Explorando materiales piezoeléctricos: tipos, propiedades e impacto tecnológico

Con los años, los avances en la ciencia de los materiales han creado diferentes materiales piezoeléctricos como cristales individuales, cerámica y películas delgadas.Este artículo analiza de cerca los materiales piezoeléctricos, incluidas sus propiedades, tipos, cómo funcionan y sus usos.Destaca su importancia para vincular la ingeniería mecánica y eléctrica, impulsando la innovación en muchas áreas.

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Figura 1: material piezoeléctrico

¿Qué es piezo?

La palabra "piezo" proviene de la palabra griega "piezein", significa "presionar" o "presión".Esto se ajusta bien a su uso en la ciencia para la piezoelectricidad.En 1880, los físicos franceses Jacques y Pierre Curie descubrieron piezoelectricidad.Descubrieron que cuando ciertos cristales como Turmaline, Quartz, Topaz y Rochelle Salt fueron presionados, produjeron una carga eléctrica.También vieron que estos cristales podían cambiar de forma cuando se aplicaba una corriente eléctrica que demuestra que el proceso podría funcionar en ambos sentidos.

Este descubrimiento condujo a la creación de varios dispositivos piezoeléctricos.Durante la Primera Guerra Mundial, la piezoelectricidad se utilizó principalmente en detectores de submarinos ultrasónicos.Hoy, los materiales piezoeléctricos se usan en muchas cosas.Se encuentran en artículos cotidianos como encendedores de cigarrillos eléctricos e impresoras de inyección de tinta, así como en tecnologías avanzadas como imágenes de ultrasonido médico y control de movimiento de precisión en robótica.

Tipos de materiales piezoeléctricos

Figura 2: Ejemplos de materiales piezoeléctricos

Materiales piezoeléctricos de cristal único

Los materiales piezoeléctricos de cristal único se caracterizan por su red de cristal continuo y uniforme, libre de límites de grano.Esta estructura uniforme a menudo conduce a una mejor eficiencia de acoplamiento electromecánico en comparación con otros materiales piezoeléctricos.Ejemplos de tales materiales incluyen cuarzo y langasite.Estos cristales individuales se producen utilizando métodos de crecimiento precisos como el proceso Czochralski o la síntesis hidrotérmica.Su rendimiento excepcional los hace perfectos para aplicaciones precisas como sistemas de imágenes médicas avanzadas, resonadores y filtros de telecomunicaciones, y monitoreo de vibraciones en aeroespacial.

Figura 3: material de cuarzo de cristal piezo

Materiales piezoeléctricos de cerámica

La cerámica piezoeléctrica está hecha de materiales estructurados con perovskita como titanato de circonato de plomo (PZT).Estos materiales son policristalinos y se crean mediante sustancias en polvo de sinterización.Sus propiedades piezoeléctricas se desarrollan a través de un proceso de poling y alinea los dipolos eléctricos aplicando un campo eléctrico externo.Estas cerámicas se pueden moldear fácilmente en varias formas y tamaños.Su durabilidad y rentabilidad los hacen populares para su uso en actuadores, sensores, transductores ultrasónicos y timbres electrónicos de consumo.

Figura 4: Estructura de la cerámica piezoeléctrica tipo PZT

Materiales piezoeléctricos de película delgada

Los piezoeléctricos de película delgada se realizan depositando capas que van desde unos pocos nanómetros hasta varios micrómetros de espesor utilizando técnicas de fabricación avanzada como pulverización, deposición de vapor químico o deposición de láser pulsado.Los materiales comunes utilizados en películas delgadas incluyen PZT, óxido de zinc (ZnO) y nitruro de aluminio (ALN).La delgadez de estas películas les permite integrarse en sistemas microelectromecánicos (MEM) y sistemas nanoelectromecánicos (NEM), mejorando su funcionalidad en dispositivos compactos como micrófonos, microeswitches y matrices avanzadas de sensores.Su compatibilidad con los procesos de semiconductores estándar y la escalabilidad los hace adecuados para circuitos integrados y electrónica flexible.

