¿Qué tienen en común los teléfonos celulares, los inyectores de combustible diesel, las pastillas de guitarra acústica, los encendedores de parrilla, los transductores ultrasónicos, los sensores de vibración, ciertas impresoras y tarjetas de felicitación musicales? Además de ser dispositivos electrónicos, todas estas aplicaciones utilizan piezoelectricidad de alguna manera. Exploremos cómo funciona la piezoelectricidad y veamos algunas aplicaciones de los materiales piezoeléctricos en la vida cotidiana.
¿cómo funciona el Material piezoeléctrico?,
El efecto piezoeléctrico se remonta a 1880 y es obra pionera de los hermanos Pierre y Jacques Curie, y se refiere a la capacidad de materiales específicos — como el cuarzo, la turmalina, el topacio y la sal de Rochelle — para producir una carga eléctrica cuando se somete a estrés mecánico. El término «piezo» puede incluso rastrear sus raíces hasta el griego antiguo, donde sus significados se relacionan con acciones de empujar, apretar y presionar.
ninguna explicación del efecto piezoeléctrico estaría completa sin una breve discusión de lo que son los dispositivos piezoeléctricos también., Hoy en día, gracias al desarrollo adicional de materiales piezoeléctricos artificiales, incluida la cerámica piezoeléctrica, las aplicaciones de la piezoelectricidad en dispositivos electrónicos están creciendo a un ritmo emocionante.
cómo funciona el efecto piezoeléctrico con sensores y motores
para empezar, probablemente no haya una aplicación más popular del efecto piezoeléctrico que como fuente de energía de alto voltaje en encendedores de cigarrillos eléctricos y parrillas de gas., En estos casos, un martillo golpea un pedazo de material piezoeléctrico, que luego produce suficiente corriente para crear una chispa que enciende el gas inflamable en su presencia. Sin embargo, en otras aplicaciones como los sensores, el martillo como excitador del material piezoeléctrico suele ser reemplazado por otras formas de energía como las ondas de sonido, incluido el ultrasonido.
cuando se ponen a trabajar en sensores, los materiales piezoeléctricos pueden detectar incluso algunas de las perturbaciones y anomalías más diminutas, lo que los convierte en dispositivos ideales en pruebas industriales no destructivas e imágenes médicas.,
en otros casos, los motores piezoeléctricos pueden realizar movimientos altamente precisos y repetibles. Esta capacidad los convierte en excelentes dispositivos para los movimientos de precisión de dispositivos ópticos sensibles como telescopios y microscopios.
ventajas y desventajas piezoeléctricas
en comparación con otros componentes electrónicos, los dispositivos piezoeléctricos tienen varias ventajas, así como algunas desventajas.,
sus ventajas incluyen los siguientes aspectos:
- No requiere fuente de alimentación externa: gracias a su capacidad para producir un voltaje cuando se actúa sobre una fuerza, los materiales piezoeléctricos no requieren fuente de alimentación externa.
- Fácil instalación: con pequeñas dimensiones, son un gran ajuste y se instalan fácilmente en dispositivos electrónicos de alta densidad.
- Capacidad de respuesta a altas frecuencias: en comparación con otros dispositivos, los materiales piezoeléctricos tienen una respuesta de frecuencia sustancialmente mayor, lo que los hace maravillosamente sensibles incluso en las situaciones más exigentes.,
- materiales altamente flexibles: la mayoría de los materiales piezoeléctricos se pueden construir en una amplia variedad de formas y tamaños, por lo que son muy útiles en diversas aplicaciones y campos.
Los materiales piezoeléctricos también muestran las siguientes limitaciones o desventajas:
- pequeña cantidad de carga eléctrica: aunque son autogeneradores, los materiales piezoeléctricos producen cargas eléctricas bastante pequeñas, lo que significa que se requiere un cable de alta impedancia para conectarlos a una interfaz eléctrica.,
- Las condiciones ambientales afectan el rendimiento: los materiales piezoeléctricos se ven afectados por la temperatura y los cambios en la humedad. Además, mientras están en la condición estática, no pueden medir la salida.
