UNIVERSIDAD TECNOLGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL MENDOZA DEPARTAMENTO DE

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL MENDOZA DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA CÁTEDRA DE TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA Cerámicas Piezoeléctricas PROF Adj. : ING. RUBÉN O. VICIOLI J. T. P. : ING. GABRIEL SOSA Ayud. 1º: ING. FEDERICO GRACIÁ miércoles, 19 de mayo de 2021

TECNOLOGÍA Introducción Piezoelectricidad Nombre dado al fenómeno en el cual se genera electricidad en ciertos materiales sujetos a un esfuerzo mecánico. Descubierta por Jacques y Pierre Curie en el año 1880 Los mismos materiales muestran el efecto inverso en el que cambian su forma bajo la influencia de un campo eléctrico.

TECNOLOGÍA Materiales Cristales Naturales: • Cuarzo • Turmalina • Sales de Rochelle Cerámicas Piezoeléctricas

TECNOLOGÍA Cerámicas Piezoeléctricas Características: ü Son químicamente inmunes a la humedad o cualquier otra condición atmosférica. ü Tienen propiedades mecánicas semejantes a las más conocidas cerámicas de aislación. ü Se fabrican en procesos similares aunque se efectúa un control más estricto en la formación de propiedades eléctricas. ü Puede dárseles cualquier forma o tamaño con la dirección de polarización elegida libremente. ü son extremadamente firmes, es decir, son capaces de producir o soportar muy grandes esfuerzos.

TECNOLOGÍA Aplicaciones Con pequeños cambios de la composición química de los materiales es posible enfatizar una o más propiedades específicas de modo tal de cumplir especialmente los requerimiento de ciertas aplicaciones.

TECNOLOGÍA Aplicaciones Generadores de Alta Tensión: ü Ignición o encendido de llama piloto en aparatos a gas. ü Encendedores de cigarrillos. ü Encendido de bulbos de flash. ü Encendido de mecha de explosivos.

TECNOLOGÍA Aplicaciones Transductores de ultrasonido de alta intensidad: ü Desgaste y limpieza por ultrasonido. ü Soldadores ultrasónicos de plástico y metales. ü Maquinados ultrasónicos, por ejemplo: taladrado. ü Proyectores sonares. ü Terapia médica ultrasónica. ü Humidificadores ultrasónicos.

TECNOLOGÍA Aplicaciones Transductores ultrasónicos de baja intensidad: ü Ensayos no destructivos ultrasónicos. ü Diagnósticos médicos ultrasónicos. ü Sonares. ü Aparatos para exploración sísmica. ü Transductores (reverberadores). de retardo acústico

TECNOLOGÍA Sistemas de flexión: ü Cápsulas Pick Up. ü Timbres piezoeléctricos de golpeteo. ü Sensores aéreos ultrasónicos. ü Micrófonos. ü Tele comandos. Aplicaciones

TECNOLOGÍA Aplicaciones Otras aplicaciones: ü Filtros pasa banda cerámicos de F. I. ü Detectores ultrasónicos de nivel de líquido. ü Medidores ultrasónicos de flujo. ü Detectores ultrasónicos de solidez o dureza. ü Acelerómetros. ü Detectores de esfuerzo. ü Control de movimientos leves.

TECNOLOGÍA Cerámicas Piezoeléctricas Contienen dipolos elementales, consistentes en una carga positiva y una negativa a una cierta distancia. Antes del proceso de fabricación los dipolos no muestran preferencia por alguna dirección en particular. Cuando se aplica un esfuerzo la suma de los desplazamientos de carga es cero tal que bajo estas condiciones el material no exhibirá un efecto piezoeléctrico. Para obtener actividad piezoeléctrica los dipolos deben primero ser orientados, lo que se hace exponiendo al material cerámico a un fuerte campo eléctrico externo a alta temperatura, no más allá de la llamada temperatura Curie. Bajo estas condiciones polares los dipolos toman una dirección correspondiente a la dirección del campo de polarización (figura b), con el resultado que el cuerpo de la cerámica muestra una elongación en la misma dirección.

TECNOLOGÍA Cerámicas Piezoeléctricas Después de remover el campo de polarización y enfriar el material los dipolos no pueden volver fácilmente a su posición original y lo que se obtiene es llamado polarización remanente del material cerámico. El cuerpo cerámico se ha convertido, en forma permanente, en piezoeléctrico y puede convertir energía mecánica en eléctrica y viceversa.

TECNOLOGÍA Materiales Las cerámicas piezoeléctricas están constituidas por mezclas policristalinas: q Titanatos de bario q Titanatos de calcio q Titanatos de plomo q Titanatos de titanozirconatos de plomo Se obtienen por compresión del polvo a alta temperatura, siendo moldeadas y cocidas en un horno.

