L'effetto piezoelettrico e le sue applicazioni di rilevamento industriale

1. Principio di base

L'effetto piezoelettrico si verifica in alcuni materiali dove la pressione meccanica genera una carica elettrica. Scoperto dai fratelli Curie nel 1880, il nome deriva dalla parola greca "piezein" che significa premere.

Esistono due modalità:

• Effetto diretto: Le sollecitazioni meccaniche deformano il materiale, spostando le cariche interne e creando una tensione attraverso le superfici del materiale. Questo trasforma la forza fisica in segnali elettrici.
• Effetto inverso: Applicando un campo elettrico, il materiale cambia leggermente forma. Questo trasforma l'input elettrico in un preciso movimento meccanico.

2. Tipi di materiali

Esistono tre categorie principali. Stanford Advanced Materials (SAM) offre prodotti di tutte le categorie.

Cristalli piezoelettrici

Cristalli singoli con struttura atomica regolare. Il quarzo rimane il più comune e offre prestazioni stabili in caso di variazioni di temperatura con una deriva minima del segnale. Il niobato di litio e il tantalato di litio funzionano bene per gli usi ad alta frequenza. I cristalli mostrano generalmente una sensibilità inferiore rispetto alla ceramica, ma offrono una migliore stabilità a lungo termine.

Ceramica piezoelettrica

I materiali policristallini, principalmente lo zirconato di piombo titanato (PZT), dominano l'uso industriale. Offrono una sensibilità molto più elevata rispetto al quarzo. I produttori possono regolare la composizione dei PZT per enfatizzare caratteristiche specifiche come la sensibilità o la resistenza alla temperatura. Per le applicazioni sensibili all'ambiente esistono ora opzioni prive di piombo, come il niobato di sodio e potassio (KNN).

Polimeri piezoelettrici

Materiali come il PVDF offrono flessibilità e resistenza. Pur essendo meno sensibili della ceramica, hanno proprietà acustiche simili a quelle dell'acqua e dei tessuti. Questo li rende utili per l'imaging medico e i sistemi audio subacquei.

3. Principali applicazioni

Sensori di pressione

Misurano le rapide variazioni di pressione nei motori, nei sistemi idraulici e nei processi industriali. Il quarzo funziona meglio per gli ambienti ad alta temperatura che richiedono una calibrazione stabile per anni. Il PZT offre la massima sensibilità per rilevare piccole forze in condizioni controllate.

Dispositivi a ultrasuoni

I trasduttori a ultrasuoni inviano e ricevono onde sonore. Si tratta di dispositivi per imaging medicale, rilevatori di difetti industriali, misuratori di portata e sistemi sonar. La scelta del materiale dipende dalla frequenza operativa e dai requisiti di potenza.

Sensori di vibrazione

Gli accelerometri rilevano il movimento e le vibrazioni misurando la forza su una massa sismica. Monitorano la salute dei ponti. Prevedono i guasti delle macchine.

Attivano gli airbag delle auto. Testano le parti aerospaziali. Lavorano a frequenze che vanno da quasi zero a migliaia di Hertz.

Posizionatori di precisione

L'effetto inverso consente di posizionare con una precisione nanometrica. I microscopi a forza atomica, gli strumenti per la produzione di chip, gli iniettori di carburante e le testine delle stampanti utilizzano attuatori piezoelettrici per ottenere velocità e precisione.

Raccoglitori di energia

Le vibrazioni prodotte da macchinari, veicoli o movimenti umani possono generare piccole quantità di elettricità. In questo modo si alimentano i sensori wireless dove non è possibile sostituire le batterie.

4. Guida alla selezione dei materiali

Per un aiuto nella scelta dei materiali, Stanford Advanced Materials (SAM) offre un supporto tecnico basato su decenni di esperienza nelle forniture. Contattateci e parlateci del vostro progetto.

