Sensor piezoeléctrico

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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]

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  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 10⁶ 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.

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  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 GaPO₄ 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

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  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.

Referencias

1. "Piezoelectric sensors". Piezocryst website. Retrieved 2006-06-02.
2. a b "Interfacing Piezo Film to Electronics" (PDF). Measurement Specialties. March 2006. Retrieved 2007-12-02.[dead link]
3. a b c Alfredo Vázquez Carazo (January 2000). Novel Piezoelectric Transducers for High Voltage Measurements. Universitat Politècnica de Catalunya. pp. 242.
4. Karki, James (September 2000). "Signal Conditioning Piezoelectric Sensors" (PDF). Texas Instruments. Retrieved 2007-12-02.
5. Ludlow, Chris (May 2008). "Energy Harvesting with Piezoelectric Sensors" (PDF). Mide Technology. Retrieved 2008-05-21.[dead link]

Véase también

• Sensores