Ceramica piezoelettrica

Storia

A metà del XVIII secolo, Linneo e Aepinus verificarono l’esistenza di un potenziale elettrico in risposta ai cambiamenti di temperatura in alcuni materiali. Alla fine del XVIII secolo , Coulomb aveva già teorizzato che l’elettricità poteva essere prodotta applicando una pressione. Il fenomeno piezoelettrico fu scoperto da René-Just Haüy , un minerologo islandese, intorno al 1870, sebbene i suoi esperimenti non fossero conclusivi. Alcuni anni dopo, nel 1880, i fratelli Jacques e Pierre Curie , osservarono sperimentalmente che quando si applicava una pressione a un cristallo di quarzo si stabilivano delle cariche elettriche (il prefisso “piezo” deriva dal grecopiezein , che significa ‘premere’). Più tardi hanno scoperto che gli stessi materiali che mostrano l’effetto piezoelettrico mostrano anche l’effetto opposto, in quanto cambiano la loro forma sotto l’influenza di un campo elettrico dando origine a quello che viene chiamato effetto piezoelettrico inverso.

Dopo la prima guerra mondiale , a causa della difficoltà di eccitare i trasduttori costruiti con quarzo, a causa della sua richiesta di sistemi ad alta tensione, iniziò le indagini con materiali sintetici piezoelettrici. Negli anni ’40 e ’50, questi sforzi portarono alla fabbricazione delle prime ceramiche piezoelettriche, titanato di bario (dall’ex Unione Sovietica e Giappone) e piombo titanato di zirconato (PZT) dagli Stati Uniti. ^2 3

A causa della sua capacità di convertire la deformazione meccanica in energia elettrica ed energia elettrica in deformazione meccanica, i cristalli piezoelettrici trovano un’ampia varietà di applicazioni nei trasduttori di pressione, aghi per lettori di dischi in vinile, microfoni, cristalli di risuonatore per orologi, sensori di pressione, accelerazione, tensione o forza, oscillatori elettronici ad alta frequenza, ecc. ⁴

Lo sviluppo della ceramica piezoelettrica è stato rivoluzionario. Inoltre, oltre a presentare proprietà migliori rispetto ai cristalli dopo la polarizzazione, presentano anche geometrie e dimensioni più flessibili, poiché sono fabbricate attraverso la sinterizzazione di polveri ceramiche, formate mediante pressatura o estrusione. Attualmente i materiali piezoelettrici predominanti sul mercato sono ceramiche piezoelettriche di tipo PZT con le sue varie varianti. Altri come quelli composti da PT (PbTiO ₃ ) e PMN (Pb (Mg _1/3 Nb _2/3 ) OR ₃ ) sono utilizzati in dispositivi con caratteristiche speciali, come i trasduttori ad alta temperatura.

Operazione

L’effetto piezoelettrico è un fenomeno fisico esibita da alcuni cristalli causa della quale compare una differenza di potenziale elettrico (tensione) tra certe facce cristalline se sottoposti a deformazione meccanica ed è chiamato effetto piezoelettrico diretto (se si verifica il contrario, si occupa dell’effetto piezoelettrico inverso). ⁵

Quando una sollecitazione meccanica viene applicata al cristallo, gli atomi (carichi) ionizzati presenti nella struttura di ciascuna cella di formazione dei cristalli si spostano, causando la comparsa di cariche sulle superfici del materiale. A causa della regolarità della struttura cristallina, e poiché gli effetti di deformazione della cellula si verificano in tutte le cellule del corpo di cristallo, queste cariche vengono aggiunte e si verifica un accumulo della carica elettrica, producendo una differenza di potenziale elettrico tra alcuni facce di vetro che possono essere molti volt.

L’effetto si verifica solo nei cristalli che non hanno un centro di simmetria nella cella unitaria (centro simmetrico), cioè il centro delle cariche negative non può coincidere con il centro delle cariche positive a livello della cella unitaria. Questa asimmetria nelle cariche è ciò che dà origine alla formazione di dipoli e quella disposizione è chiamata la struttura perovskite .

Il fatto che ci siano dei dipoli nel vetro, rende possibile applicare un campo elettrico sul materiale, la struttura cristallina si deforma, si espande o si contrae a seconda della direzione della corrente e ciò applicando una forza sul vetro, soffrendo questo una deformazione meccanica, viene generato uno spostamento elettrico dei dipoli, creando una differenza di potenziale tra le loro estremità. Questa differenza potenziale tra gli estremi è la cosiddetta piezoelettricità e i materiali che hanno quella proprietà sono i materiali piezoelettrici.