5. Linea di prodotti Stanford Advanced Materials (SAM)

SAM fornisce ai laboratori di ricerca e all'industria di tutto il mondo materiali piezoelettrici che rispondono a specifiche rigorose.

Cristalli di quarzo

SAM fornisce quarzo in tagli AT, BT, SC e personalizzati. Ogni taglio offre un diverso comportamento alla temperatura. Le applicazioni includono il rilevamento della forza, la misurazione dell'accelerazione e il controllo della frequenza, dove la stabilità è più importante. [Visualizza i prodotti di quarzo].

Niobato di litio

Il niobato di litio SAM è disponibile in gradi congruenti e stechiometrici. È disponibile in diversi tagli, tra cui Y-X a 128°, Y-36°, X-cut e Z-cut. L'elevata temperatura di Curie (>1100°C) lo rende adatto ai filtri per onde acustiche di superficie e agli usi optoelettronici.

Tantalato di litio

La migliore stabilità alla temperatura rispetto al niobato rende il tantalato di SAM la scelta per i filtri per telecomunicazioni e i rivelatori a infrarossi. Disponibile con taglio a Y a 42°, taglio a X e altri orientamenti fino a 4 pollici di diametro. [Visualizza i prodotti di tantalato di litio]

Cristalli singoli PMN-PT

Questi cristalli rilassanti raggiungono valori di d₃₃ superiori a 1500 pC/N e fattori di accoppiamento superiori a 0,90. I trasduttori medicali a ultrasuoni guadagnano larghezza di banda e sensibilità.

Gli attuatori raggiungono un maggiore spostamento. Gli harvester energetici catturano più energia.

Ceramica PZT

SAM offre composizioni di PZT sia dure che morbide. Il PZT duro è in grado di gestire l'alta potenza dei pulitori a ultrasuoni e della saldatura.

Il PZT morbido offre la massima sensibilità per i sensori. Disponibili come dischi, piastre, tubi e forme personalizzate.

Servizi personalizzati

SAM produce cristalli secondo le specifiche del cliente. Avete bisogno di un orientamento specifico? Livello di drogaggio? Dimensioni? Modello di elettrodo? Il team tecnico lavorerà con voi. [Visualizza i servizi personalizzati].

Riferimenti

1. Curie, J. e Curie, P. (1880). "Sviluppo per compressione dell'elettricità polare nelle cristaux hémièdres a facce inclinate". Bulletin de la Société Minéralogique de France, 3(4), pp. 90-93.

2. Jaffe, B., Cook, W.R. e Jaffe, H. (1971). Ceramica piezoelettrica. Academic Press, Londra.

3. Standard IEEE sulla piezoelettricità (1987). ANSI/IEEE Std 176-1987. Istituto degli ingegneri elettrici ed elettronici.

4. Uchino, K. (2017). Attuatori piezoelettrici: Principles and Applications. MDPI Books, Basilea.

5. Safari, A. e Akdogan, E.K. (2008). Materiali piezoelettrici e acustici per applicazioni di trasduttori. Springer Science+Business Media, New York.

6. Rödel, J., Webber, K.G., Dittmer, R., Jo, W., Kimura, M. e Damjanovic, D. (2015). "Trasferimento delle ceramiche piezoelettriche senza piombo nelle applicazioni". Journal of the European Ceramic Society, 35(6), pp. 1659-1681.

7. Tressler, J.F., Alkoy, S. e Newnham, R.E. (1998). "Sensori piezoelettrici e materiali per sensori". Journal of Electroceramics, 2(4), pp. 257-272.

8. Damjanovic, D. (1998). "Proprietà ferroelettriche, dielettriche e piezoelettriche di film sottili e ceramiche ferroelettriche". Reports on Progress in Physics, 61(9), pp. 1267-1324.

9. Zhang, S. e Li, F. (2012). "Cristalli singoli ferroelettrici rilassanti-PbTiO₃ ad alte prestazioni: Status and perspective". Journal of Applied Physics, 111(3), 031301.