Explorando materiais piezoelétricos: tipos, propriedades e impacto tecnológico

Ao longo dos anos, os avanços na ciência material criaram diferentes materiais piezoelétricos, como cristais únicos, cerâmica e filmes finos.Este artigo analisa atentamente os materiais piezoelétricos, incluindo suas propriedades, tipos, como eles funcionam e seus usos.Ele destaca sua importância na ligação de engenharia mecânica e elétrica, impulsionando a inovação em muitas áreas.

Catálogo

Figura 1: Material piezoelétrico

O que é Piezo?

A palavra "piezo" vem da palavra grega "piezein", "significa" pressionar "ou" pressão ".Isso se encaixa bem com seu uso na ciência para a piezoeletricidade.Em 1880, os físicos franceses Jacques e Pierre Curie descobriram piezoeletricidade.Eles descobriram que quando certos cristais como turmalina, quartzo, topázio e sal de Rochelle foram pressionados, eles produziram uma carga elétrica.Eles também viram que esses cristais poderiam mudar de forma quando uma corrente elétrica foi aplicada, mostrando que o processo poderia funcionar nos dois sentidos.

Essa descoberta levou à criação de vários dispositivos piezoelétricos.Durante a Primeira Guerra Mundial, a piezoeletricidade foi usada principalmente em detectores submarinos ultrassônicos.Hoje, os materiais piezoelétricos são usados ​​em muitas coisas.Eles são encontrados em itens do cotidiano, como isqueiros de cigarros elétricos e impressoras a jato de tinta, bem como em tecnologias avançadas, como imagens de ultrassom médico e controle de movimento de precisão na robótica.

Tipos de materiais piezoelétricos

Figura 2: Exemplos de materiais piezoelétricos

Materiais piezoelétricos de cristal único

Os materiais piezoelétricos de cristal único são caracterizados por sua rede de cristal contínua e uniforme, livre de limites de grãos.Essa estrutura uniforme geralmente leva a melhores eficiências de acoplamento eletromecânico em comparação com outros materiais piezoelétricos.Exemplos de tais materiais incluem quartzo e langtasita.Esses cristais únicos são produzidos usando métodos de crescimento precisos, como o processo Czochralski ou a síntese hidrotérmica.Seu desempenho excepcional os torna perfeitos para aplicações precisas, como sistemas avançados de imagem médica, ressonadores de telecomunicações e filtros e monitoramento de vibrações no aeroespacial.

Figura 3: Material de quartzo de cristal piezo

Materiais piezoelétricos de cerâmica

A cerâmica piezoelétrica é feita a partir de materiais estruturados para perovskita, como titanato de zirconato de chumbo (PZT).Esses materiais são policristalinos e são criados por substâncias em pó de sinterização.Suas propriedades piezoelétricas são desenvolvidas através de um processo de polação e alinham os dipolos elétricos aplicando um campo elétrico externo.Essas cerâmicas podem ser facilmente moldadas em várias formas e tamanhos.Sua durabilidade e custo-efetividade os tornam populares para uso em atuadores, sensores, transdutores ultrassônicos e campainhas de eletrônicos de consumo.

Figura 4: Estrutura do tipo PZT Cerâmica piezoelétrica

Materiais piezoelétricos de filme fino

Os piezoelétricos de filme fino são feitos depositando camadas que variam de alguns nanômetros a vários micrômetros de espessura usando técnicas avançadas de fabricação, como pulverização, deposição de vapor químico ou deposição de laser pulsado.Os materiais comuns utilizados em filmes finos incluem PZT, óxido de zinco (ZnO) e nitreto de alumínio (ALN).A magreza desses filmes permite que eles sejam integrados aos sistemas microeletromecânicos (MEMS) e sistemas nanoeletromecânicos (NEMs), aprimorando sua funcionalidade em dispositivos compactos, como microfones, microvóia e matrizes de sensores avançados.Sua compatibilidade com processos padrão de semicondutores e escalabilidade os torna adequados para circuitos integrados e eletrônicos flexíveis.