Da tali materiali, si può distinguere il gruppo degli aventi carattere piezoelettrico naturalmente (ad esempio quarzo, tormalina o sali Rochelle), che spesso hanno carattere più debole e il gruppo avente proprietà piezoelettriche dopo essere stato sottoposto ad un processo di polarizzazione, ceramiche piezoelettriche (tantalio litio, nitrato di litio, bernilita come materiali monocristallini o polimeri polari e ceramiche nel la forma di micro – orientato cristalli), chiamati ferroelettrico. ⁶

ceramiche piezoelettriche sono simili a quelli utilizzati nei corpi solidi isolatori elettrici, sono composti da numerosi cristalli ferroelettrici microscopici raggiungendo denominato a come policristallino. In particolare nel PZT ceramica, questi piccoli cristalli hanno cristallini strutture di tipo perovskite , può presentare simmetria tetragonale, trigonale o cubica semplice, considerando la temperatura alla quale il materiale è.

Essendo sotto di una temperatura critica, nota come temperatura di Curie , la struttura perovskite si presenterà la simmetria tetragonale dove il centro di simmetria delle cariche elettriche positive non coincide con il centro di simmetria dei cagas negativi, dando origine ad un dipolo elettrico. L’esistenza di questo dipolo provoca la struttura cristallina di deformarsi in alla presenza di un campo elettrico e genera uno spostamento elettrica quando sottoposto ad una deformazione meccanica, che caratterizza l’effetto piezoelettrico inverso e respectivamnete diretto. ⁷

La deformazione meccanica o la variazione del dipolo elettrico della struttura cristallina della ceramica non implica necessariamente effetti macroscopici, poiché i dipoli sono organizzati in domini, che a loro volta sono distribuiti casualmente nel materiale policristallino. Perché si manifestino manifestazioni macroscopiche , è necessario un orientamento preferenziale di questi domini, noto come polarizzazione . Anche questa polarizzazione si attenua con il tempo e l’uso, rendendo il materiale inutile per la trasformazione dell’energia elettrica in meccanica. ⁸

Polarizzazione

Nei materiali piezoelettrici, i dipoli con orientamento parallelo sono raggruppati nei cosiddetti domini Weiss. Nella ceramica piezoelettrica questi domini di Weiss sono orientati casualmente. Le risposte dei dipoli ad un campo elettrico applicato dall’esterno tendono ad annullarsi reciprocamente, senza produrre variazioni significative delle dimensioni della ceramica piezoelettrica non osservato alcun comportamento macroscopico.

Per ottenere una risposta piezoelettrica a livello macroscopico, i dipoli devono essere allineati l’uno con l’altro in modo permanente, per il quale viene utilizzato il processo di polarizzazione. Una caratteristica dei materiali piezoelettrici è che hanno una temperatura di Curie, al di sopra della quale i dipoli dei cristalli possono cambiare il loro orientamento all’interno della fase solida del materiale. Nel processo di polarizzazione, il materiale viene riscaldato sopra questa temperatura di Curie e viene applicato un potente campo elettrico in quale direzione (direzione di polarizzazione) i dipoli saranno allineati.

Mantenendo costante il campo elettrico, il materiale si raffredda sotto la temperatura di Curie, facendo sì che i dipoli rimangano permanentemente allineati, avendo già soppresso il campo elettrico, potendo dire che il materiale è polarizzato. I dipoli non saranno completamente allineati o paralleli tra loro, ma tale allineamento sarà sufficiente per presentare le proprietà piezoelettriche. Con il materiale piezoelettrico polarizzato, i domini di Weiss aumentano il loro allineamento proporzionalmente alla tensione applicata a loro, con il risultato di un cambiamento nelle dimensioni del materiale.

Un dettaglio importante nei materiali piezoelettrici è che se una volta polarizzata la temperatura di Curie viene superata, le loro proprietà piezoelettriche saranno ridotte o ridotte. ⁹

Classificazione

Materiali con proprietà piezoelettriche sono divisi in due gruppi: quelli aventi queste proprietà naturalmente e che devono essere polarizzato (che sono ceramica piezoelettrica). I primi hanno un effetto molto piccolo piezoelettrico, per questo motivo è stato sviluppato secondi, con un effetto molto più grande, di cui il più usato nell’industria sono bario titanato (BaOTiO2), e una combinazione di zirconato di piombo (PbZrO3) e piombo titanato (PbTiO3). Questa combinazione, è chiamato l’industria PZT (titanato zirconato di piombo) ed è fabbricata mediante compressione di polvere ad alta temperatura, modellato e cotto in un forno.

