações de alta frequência e alta tensão, proporcionando alta densidade e estabilidade de energia.
4.3 Titanato de zirconato de chumbo (PZT)
O PZT tem um forte efeito piezoelétrico, que produz uma separação significativa de cargas sob tensão mecânica, criando um campo elétrico; por outro lado, induz uma deformação mecânica significativa sob um campo elétrico aplicado. O PZT tem uma estrutura de calcogeneto (ABO3), e suas propriedades piezoelétricas e ferroelétricas podem ser ajustadas variando a proporção de Zr e Ti.
Os valores ded33 do PZT geralmente estão na faixa de 200 a 600 pC/N, o que faz do PZT um dos materiais com altas propriedades piezoelétricas. Os valores mais altos de d33 implicam que o PZT é capaz de gerar tensão mecânica significativa quando um campo elétrico é aplicado em sua direção de polarização (geralmente na direção 3). Isso indica que o PZT é muito eficiente na conversão de motores. O valor d33 mais alto que o PZT tem melhorou significativamente a eficiência de conversão do motor do material, permitindo que ele se sobressaia em aplicações piezoelétricas de alto desempenho. Ao ajustar a proporção de zircônio para titânio, as propriedades piezoelétricas e ferroelétricas do PZT podem ser otimizadas para diferentes aplicações. Os materiais PZT têm excelente estabilidade química e resistência mecânica e podem ser usados em ambientes agressivos por longos períodos. As cerâmicas PZT são fáceis de processar e moldar, o que as torna adequadas para produção em larga escala e são amplamente utilizadas em aplicações industriais.
Fig. 5 Folha de cerâmica de titanato de zirconato de chumbo
4.4 Óxido de zinco (ZnO)
O óxido de zinco (ZnO) é um material semicondutor com excelentes propriedades piezoelétricas, e seu valor d33 geralmente está na faixa de 5-12 pC/N. Embora o ZnO tenha um valor d33 mais alto do que o ZnO, ele tem um valor d33 mais baixo do que o ZnO. Embora o valor d33 do ZnO seja relativamente baixo em comparação com os materiais piezoelétricos convencionais, como o titanato de zirconato de chumbo (PZT) e o titanato de bário (BaTiO3), suas propriedades exclusivas o tornam promissor para uma ampla gama de aplicações em muitos campos. O óxido de zinco tem uma estrutura de zincita hexagonal fibrilada, uma estrutura que confere excelentes propriedades piezoelétricas e altos coeficientes de acoplamento eletromecânico. O óxido de zinco é capaz de gerar uma tensão mecânica significativa quando um campo elétrico é aplicado na direção de sua polarização (geralmente na direção do eixo c), que não é tão forte quanto algumas cerâmicas piezoelétricas de alto desempenho, mas é suficiente para algumas aplicações específicas.
As propriedades piezoelétricas do óxido de zinco o tornam excelente para uso em áreas como nanogeradores, sensores piezoelétricos e dispositivos de ondas acústicas de superfície. Nos nanogeradores, as matrizes de nanofios de ZnO podem converter com eficiência a energia mecânica (por exemplo, vibração e compressão) em energia elétrica e, apesar de seus baixos valores de d33, a eficiência da coleta de energia pode ser significativamente melhorada por meio da otimização da nanoestrutura e do projeto da matriz. Nos sensores piezoelétricos, a alta sensibilidade e a boa resposta de frequência do óxido de zinco o tornam adequado para detectar pequenas tensões mecânicas e mudanças de pressão. Além disso, o óxido de zinco é amplamente utilizado em dispositivos de ondas acústicas de superfície, onde suas excelentes propriedades piezoelétricas e semicondutoras permitem o processamento de sinais de ondas acústicas de alto desempenho.
Os pontos fortes do óxido de zinco também incluem sua boa estabilidade química e biocompatibilidade, o que lhe confere grande potencial no campo biomédico. Por exemplo, os sensores de nanofios de óxido de zinco podem ser usados para detecção biomolecular e estudos de mecânica celular, combinando suas propriedades piezoelétricas e características semicondutoras para permitir uma detecção altamente sensível e seletiva. As aplicações do óxido de zinco também estão se expandindo nos campos de detecção ambiental e coleta de energia. Apesar de seu valor d33 relativamente baixo, a versatilidade e a capacidade de ajuste do óxido de zinco fazem dele um material piezoelétrico valioso para uma variedade de aplicações.
Fig. 6 Cristal semicondutor de óxido de zinco
4.5 Niobato de lítio (LiNbO₃)
O niobato de lítio (LiNbO3) é um material ferroelétrico com propriedades piezoelétricas significativas, com valores de d33 normalmente na faixa de 6-20 pC/N. Embora os valores de d33 do LiNbO3 não sejam tão altos quanto os de algumas cerâmicas piezoelétricas de alto desempenho (por exemplo, titanato de zirconato de chumbo), suas propriedades físicas exclusivas o tornam importante para aplicações em dispositivos optoeletrônicos e acústicos. O niobato de lítio tem uma estrutura de sistema cristalino tripartido, o que lhe confere excelentes propriedades piezoelétricas e ópticas. O niobato de lítio é capaz de gerar uma tensão mecânica significativa quando um campo elétrico é aplicado na direção da polarização, geralmente na direção do eixo c.