Figura 5: Aln Piezoelétrico Films

Figura 6: Elementos piezo a granel

A escolha entre materiais piezoelétricos de filme fino e a granel depende das necessidades específicas do aplicativo de precisão, potência e durabilidade.Os materiais piezoes de filme fino são adequados em tecnologias de pequena escala.Por outro lado, os materiais piezo a granel são preferidos em aplicações mais exigentes e em larga escala.A tabela abaixo compara materiais piezoes de filme fino e materiais piezo a granel com base em sua espessura, técnicas de fabricação, características e aplicações principais.

Categoria	Materiais piezoes de filme fino	Materiais piezo a granel
Grossura	Alguns nanômetros para vários micrômetros	Vários milímetros para centímetros
Técnicas de fabricação	Sputtering, deposição de laser pulsado, Deposição de vapor químico	Prensagem, extrusão, usinagem
Características	Resposta de alta frequência: resposta rápida vezes	Geração de alta potência: produz energia sob estresse mecânico
	Flexibilidade: aplicável a flexível superfícies	Durabilidade: forte e durável, adequado Para cargas pesadas e condições adversas
	Precisão: controle preciso em um nível microscópico	Versatilidade: facilmente modelada e dimensionada para necessidades específicas
Aplicações	Microeletrônicos e MEMS: Acelerômetros, giroscópios, cabeças de impressora a jato de tinta	Colheita de energia: converte mecânico estresse de vibrações em energia elétrica
	Dispositivos médicos: transdutores ultrassônicos para imagem e terapia	Atuadores e sensores: grandes atuadores em Indústrias automotivas e aeroespaciais, sensores de alta carga
	Telecomunicações: filtros e ressonadores em telefones celulares e dispositivos de comunicação	Sonar e dispositivos ultrassônicos: sonar sistemas para uso naval, limpadores ultrassônicos industriais

Métodos de PZT e deposição de filme fino

Os materiais de titanato de zirconato de chumbo (PZT) são usados ​​em sensores, atuadores e sistemas microeletromecânicos (MEMS) devido às suas grandes propriedades piezoelétricas.A composição e a eficácia dos filmes finos de PZT dependem muito de seus métodos de deposição que podem afetar sua estrutura, orientação e desempenho piezoelétrico.As três principais técnicas de deposição: Sol-Gel, Sputtering e deposição de vapor químico orgânico de metal (MOCVD).

Figura 7: PZT flexível de filme fino

Processo sol-gel

O processo sol-gel é uma maneira econômica de depositar filmes finos de PZT e permitir o controle sobre a composição do filme no nível molecular.Essa técnica começa com a preparação de uma solução coloidal (SOL) que se transforma em um gel.Os passos importantes incluem hidrolisando e polimerizante alcóxidos de metal.O gel resultante é aplicado a um substrato usando revestimento de rotação ou revestimento por imersão, seguido de tratamento térmico para remover componentes orgânicos e cristalizar a fase PZT.

Figura 8: Processo Sol-Gel para filmes finos de PZT

Vantagens

• Permite um controle fino sobre a estequiometria, melhorando as propriedades piezoelétricas

• Usa temperaturas mais baixas em comparação com outros métodos

Desafios

• É difícil obter espessura e composição consistentes em grandes áreas

• Alto encolhimento durante a secagem e disparo geralmente causa rachaduras

Sputtering

A pulverização é uma técnica de deposição de vapor físico (PVD), onde partículas de alta energia derrubam um alvo e depois deposita-se em um substrato.Para filmes de PZT, a pulverização de magnetron RF é usada envolvendo um plasma de íons argônio atingindo o alvo da PZT.

Figura 9: Método de deposição de pulverização de deposição de filmes finos

Vantagens

• produz filmes com boa adesão e densidade

• Adequado para revestir grandes substratos uniformemente

Desafios

• O estresse pode se acumular nos filmes que afetam suas propriedades

• A composição do alvo pode mudar durante a pulverização devido a rendimentos diferenciais de pulverização

Deposição de vapor químico orgânico de metal (MOCVD)

O MOCVD envolve a decomposição dos precursores metal-orgânicos em uma fase de vapor e reaja ou se decompor em um substrato aquecido para formar um filme fino.Este método é preferido para a produção de filmes de alta pureza e bem cristalizados, adequados para aplicações eletrônicas.