Figura 5: Películas delgadas piezoeléctricas de Aln

Figura 6: Elementos piezográficos a granel

Elegir entre materiales piezoeléctricos de película delgada y a granel depende de las necesidades específicas de la aplicación de precisión, energía y durabilidad.Los materiales piezográficos de película delgada son adecuados en tecnologías a pequeña escala.Por el contrario, se prefieren materiales piezográficos a granel en aplicaciones más exigentes y a mayor escala.La siguiente tabla compara materiales piezográficos de película delgada y materiales piezográficos a granel en función de su grosor, técnicas de fabricación, características clave y aplicaciones.

Categoría	Materiales piezo de filmes delgados	Materiales piezo a granel
Espesor	Algunos nanómetros a varios micrómetros	Varios milímetros a centímetros
Técnicas de fabricación	Deposición de láser pulsado, pulsado, Deposición de vapor químico	Presionando, extrusión, mecanizado
Características	Respuesta de alta frecuencia: respuesta rápida veces	Generación de alta potencia: produce energía bajo estrés mecánico
	Flexibilidad: aplicable a flexible superficie	Durabilidad: fuerte y duradero, adecuado Para cargas pesadas y condiciones duras
	Precisión: control preciso en un nivel microscópico	Versatilidad: fácilmente de forma y tamaño para necesidades específicas
Aplicaciones	Microelectrónica y MEMS: Acelerómetros, giroscopios, cabezas de impresora de inyección de tinta	Cosecha de energía: Convierte mecánico Estrés de vibraciones en energía eléctrica
	Dispositivos médicos: transductores ultrasónicos Para imágenes y terapia	Actuadores y sensores: grandes actuadores en Industrias automotrices y aeroespaciales, sensores de alta carga
	Telecomunicaciones: filtros y Resonadores en teléfonos móviles y dispositivos de comunicación	Sonar y dispositivos ultrasónicos: sonar Sistemas para uso naval, limpiadores ultrasónicos industriales

PZT de película delgada y métodos de deposición

Los materiales de titanato de circonato de plomo de película delgada (PZT) se utilizan en sensores, actuadores y sistemas microelectromecánicos (MEM) debido a sus grandes propiedades piezoeléctricas.La composición y efectividad de las películas delgadas PZT dependen mucho de sus métodos de deposición que pueden afectar su estructura, orientación y rendimiento piezoeléctrico.Las tres técnicas principales de deposición: Sol-gel, pulverización y deposición de vapor químico orgánico metálico (MOCVD).

Figura 7: PZT flexible de película delgada

Proceso sol-gel

El proceso Sol-Gel es una forma rentable de depositar películas delgadas PZT y permitir el control sobre la composición de la película a nivel molecular.Esta técnica comienza con la preparación de una solución coloidal (SOL) que se convierte en un gel.Los pasos importantes incluyen hidrolizados y polimerizadores de alcóxidos metálicos.El gel resultante se aplica a un sustrato usando recubrimiento por giro o recubrimiento por inmersión, seguido de un tratamiento térmico para eliminar los componentes orgánicos y cristalizar la fase PZT.

Figura 8: Proceso de sol-gel para películas delgadas PZT

Ventajas

• Permite un control fino sobre la estequiometría, mejorando las propiedades piezoeléctricas

• Utiliza temperaturas más bajas en comparación con otros métodos

Desafíos

• Es difícil obtener un grosor y composición consistentes en grandes áreas

• La alta contracción durante el secado y el disparo a menudo causa grietas

Chisporroteo

La pulverización es una técnica de deposición de vapor físico (PVD) donde las partículas de alta energía eliminan el material de un objetivo y luego se deposita en un sustrato.Para las películas de PZT, se utiliza la pulverización del magnetrón de RF que involucra un plasma de iones de argón que alcanza el objetivo PZT.

Figura 9: Método de deposición de pulverización de deposición de película delgada

Ventajas

• Produce películas con buena adhesión y densidad

• Adecuado para recubrir sustratos grandes de manera uniforme

Desafíos

• El estrés puede acumularse en las películas que afectan sus propiedades

• La composición del objetivo puede cambiar durante la pulverización debido a los rendimientos de pulverización diferencial

Deposición de vapor químico orgánico de metal (MOCVD)

MOCVD implica descomponer precursores de metal-orgánicos en una fase de vapor y reaccionar o descomponer en un sustrato calentado para formar una película delgada.Se prefiere este método para producir películas de alta pureza y bien cristalizadas adecuadas para aplicaciones electrónicas.

