O efeito piezoelétrico e suas aplicações em sensores industriais

1. Princípio básico

O efeito piezoelétrico ocorre em determinados materiais em que a pressão mecânica gera uma carga elétrica. Descoberto pelos irmãos Curie em 1880, o nome vem da palavra grega "piezein", que significa pressionar.

Existem dois modos:

• Efeito direto: O estresse mecânico deforma o material, deslocando as cargas internas e criando tensão nas superfícies do material. Isso transforma a força física em sinais elétricos.
• Efeito inverso: A aplicação de um campo elétrico faz com que o material mude ligeiramente de forma. Isso transforma a entrada elétrica em movimento mecânico preciso.

2. Tipos de materiais

Existem três categorias principais. A Stanford Advanced Materials (SAM) oferece produtos de todas as categorias.

Cristais piezoelétricos

Cristais únicos com estrutura atômica regular. O quartzo continua sendo o mais comum, oferecendo desempenho estável em mudanças de temperatura com desvio mínimo de sinal. O niobato de lítio e o tantalato de lítio funcionam bem para usos de alta frequência. Em geral, os cristais apresentam menor sensibilidade do que as cerâmicas, mas oferecem melhor estabilidade a longo prazo.

Cerâmica piezoelétrica

Os materiais policristalinos, principalmente o titanato de zirconato de chumbo (PZT), dominam o uso industrial. Eles oferecem uma sensibilidade muito maior do que o quartzo. Os fabricantes podem ajustar a composição do PZT para enfatizar características específicas, como sensibilidade ou resistência à temperatura. Atualmente, existem opções sem chumbo, como o niobato de sódio e potássio (KNN), para aplicações sensíveis ao meio ambiente.

Polímeros piezoelétricos

Materiais como o PVDF oferecem flexibilidade e resistência. Embora sejam menos sensíveis do que a cerâmica, eles se equiparam à água e ao tecido em termos de propriedades acústicas. Isso os torna úteis para imagens médicas e sistemas de som subaquáticos.

3. Principais aplicações

Sensores de pressão

Medem mudanças rápidas de pressão em motores, sistemas hidráulicos e processos industriais. O quartzo funciona melhor em ambientes de alta temperatura que exigem calibração estável ao longo dos anos. O PZT oferece sensibilidade máxima para a detecção de pequenas forças em condições controladas.

Dispositivos ultrassônicos

Os transdutores ultrassônicos enviam e recebem ondas sonoras. Os aparelhos de imagens médicas, os detectores de falhas industriais, os medidores de fluxo e os sistemas de sonar dependem deles. A escolha do material depende da frequência de operação e dos requisitos de potência.

Sensores de vibração

Os acelerômetros detectam movimento e vibração medindo a força em uma massa sísmica. Eles monitoram a saúde das pontes. Prevêem falhas em máquinas.

Acionam os airbags dos carros. Testam peças aeroespaciais. Eles trabalham em frequências que variam de quase zero a milhares de Hertz.

Posicionadores de precisão

O efeito inverso permite o posicionamento com precisão nanométrica. Microscópios de força atômica, ferramentas de fabricação de chips, injetores de combustível e cabeças de impressora usam atuadores piezoelétricos para velocidade e precisão.

Coletores de energia

As vibrações de máquinas, veículos ou movimentos humanos podem gerar pequenas quantidades de eletricidade. Isso alimenta sensores sem fio em locais onde a troca de baterias é impraticável.

4. Guia de seleção de materiais

Para obter ajuda na escolha de materiais, a Stanford Advanced Materials (SAM) oferece suporte técnico com base em décadas de experiência em fornecimento. Entre em contato e conte -nos sobre o seu projeto.

5. Linha de produtos da Stanford Advanced Materials (SAM)

A SAM fornece aos laboratórios de pesquisa e à indústria de todo o mundo materiais piezoelétricos que atendem a especificações rigorosas.

Cristais de quartzo

A SAM fornece quartzo em AT, BT, SC e cortes personalizados. Cada corte oferece um comportamento de temperatura diferente. As aplicações incluem detecção de força, medição de aceleração e controle de frequência, onde a estabilidade é mais importante. [Ver produtos de quartzo]

Niobato de lítio

O niobato de lítio da SAM está disponível em graus congruentes e estequiométricos. Ele vem em vários cortes, incluindo 128° Y-X, Y-36°, corte X e corte Z. A alta temperatura Curie (>1100°C) é adequada para filtros de ondas acústicas de superfície e usos optoeletrônicos.

Tantalato de lítio

A melhor estabilidade de temperatura do que o niobato faz com que o tantalato da SAM seja a escolha para filtros de telecomunicações e detectores de infravermelho. Disponível em corte em Y de 42°, corte em X e outras orientações de até 4 polegadas de diâmetro. [Veja os produtos de tantalato de lítio]

Cristais simples PMN-PT

Esses cristais relaxantes atingem valores de d₃₃ acima de 1500 pC/N e fatores de acoplamento acima de 0,90. Os transdutores de ultrassom médico ganham largura de banda e sensibilidade.

Os atuadores alcançam maior deslocamento. Os coletores de energia captam mais energia.

Cerâmica PZT

A SAM oferece composições de PZT duras e macias. O PZT duro suporta alta potência em limpadores ultrassônicos e soldagem.

O PZT macio oferece sensibilidade máxima para sensores. Disponível na forma de discos, placas, tubos e formatos personalizados.

Serviços personalizados

A SAM produz cristais de acordo com as especificações do cliente. Precisa de uma orientação específica? Nível de dopagem? Dimensões? Padrão de eletrodo? A equipe técnica trabalhará com você. [Exibir serviços personalizados].

Referências

1. Curie, J. e Curie, P. (1880). "Développement par compression de l'électricité polaire dans les cristaux hémièdres à faces inclinées." Bulletin de la Société Minéralogique de France, 3(4), pp. 90-93.

2. Jaffe, B., Cook, W.R. e Jaffe, H. (1971). Piezoelectric Ceramics. Academic Press, Londres.

3. Padrão IEEE sobre Piezoeletricidade (1987). ANSI/IEEE Std 176-1987. Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos.

4. Uchino, K. (2017). Piezoelectric Actuators: Principles and Applications. MDPI Books, Basel.

5. Safari, A. e Akdogan, E.K. (2008). Piezoelectric and Acoustic Materials for Transducer Applications (Materiais piezoelétricos e acústicos para aplicações em transdutores). Springer Science+Business Media, Nova York.

6. Rödel, J., Webber, K.G., Dittmer, R., Jo, W., Kimura, M. e Damjanovic, D. (2015). "Transferindo cerâmicas piezoelétricas sem chumbo para a aplicação". Journal of the European Ceramic Society, 35(6), pp. 1659-1681.

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