Vantagens

• Fornece excelente uniformidade e conformidade do filme, mesmo em substratos em forma de complexo

• Bom para produção de alto volume

Desafios

• requer temperaturas mais altas do que outros métodos

• Manuseio e armazenamento de precursores metal-orgânicos podem ser perigosos

Figura 10: Deposição de vapor químico orgânico de metal

Como os materiais agem sob estresse

Comportamento sob compressão

Quando materiais como quartzo ou titanato de bário são espremidos, eles mudam de maneiras que afetam seu uso em vários dispositivos.Esses materiais têm estruturas especiais que criam cargas elétricas quando são pressionadas.À medida que são comprimidos, eles encolhem e sua estrutura interna muda.

Esse aperto faz com que as cargas elétricas dentro do cristal se tornem distribuídas desigualmente.A pressão move íons na estrutura do cristal, criando um campo elétrico.Isso acontece porque os centros de carga positivos e negativos na mudança de material.A quantidade de resposta elétrica depende do tipo de cristal, da força aplicada e da direção do cristal em relação à força.

Por exemplo, nos sensores, a tensão produzida pelos cristais pode medir a força aplicada, tornando -os perfeitos para detectar pressão e monitorar cargas.Nos atuadores, a aplicação de um campo elétrico pode fazer a forma de mudança de cristal, permitindo um controle preciso dos movimentos em coisas como dispositivos ultrassônicos e injetores de combustível de carro.

Figura 11: Materiais piezoelétricos obras

Resposta piezoelétrica à pressão

Quando os materiais piezoelétricos enfrentam pressão mecânica, suas moléculas realinham, afetando suas propriedades elétricas.A força altera a estrutura molecular, alinhando regiões com direção elétrica uniforme, aumenta a polarização elétrica.

Esse alinhamento aumenta a separação de carga no material, aumentando sua polarização elétrica.Em termos simples, a pressão torna os dipolos (moléculas com duas cargas opostas) mais uniformes, criando um campo elétrico mais forte para uma determinada força.

A capacidade de controlar essa resposta com precisão sob diferentes pressões torna os materiais piezoelétricos muito úteis em muitas tecnologias.Sua capacidade de converter pressão mecânica em sinais elétricos e vice -versa permite que eles sejam usados ​​de maneira eficaz em tarefas, como gerar frequências eletrônicas precisas e monitorar vibrações em ambientes industriais.

O efeito piezoelétrico

Figura 12: O efeito piezoelétrico

Transformando energia mecânica em energia elétrica com o efeito piezoelétrico

O efeito piezoelétrico muda a energia mecânica em energia elétrica deformando certos materiais de cristal.Esses materiais, conhecidos como piezoelétricos, incluem substâncias naturais como quartzo e sintéticos como cerâmica avançada.

Quando um material piezoelétrico enfrenta o estresse mecânico, como ser espremido, torcido ou dobrado, sua estrutura cristalina, não tem uma simetria central e fica perturbada.Esse distúrbio muda os centros de carga no cristal, causando polarização e criando um potencial elétrico em certos pontos do material.

Pontos -chave deste processo:

A carga elétrica produzida corresponde à quantidade de tensão mecânica aplicada.Isso significa que a saída elétrica pode ser controlada com precisão com base na força conhecida aplicada;

Quando a força é removida, o material retorna ao seu estado original e a carga elétrica desaparece.Isso garante a durabilidade e a confiabilidade do material para dispositivos que precisam funcionar bem repetidamente.

Transformando energia elétrica em energia mecânica com o efeito piezoelétrico reverso

O efeito piezoelétrico reverso muda a energia elétrica de volta para a energia mecânica.A aplicação de uma tensão elétrica a um material piezoelétrico cria um campo elétrico que altera a estrutura da treliça de cristal, alterando as dimensões do material.

