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¿Qué son los sensores piezoeléctricos?

Los materiales piezoeléctricos, de los cuales los materiales piezocerámicos son un subconjunto, son particularmente útiles porque pueden generar una carga eléctrica a partir de una fuerza física y / o deformación mecánica. Un área en la que se puede utilizar este mecanismo es en un número selecto de sensores. En este artículo, analizamos cómo se pueden usar los materiales piezocerámicos en las aplicaciones de sensores y cómo funcionan estos sensores.

Materiales piezoeléctricos

Los materiales piezoeléctricos son una clase de materiales que exhiben el "efecto piezoeléctrico" y pueden existir en muchas formas; siempre que tengan una red cristalina regular subyacente. Por lo tanto, los materiales inorgánicos más comúnmente exhiben propiedades piezoeléctricas (aunque hay algunas excepciones).

El efecto piezoeléctrico es la generación de una carga eléctrica cuando un material está sujeto a una fuerza física. En muchos casos, esta fuerza es una deformación o compresión, o una tensión / deformación inducida. También hay un efecto piezoeléctrico inverso, que es esencialmente lo opuesto al efecto piezoeléctrico; un material se expande o se contrae bajo una tensión aplicada.

Para que un material cristalino pueda exhibir el efecto piezoeléctrico, su red cristalina debe ser no centrosimétrica y poseer iones con una carga efectiva grande. Los iones con una carga efectiva más pequeña pueden generar una corriente piezoeléctrica, pero a menudo es mucho más pequeña.

La presencia de una fuerza física hace que la estructura interna de la red cristalina del material cambie, y es este mecanismo el que hace que se genere la carga eléctrica. En una red cristalina normal, los iones están bien ordenados (aparte de los defectos de nivel atómico, que siempre están presentes en una forma u otra). Es la distorsión de esta red bien ordenada la que genera el efecto piezoeléctrico al tiempo que conserva una carga neutra general. Bajo una fuerza física, los iones en la celosía son forzados juntos, creando un desequilibrio de carga que resuena en todo el material. Esto da como resultado que los dos extremos del cristal tengan cargas opuestas, produciendo un voltaje. Una vez que se ha eliminado la fuerza, el material vuelve a su estado normal.

Sensores piezocerámicos

Como su nombre indica, los sensores piezocerámicos son sensores en los que el material de detección activo es tanto cerámico como piezoeléctrico. Los materiales cerámicos se definen como materiales inorgánicos, no metálicos. Hay muchos ejemplos que entran en esta categoría, incluyendo óxidos inorgánicos, nitruros y carburos. Un ejemplo común de una piezocerámica utilizada en los sensores es el titanato de zirconato de plomo, comúnmente conocido como PZT.

Como el efecto piezoeléctrico se genera en muchos entornos físicos, los sensores piezocerámicos se pueden usar para medir cambios en factores físicos, como presión, aceleración, temperatura, choque inducido, tensión o fuerza. Un cambio en el entorno invocará algún tipo de fuerza en la piezocerámica, lo que resultará en una carga eléctrica que puede ser detectada y medida por el sensor. Un ejemplo son los medidores de tensión / deformación utilizados en ingeniería civil, donde el desplazamiento de una estructura (sin importar qué tan pequeños sean) puede detectarse a medida que ejerce una fuerza sobre el sensor.

La mayoría de los sensores piezocerámicos están diseñados para medir más de una propiedad, siendo la presión y la aceleración las más comunes. En los acelerómetros, se utiliza un mecanismo ligeramente diferente. Los mecanismos que dependen de una fuerza directa sobre el sensor se conocen como sensores activos, mientras que un acelerómetro es un sensor pasivo. Esto significa que una fuerza es ejercida por otro componente dentro del sensor cuando hay un cambio en el parámetro que se está midiendo. En los acelerómetros, una masa sísmica está unida al material piezocerámico y presiona hacia abajo con una fuerza relativa cuando el objeto que está siendo detectado acelera.

Una ventaja clave del uso de materiales piezocerámicos en los sensores es que pueden adaptarse a muchas geometrías diferentes sin perder sus propiedades funcionales. Mientras que generan una carga eléctrica bajo compresión, la estructura física masiva no cambia tanto, y esto evita que se rompan bajo una deformación prolongada. Los materiales piezocerámicos también son resistentes a la radiación electromagnética, lo que les permite ser utilizados en varios entornos para una amplia gama de aplicaciones.


Escrito por Liam Critchley

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