Ventajas

• Proporciona una excelente uniformidad y conformidad de la película incluso en sustratos de forma compleja

• Bueno para la producción de alto volumen

Desafíos

• Requiere temperaturas más altas que otros métodos

• El manejo y el almacenamiento de precursores de metal-orgánicos pueden ser peligrosos

Figura 10: Deposición de vapor químico orgánico de metal

Cómo actúan los materiales bajo estrés

Comportamiento bajo compresión

Cuando se aprueban materiales como cuarzo o titanato de bario, cambian de manera que afectan su uso en varios dispositivos.Estos materiales tienen estructuras especiales que crean cargas eléctricas cuando se presionan.A medida que se comprimen, se encogen y su estructura interna cambia.

Esta exprimción hace que las cargas eléctricas dentro del cristal se distribuyan de manera desigual.La presión mueve los iones en la estructura del cristal, creando un campo eléctrico.Esto sucede porque los centros de carga positivos y negativos en el cambio de material.La cantidad de respuesta eléctrica depende del tipo de cristal, la fuerza aplicada y la dirección del cristal en relación con la fuerza.

Por ejemplo, en los sensores, el voltaje producido por los cristales puede medir la fuerza aplicada, haciéndolos perfectos para detectar la presión y las cargas de monitoreo.En los actuadores, la aplicación de un campo eléctrico puede hacer que el cambio de cristal sea de forma, permitiendo un control preciso de los movimientos en cosas como dispositivos ultrasónicos e inyectores de combustible para automóviles.

Figura 11: Funciona los materiales piezoeléctricos

Respuesta piezoeléctrica a la presión

Cuando los materiales piezoeléctricos enfrentan presión mecánica, sus moléculas se realinean, afectando sus propiedades eléctricas.La fuerza cambia la estructura molecular, alineando regiones con una dirección eléctrica uniforme, aumenta la polarización eléctrica.

Esta alineación aumenta la separación de carga en el material, mejorando su polarización eléctrica.En términos simples, la presión hace que los dipolos (moléculas con dos cargas opuestas) sean más uniformes, creando un campo eléctrico más fuerte para una fuerza dada.

La capacidad de controlar esta respuesta con precisión bajo diferentes presiones hace que los materiales piezoeléctricos sean muy útiles en muchas tecnologías.Su capacidad para convertir la presión mecánica en señales eléctricas y viceversa les permite usarse de manera efectiva en tareas como generar frecuencias electrónicas precisas y monitorear vibraciones en entornos industriales.

El efecto piezoeléctrico

Figura 12: El efecto piezoeléctrico

Convertir la energía mecánica en energía eléctrica con el efecto piezoeléctrico

El efecto piezoeléctrico cambia la energía mecánica en energía eléctrica al deformar ciertos materiales de cristal.Estos materiales, conocidos como piezoeléctricos, incluyen sustancias naturales como cuarzo y sintéticos como la cerámica avanzada.

Cuando un material piezoeléctrico se enfrenta al estrés mecánico, como ser exprimido, retorcido o doblado, su estructura cristalina, no tiene una simetría central y se molesta.Esta perturbación cambia los centros de carga en el cristal que causan polarización y crean un potencial eléctrico en ciertos puntos del material.

Puntos clave de este proceso:

La carga eléctrica producida coincide con la cantidad de estrés mecánico aplicado.Esto significa que la salida eléctrica se puede controlar con precisión en función de la fuerza conocida aplicada;

Cuando se elimina la fuerza, el material regresa a su estado original y la carga eléctrica desaparece.Esto garantiza la durabilidad y confiabilidad del material que sean buenas para los dispositivos que necesitan funcionar bien repetidamente.

Convertir la energía eléctrica en energía mecánica con el efecto piezoeléctrico inverso

El efecto piezoeléctrico inverso cambia la energía eléctrica nuevamente en energía mecánica.La aplicación de un voltaje eléctrico a un material piezoeléctrico crea un campo eléctrico que cambia la estructura de la red de cristal, alterando las dimensiones del material.