TECNOLOGÍA Materiales Pueden ser producidas en forma de discos, de bastones, de paralelepípedos, de tubos, de sectores cilíndricos y de semiesferas:

TECNOLOGÍA Monocristal de Titanato de Bario Estructura cúbica del titanato de bario por encima de 120 ºC (temperatura Curie). A temperaturas < 120 ºC la célula elemental cúbica se convierte en un paralelepípedo rectangular de base cuadrada. El ion Bario ya no se encuentra en el centro de la célula, se desplaza al interior de la cavidad octaédrica , formada por los iones O 2

TECNOLOGÍA Efecto Piezoeléctrico

TECNOLOGÍA Ejemplo Práctico Tensión a circuito abierto de un cilindro cerámico de 20 mm de longitud en función de la presión aplicada. . Una fuerza de unos pocos Newton puede aplicarse manualmente, y no se requieren más de 25 N para generar 100 V.

TECNOLOGÍA Tipos de Materiales Piezoeléctricos Todos los materiales piezoeléctricos están enmarcados bajo el nombre de “Pieóxidos”, los cual es una contracción del término óxidos piezoeléctricos, a los cuales nos referimos, para abreviar, como PXE 3: ü Titanato – zirconato de plomo. ü Coeficiente de acoplamiento de corte muy alto. ü Baja constante dieléctrica. ü Alta temperatura Curie. ü Aplicaciones de resonancia de alta frecuencia (bajo esfuerzos de corte o torsión), como por ejemplo transductores de retardo ultrasónico.

TECNOLOGÍA Tipos de Materiales Piezoeléctricos PXE 4: ü Titanato – zirconato de plomo mejorado. ü Campos de aplicación: transductores resonantes de alta intensidad y generadores de alta tensión. ü La alta fuerza coercitiva y el alto factor Q mecánico unidos a la baja disipación de calor que produce una onda incidente sobre el material cerámico (dieléctrico) hacen que pueda ser llevado a grandes amplitudes de deformación , requerido en limpieza ultrasónica y sonares. ü Soporta fácilmente las cargas repetitivas de las muy altas fuerzas cuasi – estáticas y dinámicas necesarias para la generación de alta tensión.

TECNOLOGÍA Tipos de Materiales Piezoeléctricos PXE 5: ü Titanato – Zirconato de Plomo mejorado. ü Factor Q mecánica bajo, ü Coeficiente de acoplamiento muy alto ü Buena sensibilidad de carga. ü Ideal para todas las aplicaciones de sensores mecano – eléctricos no resonantes: cápsulas pick up, micrófonos, etc. ü Mejor estabilidad térmica y por envejecimiento que los otros tipos. ü La resistividad, aún a altas temperaturas es extremadamente alta.

TECNOLOGÍA Tipos de Materiales Piezoeléctricos PXE 7: ü Es similar al PXE 3 pero con mejores características de estabilidad. ü Utilizado en las líneas de retardo ultrasónico en receptores de TV. PXE 10: ü Tiene una constante dieléctrica extremadamente alta. ü Factor de mérito Q mecánico es bajo ü Aplicaciones mecano – eléctricas no resonantes que requieran un alto rendimiento de conversión de energía. PXE 11: ü Novato de sodio y potasio. ü Constante de frecuencia comparativamente alta. ü Material ideal para transductores de muy alta frecuencia (fr = 10 – 00 MHz), por ejemplo en líneas de retardo.

TECNOLOGÍA Tipos de Materiales Piezoeléctricos Cantidades y Símbolos Unidad PXE 3 PXE 4 PXE 5 PXE 7 PXE 10 PXE 11 7. 8 a 7. 95 7. 45 a 7. 55 a 7. 65 0. 88 0. 77 0. 65 7. 6 4. 5 0. 82 0. 58 0. 79 0. 59 - - 1. 2 - 0. 27 - 0. 26 0. 28 - 0. 41 420 Datos Mecánicos 103 Kg/m 3 Masa Específica ρ Y 11 E Módulo de Elasticidad Y 33 E 1011 N/m 2 Y 55 E Calor Específico J/Kg ºC 420 420 420 Conductividad del Calor W/m ºC 1. 2 1. 2 >6 >6 >6 ≈ 0. 8 ≈ 1. 0 Numerica ≈ 0. 3 ºC 395 265 285 320 185 400 (195) 570 1500 1750 680 3000 450 900 - 1800 1050 - 600 Ωm 1012 1011 1014 - - - Minutos > 300 - - - Numérica 0. 5 0. 6 2. 0 3 2. 5 k. P 0. 52 0. 55 0. 62 0. 53 0. 65 0. 73 k 31 0. 30 0. 32 0. 36 - 0. 38 0. 25 0. 68 0. 70 - - - 0. 71 - 0. 66 - 0. 65 -44. 5 Compresión Tensión 108 N/m 2 Flexión Constante de Poisson σ Datos Eléctricos Temperatura Curie (temperatura de transición) Constante Dieléctrica Relativa ε 33 T/ε 0 ε 11 T/ε 0 Resistividad Volumétrica ρ el (25 ºC) Constante de Tiempo ρ elε 33 T (25 ºC) Disipación Dieléctrica, Factor tan δ (x 10 -2) Numerica Datos Electro - Mecánicos Factores de Acoplamiento k 33 Numerica K 15 Constantes de Carga Piezoeléctrica Constante de Voltaje Piezoeléctrico d 31 -74 -141 -178 -84 -275 166 265 356 - - - 385 - 515 350 - 235 -14. 8 -9. 4 -11. 3 -14. 0 -9. 1 -11. 2 34. 5 20. 0 23. 2 - - - 48. 5 - 32. 5 44. 2 - 44. 0 300 500 80 Abt. 80 270 NPE 2300 2200 2000 2250 1900 3600 N 1 E 1680 1620 1460 1640 1390 2650 1560 1610 1390 - - - 930 970 - 1500 d 33 d 15 g 31 g 33 10 -3 Vm/N g 15 Factor de Calidad Mecánica (Q m. E)P para modo radial Constantes de Frecuencia 10 -12 C/N N 3 E N 5 E Numérica Hz. m o m/s