- La salida es relativamente baja: mientras que algunos materiales piezoeléctricos producen más salida que otros, Todos son relativamente bajos. Para optimizar su uso, a menudo se requerirá un circuito externo.
sensores piezoeléctricos en aplicaciones industriales
el sector industrial a menudo emplea sensores piezoeléctricos para una variedad de usos., Algunos usos comunes y cotidianos incluyen:
sensores de Golpe Del Motor: los fabricantes de motores se enfrentan constantemente a desafíos relacionados con el control de los parámetros del motor. En las circunstancias equivocadas, los motores de gasolina son susceptibles a un fenómeno indeseable conocido como detonación. Cuando se produce la detonación, la carga de aire/combustible explota en lugar de quemarse suavemente, dañando así el motor. Históricamente, esta es la razón por la que la mayoría de los fabricantes diseñaron motores con márgenes operativos conservadores a expensas de la eficiencia, para evitar este notorio problema.,
con el desarrollo de mejores sistemas de control, los parámetros relevantes del motor se pueden ajustar en tiempo real para maximizar la eficiencia y la potencia. Si la detonación comienza a ocurrir, se pueden emplear sensores piezoeléctricos para detectar la detonación antes de que se vuelva problemática. Esto da a los sistemas de control tiempo para hacer los ajustes necesarios.
sensores de presión: en casi cualquier aplicación que requiera la medición de cambios dinámicos de presión, el uso de sensores de presión piezoeléctricos produce resultados más confiables que el uso de sensores de presión electromecánicos convencionales., Esto se debe a que los dispositivos piezoeléctricos tienen una respuesta de alta frecuencia y una conversión de señal sin requerir ningún fuelle, diafragma o cualquier tipo de enlace mecánico junto con un sensor de deformación o desplazamiento.
equipo de Sonar: las sondas de profundidad y los equipos de sonar dependen ampliamente de los sensores piezoeléctricos para transmitir y recibir «pings» ultrasónicos en el rango de 50-200 kHz. Además de tener una respuesta de frecuencia ideal para tales aplicaciones, los transductores piezoeléctricos tienen una alta densidad de potencia que permite transmitir grandes cantidades de potencia acústica desde un paquete pequeño., Por ejemplo, un transductor que tiene solo 4″ (100 mm) de diámetro puede ser capaz de manejar una potencia de salida superior a 500 vatios.
usos de los actuadores piezoeléctricos en aplicaciones industriales
mientras que los sensores piezoeléctricos son muy valiosos para el sector industrial, la industria también hace uso de los actuadores piezoeléctricos para una variedad de aplicaciones:
inyectores de combustible Diesel: en la última década, las regulaciones sobre las emisiones de los motores diesel se han vuelto cada vez más estrictas. Además, los clientes siguen exigiendo motores más silenciosos con curvas de potencia y par mejoradas., Con el fin de satisfacer estas estrictas demandas de cumplimiento y rendimiento, los fabricantes de motores han recurrido al uso de inyecciones de combustible con precisión cronometrada y medida durante el proceso de combustión.
Por increíble que parezca, un solo inyector de combustible puede cambiar el flujo de combustible con presiones superiores a 26,000 PSI (1800 bar) de encendido y apagado varias veces en rápida sucesión durante una sola carrera de potencia. Este control preciso del fluido de alta presión es posible mediante el uso de actuadores piezoeléctricos que controlan válvulas pequeñas dentro de los inyectores de combustible.,
solenoides de Respuesta Rápida-algunos procesos requieren un accionamiento mecánico rápido y preciso que es difícil, si no imposible, de lograr con solenoides electromagnéticos. Si bien la velocidad no siempre es una preocupación, el consumo de energía o la compacidad del tamaño es una prioridad. En tales casos, los actuadores piezoeléctricos a menudo pueden llenar el nicho, ya que proporcionan una respuesta rápida y un bajo consumo de energía en paquetes pequeños, en comparación con los solenoides electromagnéticos.,
ajuste óptico-algunas ópticas necesitan ser ajustadas o moduladas con una amplia respuesta de frecuencia y con un número mínimo de partes móviles. Los actuadores piezoeléctricos se emplean a menudo en tales usos donde proporcionan control rápido y exacto sobre una vida de servicio larga:
– el ángulo de un espejo o de una rejilla de la difracción puede necesitar ser variado exacto según una entrada eléctrica. Tales aplicaciones se encuentran a menudo en experimentos ópticos o físicos.,
– los conjuntos de telescopios terrestres están sujetos a distorsión atmosférica, y las ópticas de las naves espaciales están sujetas a movimiento y vibración. En tales casos, la óptica puede necesitar ser ajustada (moldeada o contorneada) en tiempo real por medio de un sistema de control. Esto compensará las aberraciones que de otro modo impedirían la resolución de la imagen.