Este efecto se utiliza en actuadores de precisión en instrumentos ópticos y sistemas de micro posicionamiento.El efecto piezoeléctrico inverso asegura que las pequeñas entradas eléctricas dan como resultado ajustes mecánicos precisos y controlados, ayudando a avances en robótica, tecnología automotriz, instrumentos médicos y telecomunicaciones.

La doble capacidad del efecto piezoeléctrico para actuar como un transductor mecánico a electrical y eléctrico a mecánico admite avances tecnológicos.Conecta los dominios mecánicos y eléctricos, ampliando la ingeniería y la innovación modernas.

Figura 13: efecto piezoeléctrico directo e invertido

Comparación de materiales no piezoeléctricos y piezoeléctricos

Los materiales no piezoeléctricos y piezoeléctricos son diferentes en la forma en que manejan la energía mecánica y eléctrica.Los materiales no piezoeléctricos como el acero y el aluminio pueden conducir electricidad, pero no crear una carga eléctrica cuando estén estresados.Los materiales piezoeléctricos, como el cuarzo y ciertas cerámicas, pueden cambiar la energía mecánica en energía eléctrica debido a su estructura cristalina especial.

Los materiales no piezoeléctricos tienen redes de cristal simétricas, por lo que no producen un dipolo eléctrico cuando estén estresados.Los materiales piezoeléctricos tienen redes de cristal asimétricas, que les permite generar una carga eléctrica cuando están bajo estrés.Esta deformación causa polarización interna y crea potencial eléctrico.

Los materiales no piezoeléctricos se comportan como conductores o aisladores regulares en función de su movilidad de electrones y estructura de banda y no crean una carga eléctrica cuando se deforman.Los materiales piezoeléctricos exhiben dos efectos: el efecto piezoeléctrico directo, donde el estrés mecánico genera una carga eléctrica y el efecto piezoeléctrico inverso, donde un campo eléctrico causa deformación mecánica.Estas características hacen que los materiales piezoeléctricos sean adecuados para su uso en sensores y actuadores.

Debido a sus diferentes propiedades, se utilizan materiales no piezoeléctricos y piezoeléctricos en diferentes aplicaciones.Los materiales no piezoeléctricos se utilizan en componentes estructurales, cableado eléctrico y piezas electrónicas estándar donde la resistencia y la conductividad son importantes.Los materiales piezoeléctricos se utilizan en campos que requieren control preciso y conversión de energía mecánica-electrical, como equipos de ultrasonido, dispositivos de posicionamiento de precisión y varios sensores y actuadores buenos para tecnologías avanzadas.

Aplicaciones de piezoelectricidad

Electrónica de consumo: en teléfonos inteligentes y otros dispositivos, las piezas piezoeléctricas se utilizan en altavoces y micrófonos.Convierten las señales eléctricas en vibraciones de sonido o vibraciones de sonido en señales eléctricas para la entrada de audio.

Industria automotriz: los automóviles modernos usan sensores piezoeléctricos para muchos propósitos, como controlar la inyección de combustible en motores y monitorear la presión de los neumáticos.

Monitoreo ambiental: los sensores piezoeléctricos detectan cambios de presión, vibraciones y sonidos.Se utilizan para verificar las condiciones ambientales y garantizar la seguridad de los edificios y puentes.

Cosecha de energía: los materiales piezoeléctricos pueden capturar energía del estrés mecánico.Por ejemplo, los pisos que convierten los pasos en energía eléctrica pueden alimentar luces y productos electrónicos en áreas ocupadas, ayudando a crear entornos sostenibles.

Lightores piezoeléctricos de alto voltaje: estos encendedores utilizados para iluminar estufas de gas y barbacoas y crean un alto voltaje a partir de un pequeño clic mecánico, produciendo una chispa para encender el quemador.Esto muestra el uso práctico de materiales piezoeléctricos.

Imágenes médicas: los cristales piezoeléctricos son útiles en máquinas de ultrasonido.Producen ondas de sonido que rebotan en tejidos y órganos, creando imágenes para el diagnóstico.

Actuadores de precisión en instrumentos científicos: los materiales piezoeléctricos en los actuadores de precisión crean pequeños movimientos para la óptica y la nanotecnología.Estos actuadores ajustan los espejos, lentes y otras piezas con precisión microscópica para la investigación científica y la fabricación de semiconductores.

