Las últimas innovaciones en los sensores piezoeléctricos

En este artículo vamos a hablar de un tipo de sensor en expansión, el sensor piezoeléctrico, y sus aplicaciones en el entorno industrial. En primer lugar, haremos una descripción de la tecnología convencional de estos sensores y posteriormente hablaremos de las últimas innovaciones que esta tecnología está viviendo. 

Descripción de la tecnología piezoeléctrica convencional: 

Los sensores piezoeléctricos se basan en que cuando se aplica una presión, fuerza o aceleración a un cristal de cuarzo u otros materiales piezoeléctricos se desarrolla una carga a través del cristal que es proporcional a la fuerza aplicada. Otra característica de estos sensores de cristal es que la señal generada por el cristal decae rápidamente. La aplicación de una presión es una acción generadora, el elemento cerámico convierte la energía mecánica de compresión o tensión en energía eléctrica. Los valores de la presión compresiva y el voltaje generado por la aplicación de presión al elemento cerámico piezoeléctrico son linealmente proporcionales a la tensión específica del material. Los sistemas piezoeléctricos más comunes son cerámicos piezoeléctricos, con efectos piezoeléctricos o inversos. El efecto piezoeléctrico de los materiales cerámicos causa que un cristal produzca un potencial eléctrico cuando es sometido a una vibración mecánica. Las ventajas de los cerámicos piezoeléctricos son las siguientes:

• Alta eficiencia en la transformación electromecánica.
• Alta maquinabilidad.
• Pueden alcanzarse un amplio rango de características con diferentes composiciones del material (alto grado de libertad en diseño de características).
• Alta estabilidad.
• Adecuados para la producción en masa, y económicos.

Los dispositivos piezoeléctricos se clasifican según se mida durante su actuación la carga electrostática del cristal, su resistividad, o su carga electrostática de frecuencia resonante. Dependiendo del fenómeno utilizado, el sensor del cristal puede ser llamado electrostático, piezorresistivo, o resonante. Las aplicaciones de los sistemas piezoeléctricos son las siguientes:

• Fuentes de alta tensión: La piezoelectricidad directa de algunas sustancias como el cuarzo, puede generar diferencias de potencial de miles de voltios. Probablemente la aplicación más conocida es el encendedor eléctrico de cigarros: presionando el botón se origina que un percusor golpee un cristal piezoeléctrico, y la tensión eléctrica producida enciende el gas cuando la corriente salta sobre un pequeño hueco. El Transformador piezoeléctrico: es un multiplicador de tensión AC, que en vez de usar acoplamiento magnético como ocurre con los transformadores habituales, utiliza acoplamiento acústico entre la entrada y la salida. Se aplica una tensión de entrada a través de una longitud corta de una barra piezoeléctrica, creando una tensión alternante en la barra por el efecto piezoeléctrico y originando la vibración de toda la barra. Se elige tal frecuencia de vibración que coincida con la frecuencia resonante del bloque, típicamente en el rango de 100 kilohercios a 1 megahercio. Se genera una tensión de salida más alta en la otra sección de la barra por efecto piezoeléctrico. Se ha demostrado la multiplicación de 1000:1. Una característica extra de este transformador es que, al operar a su frecuencia de resonancia, puede aparecer una carga inductiva.
• Sensores piezoeléctricos: La tecnología ha avanzado notablemente en los últimos años en sensores piezoeléctricos, los cuales se utilizan cada vez en más aplicaciones. Cuando se aplica una presión a un cristal, se deforma elásticamente. Esta deformación origina una carga eléctrica (que dura algunos segundos). La señal eléctrica resultante puede medirse como una indicación de la presión que se aplica al cristal. Estos sensores no pueden detectar presiones estáticas, pero se usan para medir presiones rápidamente cambiantes u otras fuentes de choque o vibración. El rendimiento de los sensores de presión dinámica se expresa a menudo en unidades de presión relativa (tales como psir en vez de psig), por lo tanto referenciando la medida a la condición inicial del cristal. El rango máximo de tales sensores es 5000 o 10000 psir. Los sensores piezoeléctricos son sensibles a las variaciones de temperatura y requieren amplificación y cableado especial. Los transductores de presión electrostática () son pequeños y resistentes. La fuerza en el cristal puede aplicarse longitudinalmente o en dirección transversal, y en cualquier caso originarán una señal de alta tensión proporcional a la fuerza aplicada. La señal de tensión autogenerada del cristal es útil donde no es posible proporcionar energía al sensor. Ya que el cuarzo es un mineral común, estos transductores son generalmente baratos. Seleccionando el cristal apropiadamente, el diseñador puede asegurar tanto una buena linealidad como una sensibilidad a la temperatura reducida. Los transductores de presión usualmente generan señales de salida en el rango de milivoltios (100 mV a 250 mV).
• Películas piezoeléctricas: Las películas piezoeléctricas se ofrecen en cuatro variaciones, para las siguientes aplicaciones: Medidores de tensión dinámicos, sensores de vibración para alarmas, interruptores, altavoces y micrófonos de contacto.
• Sensores de choque: En este sensor, el elemento piezoeléctrico produce un voltaje que es proporcional a la aceleración de un impacto o una vibración a la que se expone. El sensor de choque utiliza cerámicos piezoeléctricos para convertir la energía del impacto en una señal eléctrica proporcional. El sensor de choque piezoeléctrico utiliza un diafragma “uniforme” que consiste en un circo cerámico laminado a un disco de metal. El diafragma se sostiene en su circunferencia por un soporte metálico. El sensor se caracteriza por ser compacto, diseño ligero, y conveniente para un amplio rango de aplicaciones que requieren impacto y vibración.