– algunos convertidores de fibra óptica dependen de actuadores piezoeléctricos para modular la salida de un láser.
limpieza ultrasónica: los actuadores piezoeléctricos también se utilizan para aplicaciones de limpieza ultrasónica., Para realizar la limpieza ultrasónica, los objetos se sumergen en un solvente (agua, alcohol, acetona, etc.). Un transductor piezoeléctrico agita el disolvente. Muchos objetos con superficies inaccesibles se pueden limpiar utilizando esta metodología.
soldadura ultrasónica-muchos plásticos se pueden unir usando un proceso conocido como soldadura ultrasónica. Este tipo de proceso requiere que las ondas ultrasónicas se transmitan a un área enfocada donde pueden hacer que las piezas de plástico se fusionen. Con frecuencia, se utilizan actuadores piezoeléctricos para llevar a cabo esta tarea.,
motores piezoeléctricos – una ventaja del uso de materiales piezoeléctricos es que sus características son precisas y predecibles. Por lo tanto, la expansión y la contracción de un actuador piezoeléctrico se pueden controlar con precisión siempre que se controle la tensión de alimentación. Algunos diseños de motores aprovechan este hecho mediante el uso de elementos piezoeléctricos para mover un rotor o elemento lineal en incrementos precisos. La precisión en el orden de los nanómetros se puede lograr con algunos diseños de motores piezoeléctricos. Los motores piezoeléctricos funcionan en una amplia gama de frecuencias, pero normalmente funcionan mejor en un rango de baja frecuencia.,
además de su precisión inherente, los motores piezoeléctricos se pueden utilizar en entornos con fuertes campos magnéticos o temperaturas criogénicas, entornos donde es poco probable que funcionen los motores convencionales. Estos desafíos únicos están presentes en máquinas NMRI, aceleradores de partículas y otros entornos similares.
actuadores de pila – se pueden apilar múltiples elementos piezoeléctricos para multiplicar el desplazamiento logrado para un voltaje dado. Estos tipos de dispositivos se conocen como actuadores de pila, y se emplean en una variedad de aplicaciones especializadas., En comparación con los actuadores electromagnéticos convencionales, los actuadores de pila tienen las siguientes ventajas únicas:
– pueden funcionar a temperaturas criogénicas o en entornos con fuertes campos magnéticos.
– pueden producir una gran cantidad de fuerza en un paquete pequeño
– pueden responder casi instantáneamente a la entrada con altas tasas de aceleración.
– pueden alcanzar grados extremadamente altos de precisión.
– solo consumen energía cuando se está realizando el trabajo.,
estos actuadores encuentran su uso en válvulas dosificadoras, relés eléctricos, modulación óptica, amortiguación de vibraciones y otras aplicaciones que requieren un control rápido o preciso del movimiento.
actuadores de banda: dos tiras de material piezoeléctrico pueden intercalarse en una configuración similar a una tira bimetálica. En esta configuración, la entrada eléctrica hace que una tira se expanda mientras que la otra tira se contrae simultáneamente, causando una desviación.,
Relés piezoeléctricos-se pueden implementar elementos piezoeléctricos para accionar relés o interruptores electromecánicos. Para estas aplicaciones, se pueden usar actuadores de banda o de pila para abrir y cerrar contactos eléctricos. Estos dispositivos no requieren mantenimiento y duran muchos ciclos sin un desgaste notable. Como beneficio adicional, el uso de actuadores piezoeléctricos para operar contactos eléctricos permite un control rápido y preciso en paquetes pequeños que son difíciles o imposibles de lograr con relés electromagnéticos.,
usos de sensores piezoeléctricos en aplicaciones médicas
eche un vistazo a cómo el campo médico también implementa sensores piezoeléctricos para una variedad de aplicaciones diarias:
imágenes por ultrasonido: los transductores piezoeléctricos se utilizan a menudo en equipos de ultrasonido médicos. Los avances en los equipos a lo largo de las décadas han permitido mejorar el monitoreo de los embarazos y facilitar los procedimientos quirúrgicos mínimamente invasivos.,
procedimientos ultrasónicos-algunos procedimientos médicos no invasivos se basan en el uso de ondas ultrasónicas enfocadas para romper cálculos renales o destruir tejido maligno. Además, el advenimiento del Bisturí armónico ha permitido a los cirujanos incisar y coagular simultáneamente el tejido durante un procedimiento quirúrgico sin la necesidad de cauterización. Esto conduce a menos daño tisular, menos pérdida de sangre y tiempos de curación más rápidos.