Per avere un’idea della differenza di effetto piezoelettrico di uno e di altri, possiamo osservare le loro costanti piezoelettriche. Il titanato di bario fu scoperto negli anni ’40 e il suo uso era principalmente focalizzato sulla produzione di sensori a ultrasuoni, di solito per sonar. Attualmente, ma è ancora usato nel settore come il componente principale di dispositivi di memoria, è stato ampiamente sostituito dal PZT (e suoi derivati), che hanno una temperatura più elevata critica (Curie).

Processo di produzione

La produzione di ceramiche piezoelettriche è molto simile indipendentemente dalla ceramica che si desidera ottenere. Il processo consiste nei seguenti passaggi: 1) Il materiale viene selezionato e pesato in base alle proporzioni da produrre. 2) Viene macinato in un mulino a sfere per ottenere una grana molto fine 3) La miscela viene riscaldata fino al 75% della temperatura di sintesi per accelerare la reazione dei componenti. 4) La polvere calcinata viene nuovamente macinata per aumentarne la reattività. 5) Premere e rimuovere l’eccesso. 6) Si riscalda fino alla sintesi tra 1250 ° C e 1350 ° C. 7) È tagliato, lucidato e dato la forma finale. 8) Subisce il processo di polarizzazione.

Il PZT

Il PZT è stato sviluppato nel 1952 presso il Tokyo Institute of Technology. Si tratta di una soluzione solida di titanato di piombo sintetizzato con piombo zinconato e ceramiche piezoelettriche sono più utilizzati per la sua temperatura critica, il suo coefficiente piezoelettrico e la sua temperatura di funzionamento relativamente bassa (200 ° C).

Essa ha il vantaggio rispetto altre ceramiche producibile a un prezzo molto basso, forte fisicamente e chimicamente inerte e ha anche dimostrato di avere più sensibilità di altri materiali ceramici piezoelettrici, che viene controllata dalla osservando il suo coefficiente piezoelettrico. ⁹

Caratteristiche dei sottogruppi PZT

Navy Type I (“Hard”) Consigliato per applicazioni di media e alta potenza in condizioni di utilizzo continuo e ripetitivo. Questo è in grado di generare ampiezze elevate di vibrazioni mantenendo basse le perdite meccaniche e dielettriche. Proprietà eccezionali: d ₃₃ , dissipazione dielettrica e Q. Applicazioni principali: sistemi di pulizia ad ultrasuoni e sonar. Conosciuto commercialmente come PZT-4.

Navy Type II (“Soft”) Alta sensibilità, ideale per la trasmissione e la ricezione di dispositivi a bassa potenza. Presenta perdite dielettriche e meccaniche che impediscono l’eccitazione continua ad alta intensità. Evidenzia le proprietà: d, g ₁₅ , N e TC. Applicazioni principali: dispositivi per test non distruttivi, idrofoni e accelerometri. Commercialmente noto come PZT-5A.

Navy Type III (“Hard”) Simile, ma meno sensibile di Navy Type I; È in grado di convertire il doppio di potenza mantenendo basse perdite meccaniche e dielettriche. Consigliato per applicazioni che richiedono potenza elevata. Proprietà eccezionali: dissipazione dielettrica, Q e conversione della potenza massima. Principali applicazioni: sistemi di saldatura ad ultrasuoni e lavorazione dei materiali. Commercialmente noto come PZT-8.

Navy Type IV (“Soft”) Adatto per applicazioni di media potenza. Divenne obsoleto con l’arrivo del PZT, venendo sostituito principalmente dalla Navy Type I (secondo la nota 5, ⁵ il sottogruppo Navy Type IV è costituito da BT e non da PZT). Ha un TC basso. Principali applicazioni: manutenzione di vecchie apparecchiature. Commercialmente conosciuto come titanato di bario.

Navy Type V (“Soft”) Adatto per applicazioni che richiedono alta energia e potenziale differenza. Proprietà in vetrina: d ₃₃ , K ₃₃ e g ₃₃ . Principali applicazioni: detonatori ad impatto. Commercialmente conosciuto come PZT-5J.

Navy Type VI (“Soft”) Adatto per applicazioni che richiedono grandi deformazioni meccaniche. Proprietà in vetrina: d ₃₃ e K ₃₃ . Applicazioni principali: attuatori e posizionatori. Commercialmente noto come PZT-5H.