As propriedades piezoelétricas do niobato de lítio permitem que ele seja excelente em moduladores ópticos, dispositivos de ondas acústicas de superfície e dispositivos ópticos não lineares. Em moduladores ópticos, o niobato de lítio pode realizar modulação de sinal óptico precisa e de alta velocidade devido ao seu alto coeficiente eletro-óptico e boas propriedades piezoelétricas; em dispositivos de ondas acústicas de superfície, o niobato de lítio utiliza sua alta velocidade de propagação de ondas acústicas e propriedades piezoelétricas para realizar processamento e transmissão de sinais de ondas acústicas altamente eficientes, o que é amplamente utilizado em comunicações sem fio e filtragem de sinais. Além disso, o niobato de lítio também é amplamente utilizado em dispositivos ópticos não lineares. Suas excelentes propriedades ópticas não lineares o tornam um material ideal para conversão de frequência e osciladores paramétricos ópticos.
As vantagens do niobato de lítio também incluem sua alta resistência mecânica, estabilidade química e ampla janela de transparência, o que permite que ele mantenha um bom desempenho em uma ampla gama de ambientes adversos. Isso confere ao niobato de lítio um grande potencial para aplicações aeroespaciais, militares e industriais. Por exemplo, no setor aeroespacial, os sensores de niobato de lítio podem ser usados para detecção de força e pressão de alta precisão; no setor militar, as propriedades ópticas e piezoelétricas do niobato de lítio podem ser usadas em equipamentos avançados de comunicação e contramedidas optoeletrônicas. Em aplicações industriais, a estabilidade em alta temperatura e a resistência à radiação do niobato de lítio o tornam adequado para equipamentos de monitoramento e controle em ambientes adversos. Embora o niobato de lítio tenha um valor D33 relativamente baixo, sua versatilidade e excelentes propriedades optoeletrônicas fazem dele um material piezoelétrico valioso em diversas aplicações.
Fig. 7 Cristais de LiNbO3
4.6 Tantalato de lítio (LiTaO₃)
O tantalato de lítio (LiTaO3) é um importante material piezoelétrico com valores de d33 normalmente na faixa de 5-18 pC/N. Os valores de d33 do LiTaO3 estão na faixa de 5 a 18 pC/N. Embora o valor d33 do LiTaO3 seja um pouco menor do que o de algumas cerâmicas piezoelétricas de alto desempenho (por exemplo, titanato de zirconato de chumbo), suas propriedades físicas e químicas exclusivas fazem com que ele seja amplamente usado em dispositivos optoeletrônicos e acústicos. O tantalato de lítio tem uma estrutura de sistema cristalino tripartido, o que lhe confere excelentes propriedades piezoelétricas e ópticas. Quando um campo elétrico é aplicado em sua direção de polarização (geralmente a direção do eixo c), o tantalato de lítio é capaz de gerar uma tensão mecânica significativa. Embora os valores de d33 sejam relativamente baixos, eles são suficientes para muitas aplicações optoeletrônicas e acústicoeletrônicas.
As propriedades piezoelétricas do tantalato de lítio permitem que ele seja excelente em dispositivos de ondas acústicas de superfície, moduladores ópticos e dispositivos ópticos não lineares. Em dispositivos de ondas acústicas de superfície, o tantalato de lítio utiliza sua alta velocidade de propagação de ondas acústicas e boas propriedades piezoelétricas para obter processamento e transmissão de sinais de ondas acústicas altamente eficientes, o que é amplamente usado em comunicações sem fio e filtragem de sinais; em moduladores ópticos, o tantalato de lítio pode obter modulação de sinal óptico precisa e de alta velocidade por meio de seu alto coeficiente eletro-óptico e boas propriedades piezoelétricas; além disso, o tantalato de lítio também é amplamente utilizado em dispositivos ópticos não lineares, e suas excelentes propriedades ópticas não lineares o tornam um material ideal para conversão de frequência e osciladores paramétricos ópticos.
As vantagens do tantalato de lítio também incluem sua alta resistência mecânica, estabilidade química e ampla janela de transparência, o que permite manter um bom desempenho em ambientes adversos. Isso confere ao tantalato de lítio um grande potencial para uso em aplicações aeroespaciais, militares e industriais. Por exemplo, no setor aeroespacial, os sensores de tantalato de lítio podem ser usados para detecção de força e pressão de alta precisão; no setor militar, as propriedades ópticas e piezoelétricas do tantalato de lítio podem ser usadas em equipamentos avançados de comunicação e contramedidas optoeletrônicas; e em aplicações industriais, a estabilidade do tantalato de lítio em altas temperaturas e a resistência à radiação o tornam adequado para uso em ambientes adversos para equipamentos de monitoramento e controle. Apesar de seu valor d33 relativamente baixo, a versatilidade e as excelentes propriedades optoeletrônicas do tantalato de lítio fazem dele um material piezoelétrico valioso em diversas aplicações.
Fig. 8 Cristais de LiTaO3
5 Conclusão
O efeito piezoelétrico e suas constantes associadas (especialmente o valor d33) afetam diretamente o desempenho dos materiais piezoelétricos e determinam sua eficiência e eficácia em aplicações como sensores, atuadores e coletores de energia. Os fatores que afetam o valor d33 incluem a estrutura cristalina, a composição do material, o processamento, a microestrutura, as condições externas, a ferroeletricidade do material e o campo elétrico e a frequência aplicados, que trabalham juntos de várias maneiras para determinar as propriedades finais dos materiais piezoelétricos.
A Stanford Advanced Materials (SAM) tem o compromisso de fornecer materiais piezoelétricos de primeira linha que maximizam o potencial dos valores d33, garantindo alto desempenho e confiabilidade em várias aplicações práticas.
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