actuadores piezoeléctricos en Electrónica de consumo
¿Qué pasa con la electrónica de consumo y la tecnología que se vende en las tiendas de todo el país?, Desconocido para muchos consumidores, los actuadores piezoeléctricos se utilizan en electrónica en todas partes:
impresoras piezoeléctricas — en términos generales, hay dos tipos principales de impresoras que utilizan actuadores piezoeléctricos:
– una impresora de matriz de puntos-en una impresora de matriz de puntos piezoeléctrica, los actuadores piezoeléctricos en el cabezal de la impresora mueven pines en forma de aguja que «empujan» a través de una tira de cinta de tinta (similar a una máquina de escribir) contra un pedazo de papel en varios patrones para formar caracteres. Para la mayoría de las aplicaciones, el uso de impresoras de matriz de puntos ha sido reemplazado por otras tecnologías., Sin embargo, una impresora de matriz de puntos es la única tecnología de impresión capaz de generar copias de carbono duplicadas y triplicadas.
– impresora de inyección de tinta: en una impresora de inyección de tinta piezoeléctrica, los actuadores piezoeléctricos en el cabezal de la impresora actúan sobre diafragmas pequeños o cambian la geometría de un tintero para que las gotas de tinta se vean forzadas a salir de un orificio en el papel. Esta es una de las tecnologías dominantes en el mercado de impresoras hasta la fecha.,
altavoces piezoeléctricos: los altavoces piezoeléctricos se presentan en prácticamente todas las aplicaciones que necesitan producir sonido de manera eficiente desde un pequeño dispositivo electrónico. Estos tipos de altavoces son generalmente baratos y requieren poca potencia para producir volúmenes de sonido relativamente grandes., Por lo tanto, los altavoces piezoeléctricos se encuentran a menudo en dispositivos como los siguientes:
– teléfonos celulares
– auriculares
– juguetes productores de sonido
-tarjetas de felicitación musicales
– globos musicales
Zumbadores piezoeléctricos– los zumbadores piezoeléctricos son similares a los altavoces piezoeléctricos, pero generalmente están diseñados con menor fidelidad para producir un volumen más alto en un rango de frecuencia más estrecho., Los zumbadores se utilizan en una variedad aparentemente interminable de dispositivos electrónicos, incluidos:
Humidificadores piezoeléctricos: muchos humidificadores de niebla fría utilizan un transductor piezoeléctrico para transmitir energía de sonido ultrasónico a una piscina de agua. Las vibraciones ultrasónicas hacen que las gotas de agua fina se rompan y se atomicen de la superficie de la piscina donde se arrastran en una corriente de aire y entran en el espacio deseado.
cepillos de dientes electrónicos-actuadores piezoeléctricos lineales se implementan para vibrar las cerdas en algunos cepillos de dientes electrónicos.,
materiales piezoeléctricos para aplicaciones musicales
Además de las aplicaciones tecnológicas e industriales, la piezoelectricidad también beneficia a las artes. Hay una variedad de aplicaciones musicales que utilizan piezoelectricidad:
pastillas de Instrumentos-muchos instrumentos de cuerda eléctricos acústicos Utilizan pastillas piezoeléctricas para convertir vibraciones acústicas en señales eléctricas. Típicamente, una tira de material piezoeléctrico se coloca entre el cuerpo del instrumento y una estructura que soporta las cuerdas., Por ejemplo, una guitarra acústica-eléctrica generalmente alberga su banda piezoeléctrica debajo del puente y dentro de la silla de montar. A medida que las cuerdas vibran, la tira se agita para generar una señal eléctrica. Las pastillas eléctricas en violines, violas y violonchelos usan el mismo concepto, pero la pastilla piezoeléctrica puede sujetarse al puente o integrarse dentro del puente, en lugar de estar ubicada entre el puente y el cuerpo del instrumento.,
Micrófonos-algunos micrófonos (como los micrófonos de contacto para instrumentos de percusión) utilizan materiales piezoeléctricos para convertir las vibraciones del sonido en una salida eléctrica. Estos micrófonos generalmente poseen altas impedancias de salida que deben coincidir al diseñar sus respectivos preamplificadores.