Costanti piezoelettriche

Le principali proprietà dei materiali piezoelettrici dal punto di vista dell’applicazione sono [3,4,6]:

Costante di carica piezoelettrica d

• Unità: m / V (metri / Volt) o C / N (Coulomb / Newton).
• Significato: informa qual è il rapporto tra la variazione dimensionale (Δl) del materiale piezoelettrico (in metri) e la differenza di potenziale applicata (in Volt), e tra la generazione di cariche elettriche (in Coulomb) e la forza applicata nel materiale (in Newton).
• Valori tipici: da 0,2 a 8 Angstron per Volt applicati e da 20 a 800 Picco di Coulomb per Newton applicati, per ceramica piezoelettrica PZT.
• Quando / dove è un’informazione indispensabile: nella progettazione di sensori di posizionamento e di forza / deformazione piezoelettrici.

Costante di tensione piezoelettrica g

• Unità: Vm / N (volt per metro / Newton).
• Significato: informa qual è il rapporto tra la differenza di potenziale generata (in Volt) la forza applicata (in Newton) per una ceramica con una lunghezza di 1 metro. Valori tipici: da -1 a 60 Volt per ogni Newton applicato (considerando la dimensione dell’asse in questione di 1 metro), per ceramica piezoelettrica PZT. Riducendo la dimensione della ceramica o aumentando la forza, aumenta anche il modulo della tensione generata. Quando / Dove è un’informazione indispensabile: nella progettazione di detonatori ad impatto e “clic magici” (accendini da cucina).

Coefficiente di accoppiamento

• Unità: senza dimensioni.
• Significato: efficienza del materiale nella trasduzione / conversione di energia elettrica in meccanica e viceversa.
• Valori tipici: da 0,02 (equivalente al 2% di efficienza) a 0,75 (equivalente al 75% di efficienza), per ceramica piezoelettrica PZT.
• Quando / dove è un’informazione indispensabile: nel controllo di qualità della ceramica piezoelettrica e nella progettazione di dispositivi in ​​cui non è desiderata la conversione a energia incrociata, cioè che una vibrazione o una deformazione in un asse non genera cariche elettriche o differenza potenziale in un altro asse. In questo caso, minore è il fattore di accoppiamento, meglio è.

Fattore di qualità meccanico Q

• Unità: senza dimensioni.
• Significato: è una misura dello smorzamento del materiale.
• Valori tipici: da 50 a 1500, per ceramica piezoelettrica PZT.
• Quando / Dove è un’informazione indispensabile: nella progettazione di dispositivi dinamici ad alta potenza.

Fattore di dissipazione dielettrica Tan δ

• Unità: Adimensionale.
• Significato: è una misura dielettrica del materiale.
• Valori tipici: Da 2 × 10 ^-3 a 25 × 10 ^-3 per ceramica piezoelettrica PZT (sopra nel campo).
• Quando / Dove è un’informazione indispensabile: nella progettazione di dispositivi dinamici di alta potenza e / o soggetti ad elevati campi elettrici.

Temperatura di Curie TC

• Unità: gradi Celsius.
• Significato: è la temperatura in cui la struttura cristallina del materiale subisce una transizione di fase senza presentare proprietà piezoelettriche. Dopo aver superato questa temperatura, il materiale perde la polarizzazione rimanente indotta, diventando inutilizzabile per il suo utilizzo come trasduttore di elementi di energia elettrica in meccanica.
• Valori tipici: da 150 a 350 ° C, per ceramica piezoelettrica PZT.
• Quando / Dove è un’informazione indispensabile: nella progettazione di dispositivi che dovrebbero funzionare a temperature elevate e potenza elevata.

Costanti di frequenza N

• Unità: Hz m (Hertz × metro).
• Significato: è un fattore importante poiché consente la stima della frequenza di risonanza dei dispositivi piezoelettrici.
• Valori tipici: da 800 a 3000 Hz, per ceramica piezoelettrica PZT.
• Quando / Dove è un’informazione indispensabile: nella progettazione di dispositivi che funzionano in risonanza

Impedenza acustica Z

• Unità: MRayls (kg / m ² s).
• Significato: È il modo in cui l’energia meccanica si propaga attraverso il mezzo, è una proprietà analoga a quella dell’indice di rifrazione. La differenza tra le impedenze acustiche di due media adiacenti è determinante della frazione dell’energia riflessa e trasmessa di un’onda incidente sull’interfaccia.
• Valori tipici: da 25 a 40 MRayls, per ceramica piezoelettrica PZT (Z di acqua = 2 MRayls e di aria circa 1 × 10 ^-3 MRayls). Viene calcolato dal prodotto della densità per la velocità (la velocità è approssimativamente uguale al doppio della rispettiva costante di frequenza, nel caso della ceramica).
• Quando / Dove è un’informazione indispensabile: nella progettazione di dispositivi, questo fattore emetterà o catturerà vibrazioni ultrasoniche / meccaniche.