Conclusión

El estudio de materiales piezoeléctricos muestra una fuerte conexión entre la física y la ingeniería, lo que demuestra cómo sus propiedades naturales pueden usarse para muchos fines tecnológicos.La versatilidad de los materiales piezoeléctricos disponibles como materiales a granel fuertes y películas delgadas flexibles, los hace adecuados para diversas aplicaciones, como la recolección de energía, el monitoreo ambiental y el desarrollo de tecnologías sostenibles.A medida que continúa la innovación, la investigación y el desarrollo en materiales piezoeléctricos son mejoras más importantes, prometedoras en la eficiencia, precisión y funcionalidad para las tecnologías futuras.

Preguntas frecuentes [Preguntas frecuentes]

1. ¿Qué hace que la electricidad se produzca a partir del efecto piezoeléctrico?

El efecto piezoeléctrico ocurre cuando ciertos materiales producen una carga eléctrica en respuesta al estrés mecánico.Estos materiales, un cristales como cuarzo, cerámica como el titanato de bario y algunos polímeros, poseen una estructura de red de cristal que no es centrosimétrica, lo que significa que carece de un centro de simetría.Cuando se aplica la fuerza mecánica como la presión o la vibración, esta estructura se distorsiona.Esta distorsión desplaza los iones dentro de la red, creando áreas con cargas positivas y negativas.La separación espacial de estas cargas da como resultado un potencial eléctrico que genera electricidad.Este efecto es reversible y la aplicación de un campo eléctrico a estos materiales también inducirá estrés mecánico.

2. ¿Qué dispositivo usa el efecto piezoeléctrico?

Los dispositivos que utilizan el efecto piezoeléctrico son variados e incluyen equipos cotidianos y especializados.Las aplicaciones comunes son:

Relojes de cuarzo: utilizando las vibraciones regulares de cuarzo debajo de un campo eléctrico para mantener el tiempo con precisión.

Dispositivos de ultrasonido médico: generar ondas de sonido que se hacen eco dentro del cuerpo para crear imágenes de diagnóstico.

Inyectores de combustible en automóviles: usando actuadores piezoeléctricos para controlar el momento y la cantidad de combustible inyectado en los cilindros del motor.

Sensores piezoeléctricos y acelerómetros: medición de cambios en la presión, aceleración, tensión o fuerza al convertirlos en una señal eléctrica.

3. ¿Cuántos voltios es un piezo?

La salida de voltaje de un elemento piezoeléctrico puede variar ampliamente dependiendo de su tamaño, material y la cantidad de estrés mecánico aplicado.Un pequeño elemento piezoeléctrico como los que se encuentran en encendedores o dispositivos electrónicos pueden producir una pico de voltaje que varía de unos pocos voltios a varios cientos de voltios.Sin embargo, estas salidas generalmente son de muy bajas corrientes y duran solo microsegundos.

4. ¿Un piezo necesita una resistencia?

En muchas aplicaciones, se usa una resistencia con un elemento piezoeléctrico para limitar la corriente y proteger otros componentes en el circuito a partir de la espiga de alto voltaje producida cuando se activa el piezo.El valor de la resistencia depende de los requisitos específicos del circuito, incluido el tiempo de respuesta y la sensibilidad deseados.Sin una resistencia, el piezo puede dañar los componentes electrónicos conectados debido al alto pico de voltaje inicial.

5. ¿Cómo se relaciona piezoeléctrica con la energía humana?

El efecto piezoeléctrico es directamente aplicable al aprovechar el poder humano de manera innovadora.Puede convertir la energía mecánica de las actividades humanas, como caminar o presionar botones, en energía eléctrica.Esta tecnología se explora en varias aplicaciones:

Azulejos de piso de cosecha de energía: estas baldosas generan electricidad a partir de la presión de las pisadas en áreas ocupadas como estaciones de metro o centros comerciales.

Tecnología portátil: incrustación de materiales piezoeléctricos en zapatos o ropa para generar energía para dispositivos pequeños a través de movimientos normales del cuerpo.

Implantes médicos: usando movimientos corporales para alimentar dispositivos como marcapasos, reduciendo o eliminando la necesidad de baterías externas.