uso de piezoelectricidad en otras aplicaciones
¿tiene una aplicación que no aparece en la lista? ¿Se pregunta si puede usar piezoelectricidad?, Los siguientes usos de piezoelectricidad representan otras opciones para su industria:
encendedores piezoeléctricos — este es, quizás, el uso más conocido y ubicuo de piezoelectricidad. En un encendedor piezoeléctrico, un botón o gatillo se utiliza para acoplar y liberar un martillo de resorte, y el martillo se utiliza para golpear una cerámica piezoeléctrica en forma de varilla. El choque mecánico repentino a la cerámica piezoeléctrica produce un rápido aumento en el voltaje que es lo suficientemente alto como para saltar una brecha de chispa considerable y encender el combustible., Los encendedores piezoeléctricos se usan comúnmente para encendedores de butano, parrillas de gas, estufas de gas, sopletes y cañones de papas improvisados.
generación de electricidad-algunas aplicaciones requieren la recolección de energía de cambios de presión, vibraciones o impulsos mecánicos. La recolección de energía es posible mediante el uso de materiales piezoeléctricos para convertir las deflexiones o desplazamientos en energía eléctrica que puede ser utilizada o almacenada para su uso posterior.,
sistemas mecánicos microelectrónicos (MEMS) – los dispositivos MEMS se han vuelto más comunes a medida que se requieren capacidades más integradas en paquetes más pequeños, como teléfonos celulares, tabletas, etc. La ventaja de los dispositivos MEMS es que los giroscopios, acelerómetros y dispositivos de medición inercial se pueden integrar en paquetes del tamaño de un chip. Para lograr tal hazaña, se utilizan a menudo actuadores y sensores piezoeléctricos.,
raquetas de tenis-una aplicación algo inusual para la piezoelectricidad integra fibras piezoeléctricas en la garganta de una raqueta de tenis junto con un microcontrolador en el mango. Cuando el jugador de tenis golpea la pelota, el marco de la raqueta se desvía y genera una salida eléctrica que se impulsa, se invierte y se retroalimenta en las fibras. Esto es un intento de causar interferencia destructiva y amortiguar la vibración estructural.,
uso de piezoelectricidad en aplicaciones de Defensa
Si forma parte de la industria de defensa, puede usar piezoelectricidad para una variedad de aplicaciones:
Micro robótica: en el campo de la robótica pequeña, se necesitan actuadores y sensores mecánicos de bajo consumo. Con el uso de actuadores piezoeléctricos, construir algo tan pequeño como una mosca robótica que puede gatear y volar es técnicamente factible. De hecho, un nuevo campo de la tecnología robótica conocido como Micro air Vehicles tiene como objetivo construir pequeños drones del tamaño de insectos o aves que vuelan con alas aleteadas., Controlan las superficies al igual que las aves y los insectos. Estos tipos de hazañas en la miniaturización son posibles, en parte, mediante el uso de actuadores piezoeléctricos.
balas de cambio de curso-recientemente, DARPA inventó una .Bala calibre 50 que puede cambiar de rumbo en pleno vuelo. Por absurda que pueda sonar esta innovación para algunos lectores, la bala utiliza un sensor óptico que está montado en su nariz junto con un sistema de control y aletas de cola móviles para dirigirse hacia un objetivo iluminado con láser., Aunque DARPA no ha revelado mucho sobre su bala de Ordenanza de tarea de precisión extrema (EXACTO), el medio más probable de manipular las aletas de la cola probablemente involucra actuadores piezoeléctricos.