Limitaciones de los sensores piezoeléctricos:

• Limitaciones térmicas: Si un material cerámico piezoeléctrico se calienta al punto de Curier, los dominios se desordenan y el material se depolariza. La temperatura Curie de cada material piezoeléctrico se refiere a la temperatura a la cual el cristal pierde sus propiedades de polarización instantánea y de aquí sus propiedades piezoeléctricas. Se define como la temperatura a la cual la constante dieléctrica se maximiza cuando la temperatura aumenta. La temperatura de operación superior recomendada para un cerámico es aproximadamente la mitad entre 0ºC y el punto de Curie. Con el rango de temperatura de operación recomendada; los cambios asociados con la temperatura en la orientación de los dominios son reversibles. Asimismo, estos cambios pueden crear desplazamientos de la carga en los campos eléctricos. También, las fluctuaciones de temperatura repentinas pueden generar voltajes relativamente altos, capaces de despolarizar el elemento cerámico. Puede incorporarse un condensador al sistema para aceptar la energía eléctrica superflua. Consecuentemente, la temperatura Curie será clave a la hora de seleccionar el sistema piezoeléctrico elegido para la aplicación.
• Limitaciones por la influencia del envejecimiento en la constante dieléctrica: hay un aumento progresivo de la constante dieléctrica conforme el material piezoeléctrico envejece. Este hecho también hay que tenerlo en cuenta al utilizar el sensor en aplicaciones sensibles al envejecimiento, como por ejemplo para actuar a la intemperie.

Las últimas innovaciones en los sensores piezoeléctricos: 

Ya que la industria se encuentra lista para comenzar a utilizar sensores inalámbricos sin suministro exterior de potencia, es el momento de plantearse las últimas innovaciones piezoeléctricas y su aplicación en los sensores. La tecnología sensórica es ya un gran negocio, impulsada entre otras cosas por las necesidades de impulsar la automatización que están imponiendo los elevados costes de la energía. La exploración de fuentes para obtener la energía, reducir el consumo, y sobre todo evitar los costes añadidos de instalaciones por cable, está en pleno auge actualmente, y ha supuesto que de forma inesperada los sensores piezoeléctricos comiencen a adquirir un papel que no tenían hace tan solo un año. En un entorno industrial puede obtenerse energía usando vibraciones del movimiento, e incluso se está estudiando obtenerla a pequeña escala de la lluvia. Esta idea innovadora procede de la Comisión de la Energía Atómica, que lanzó esta idea recientemente en Grenoble. De hecho, con simuladores ya se ha demostrado que los sensores piezoeléctricos pueden obtener energía de la lluvia. Pero donde se pretende aprovechar el potencial de obtención de energía a través de los sensores piezoeléctricos es en los ambientes industriales. Si se consigue comercializar estos sensores, la revolución de la automatización está garantizada, ya que podríamos obtener información de manera inalámbrica y sin aportación de energía desde cualquier punto de la industria. Se abren las puertas de un apasionante mundo al seguimiento en tiempo real de todo tipo de procesos industriales, y a un coste reducido.

Bibliografía

• The problem with piezoelectric sensors. Engineer Live. May 2008.
• James R. Phillips. Piezoelectric Technology: A Primer. Senior Member of Technical Staff. CTS Wireless Components.
• Murata. Piezoelectric Ceramic Sensor (Piezotite).

Palabras clave: electrostatic pressure transducer