Esse efeito é usado em atuadores de precisão em instrumentos ópticos e sistemas de micro-posicionamento.O efeito piezoelétrico reverso garante que pequenas entradas elétricas resultem em ajustes mecânicos precisos e controlados, ajudando os avanços em robótica, tecnologia automotiva, instrumentos médicos e telecomunicações.

A dupla capacidade do efeito piezoelétrico de atuar como um transdutor mecânico-elétrico e elétrico para mecanismo suporta avanços tecnológicos.Ele conecta os domínios mecânicos e elétricos, expandindo a engenharia e a inovação modernas.

Figura 13: Efeito piezoelétrico direto e reverso

Comparando materiais não piezoelétricos e piezoelétricos

Os materiais não piezoelétricos e piezoelétricos são diferentes na maneira como lidam com energia mecânica e elétrica.Materiais não piezoelétricos como aço e alumínio podem realizar eletricidade, mas não criam uma carga elétrica quando estressados.Materiais piezoelétricos, como quartzo e certa cerâmica, podem transformar energia mecânica em energia elétrica devido à sua estrutura de cristal especial.

Os materiais não piezoelétricos têm treliças de cristais simétricas, para que não produzam um dipolo elétrico quando estressadas.Os materiais piezoelétricos têm treliças de cristal assimétricas, que lhes permite gerar uma carga elétrica quando sob estresse.Essa deformação causa polarização interna e criação de potencial elétrico.

Os materiais não piezoelétricos se comportam como condutores ou isoladores regulares com base em sua mobilidade de elétrons e estrutura da banda e não criam uma carga elétrica quando deformados.Os materiais piezoelétricos exibem dois efeitos: o efeito piezoelétrico direto, onde o estresse mecânico gera uma carga elétrica e o efeito piezoelétrico inverso, onde um campo elétrico causa deformação mecânica.Essas características tornam os materiais piezoelétricos adequados para uso em sensores e atuadores.

Devido a suas diferentes propriedades, os materiais não piezoelétricos e piezoelétricos são usados ​​em diferentes aplicações.Os materiais não piezoelétricos são usados ​​em componentes estruturais, fiação elétrica e peças eletrônicas padrão, onde a força e a condutividade são importantes.Os materiais piezoelétricos são utilizados em campos que requerem controle preciso e conversão de energia mecânica-elétrica, como equipamentos de ultrassom, dispositivos de posicionamento de precisão e vários sensores e atuadores bons para tecnologias avançadas.

Aplicações de piezoeletricidade

Eletrônica de consumo: em smartphones e outros dispositivos, as peças piezoelétricas são usadas em alto -falantes e microfones.Eles transformam sinais elétricos em vibrações sonoras ou vibrações sonoras em sinais elétricos para entrada de áudio.

Indústria automotiva: os carros modernos usam sensores piezoelétricos para muitos propósitos, como controlar a injeção de combustível em motores e monitorar a pressão dos pneus.

Monitoramento ambiental: Os sensores piezoelétricos detectam alterações, vibrações e sons de pressão.Eles são usados ​​para verificar as condições ambientais e garantir a segurança de edifícios e pontes.

CHEFEÇÃO DE ENERGIA: Os materiais piezoelétricos podem capturar energia do estresse mecânico.Por exemplo, pisos que convertem passos em energia elétrica podem alimentar luzes e eletrônicos em áreas movimentadas, ajudando a criar ambientes sustentáveis.

Earquadores piezoelétricos de alta tensão: esses isqueiros usados ​​para iluminar fogões a gás e churrascos e criam uma alta tensão a partir de um pequeno clique mecânico, produzindo uma faísca para acender o queimador.Isso mostra o uso prático de materiais piezoelétricos.

Imagem médica: os cristais piezoelétricos são úteis em máquinas de ultrassom.Eles produzem ondas sonoras que saltam de tecidos e órgãos, criando imagens para o diagnóstico.

Atuadores de precisão em instrumentos científicos: Materiais piezoelétricos em atuadores de precisão criam pequenos movimentos para óptica e nanotecnologia.Esses atuadores ajustam espelhos, lentes e outras peças com precisão microscópica para pesquisa científica e fabricação de semicondutores.