Applicazioni

Le prime applicazioni seri di piezoelettrico (naturalmente, la ceramica piezoelettrica non era ancora stata sviluppata) avvenne durante la prima guerra mondiale, dove furono incorporate nei sottomarini per fungere da rilevatori di ultrasuoni (sonar). Tuttavia, questo successo, in quel momento, le grandi aziende non hanno dato alcuna importanza, anche se è vero che il primo utilizzo che è stato dato a questi materiali è ancora presente oggi. Pochi anni dopo, sono stati sviluppati metodi di prova dei materiali basati sulla propagazione delle onde ultrasoniche e nuovi metodi di misurazione della pressione transitoria, utili per studiare, ad esempio, le combustioni interne di un motore. Inoltre, sono stati prodotti i primi microfoni, giradischi, accelerometri, ecc.

Già durante la seconda guerra mondiale il primo materiale ceramico piezoelettrico, titanato di bario e titanato zirconato dopo la famiglia (PZT) è stato prodotto. Grazie allo sviluppo di queste ceramiche potrebbero migliorare sonar, sono stati utilizzati anche per semplificare i circuiti elettrici, microfoni sono state migliorate e il primo tono trasduttore ceramico è stato impostato. Un’applicazione molto importante del piezoelettrico, più specificamente del quarzo, è negli oscillatori elettronici di precisione, dispositivi che utilizzano la frequenza di risonanza naturale del cristallo eccitato da una tensione per fabbricare orologi, radio o orologi per computer interni.

uso è attualmente in esame come dispositivi di memoria (chiamato FRAM), i cui vantaggi rispetto RAM convenzionale e ROM è una memoria non volatile, basso consumo di energia, non è necessario rinfrescare processi e sono facilmente lettura / scrittura, tuttavia , problemi di integrazione e tempo velocità non consentono questa tecnologia per competere con altri ricordi (tecnologia a semiconduttori).

Il suo utilizzo è esteso a molte altre aree. Grazie a queste ceramiche ci sono rilevatori di fumo, controlli televisivi, sensori di movimento, i classici accendini a “clic”, che generano scintille quando vengono pressati, e ancora oggi, decine di prodotti a base di piezoelettrico vengono ancora brevettati ogni anno. ⁹

Le principali applicazioni della ceramica piezoelettrica sono:

• Apparecchiature per immagini mediche ad ultrasuoni
• Livelli di impulso-eco e distanza (i sensori di parcheggio per autoveicoli sono ad ultrasuoni).
• Attrezzature per la pulizia ad ultrasuoni
• Sensori di vibrazione e accelerometro
• Saldatrici ad ultrasuoni
• Trasduttori ad ultrasuoni per test non distruttivi (NDT).
• Attuatori e motori piezoelettrici

Forme e dimensioni

Le forme e le dimensioni più comuni delle ceramiche piezoelettriche commerciali sono [1] :

• Ceramica piezoelettrica ad alta potenza per saldatura ad ultrasuoni in PZT-8 nel formato ad anello:
  • 50 × 20 × 5,15 mm
  • 50,8 × 19,1 × 3 mm
  • 38,1 × 19,1 × 5,15 mm
  • 30 × 10 × 6 mm
  • 25 × 12 × 3,15 mm
  • 25 × 10 × 4,15 mm
• Ceramica piezoelettrica di potenza per la pulizia ad ultrasuoni in PZT-4 nel formato ad anello:
  • 50 × 20 × 5,15 mm
  • 38 × 13 × 6,35 mm
  • 25 × 12 × 3,15 mm
• Ceramica piezoelettrica per sensori in PZT-5A:
  • Anelli 38 × 13 × 6,35 mm
  • Anello di 25 × 12 × 3,15 mm
  • Disco di 15 × 0,9 mm

Le ceramiche piezoelettriche sono anche conosciute come cristalli piezoelettrici, cristalli piezoelettrici, cristallo piezoelettrico e cristallo piezoelettrico.

Riferimenti