Conclusão

O estudo dos materiais piezoelétricos mostra uma forte conexão entre física e engenharia, demonstrando como suas propriedades naturais podem ser usadas para muitos fins tecnológicos.A versatilidade dos materiais piezoelétricos disponíveis como materiais a granel fortes e filmes finos flexíveis, os torna adequados para várias aplicações, como colheita de energia, monitoramento ambiental e desenvolvimento de tecnologias sustentáveis.À medida que a inovação continua, a pesquisa e o desenvolvimento em materiais piezoelétricos são mais importantes, melhorias promissoras na eficiência, precisão e funcionalidade para futuras tecnologias.

Perguntas frequentes [FAQ]

1. O que faz com que a eletricidade seja produzida a partir do efeito piezoelétrico?

O efeito piezoelétrico ocorre quando certos materiais produzem uma carga elétrica em resposta ao estresse mecânico.Esses materiais, cristais como quartzo, cerâmica como titanato de bário e alguns polímeros, possuem uma estrutura de treliça de cristal que não é centrosimmétrica, o que significa que não possui um centro de simetria.Quando a força mecânica como pressão ou vibração é aplicada, essa estrutura fica distorcida.Essa distorção desloca os íons dentro da treliça, criando áreas com cargas positivas e negativas.A separação espacial dessas cargas resulta em um potencial elétrico que gera eletricidade.Esse efeito é reversível e a aplicação de um campo elétrico a esses materiais também induzirá o estresse mecânico.

2. Qual dispositivo usa o efeito piezoelétrico?

Os dispositivos que utilizam o efeito piezoelétrico são variados e incluem equipamentos cotidianos e especializados.As aplicações comuns são:

Relógios de quartzo: Usando as vibrações regulares do quartzo em um campo elétrico para manter o tempo com precisão.

Dispositivos de ultrassom médico: gerando ondas sonoras que ecoam dentro do corpo para criar imagens de diagnóstico.

Injetores de combustível em carros: Usando atuadores piezoelétricos para controlar o tempo e a quantidade de combustível injetado nos cilindros do motor.

Sensores e acelerômetros piezoelétricos: medindo alterações na pressão, aceleração, tensão ou força, convertendo -os em um sinal elétrico.

3. Quantos volts é um piezo?

A saída de tensão de um elemento piezoelétrico pode variar amplamente, dependendo de seu tamanho, material e quantidade de tensão mecânica aplicada.Um pequeno elemento piezo como os encontrados em isqueiros ou dispositivos eletrônicos pode produzir um pico de tensão que varia de alguns volts a várias centenas de volts.No entanto, essas saídas geralmente estão em correntes muito baixas e duram apenas microssegundos.

4. Um piezo precisa de um resistor?

Em muitas aplicações, um resistor é usado com um elemento piezoelétrico para limitar a corrente e proteger outros componentes no circuito do pico de alta tensão produzido quando o piezo é ativado.O valor do resistor depende dos requisitos específicos do circuito, incluindo o tempo de resposta desejado e a sensibilidade.Sem um resistor, o piezo pode potencialmente danificar os componentes eletrônicos conectados devido ao alto pico inicial de tensão.

5. Como o piezoelétrico está relacionado ao poder humano?

O efeito piezoelétrico é diretamente aplicável a aproveitar o poder humano de maneiras inovadoras.Ele pode converter energia mecânica de atividades humanas, como caminhar ou pressionar botões, em energia elétrica.Esta tecnologia é explorada em várias aplicações:

Pisos de colheita de energia: esses ladrilhos geram eletricidade a partir da pressão de passos em áreas movimentadas, como estações de metrô ou shoppings.

Tecnologia vestível: incorporando materiais piezoelétricos em sapatos ou roupas para gerar energia para dispositivos pequenos através de movimentos normais do corpo.

Implantes médicos: Usando movimentos corporais para alimentar dispositivos como marcapassos, reduzir ou eliminar a necessidade de baterias externas.