TECNOLOGÍA Técnicas de unión de electrodos Pegado: Previamente al pegado los terminales del elemento PXE deben ser limpiados a fondo con un solvente removedor de grasa (por ejemplo: clorotrietileno). Frecuentemente se usan pegamentos conductores, que tienen como desventaja que la amortiguación mecánica es muy dependiente de la temperatura (estando el límite alrededor de 50 ºC). Soldado: Los electrodos de muchos transductores piezoeléctricos se hacen de plata. La unión firme entre la plata y el cuerpo cerámico se hace por descarga de una pasta de plata sobre la superficie cerámica. El grosor de la capa resultante alcanza lo 25 micrones y sobre ella pueden soldarse los terminales, siempre que se la mantenga limpia y el tiempo de soldado sea corto (de lo contrario puede disolverse la capa de plata).

TECNOLOGÍA Despolarización Cuando se trabaja con estos materiales, deberán tenerse en cuenta los siguientes puntos: a) La temperatura del material debe mantenerse bastante por debajo del punto Curie. b) El material no debe ser expuesto a campos alternativos muy fuertes. c) La tensión mecánica aplicada al material no debe exceder límites específicos.

TECNOLOGÍA Despolarización térmica: § Es cuando el material ha sido expuesto a excesivo calor. § Los dipolos eléctricos son capaces de retomar su estado no alineado. § La performance piezoeléctrica se deteriora y eventualmente, en el punto Curie, el elemento sufre una pérdida completa y permanente de sus propiedades piezoeléctricas. § Para un funcionamiento continuo sin despolarización apreciable se recomienda trabajar bastante por debajo del punto Curie. § Un límite de temperatura seguro es el valor medio entre 0 y el punto Curie expresado en ºC.

TECNOLOGÍA Despolarización Eléctrica: § Tiene lugar bajo la influencia de fuertes campos alternos. § Los elementos piezoeléctricos están expuestos a despolarizaciones durante el medio ciclo (del campo alterno) en el que el campo eléctrico se opone a la tensión original de polarización. § Este tipo de despolarización tiene lugar en campos de intensidad de más de 500 V/mm, provistos cuando el transductor trabaja cuasi – estáticamente.

TECNOLOGÍA Despolarización mecánica: § Ocurre cuando la tensión mecánica sobre un elemento piezoeléctrico se hace demasiado grande. § Aparece así el peligro de que la orientación direccional en la cerámica aparezca inmediatamente deteriorada, que en definitiva determina una performance piezoeléctrica mucho peor de los elementos. § Los límites de seguridad de tensión varían considerablemente con el tipo de material.

TECNOLOGÍA Estabilidad ü Las propiedades de elementos piezoeléctricos son más o menos dependientes de la temperatura y el tiempo. ü La estabilidad como función del tiempo es de particular interés. ü La polarización decrece aproximadamente en forma logarítmica de modo tal que se reduce rápidamente el rango de variación de la constante dieléctrica, el factor de acoplamiento, la constante de frecuencia, etc. con el transcurso del tiempo.

TECNOLOGÍA Aplicaciones Filtros pasa-banda cerámicos PXE § Funcionan bajo el principio de que un cuerpo único de material puede ser usado como un elemento selectivo en frecuencia en osciladores y circuitos de filtros. § Para estas aplicaciones el elemento PXE es llevado eléctricamente a frecuencia cercana a la de resonancia mecánica, en este caso se hace referencia al elemento como resonador.

TECNOLOGÍA Aplicaciones Funcionamiento: § Consisten en un fino disco de material cerámico con un electrodo en cada lado § En una banda de frecuencias pequeñas (alrededor de 450 Khz) este resonador vibra preferentemente en forma radial: el diámetro del disco aumenta y disminuye alternativamente. § El material es polarizado en la dirección axial, perpendicular a la dirección radial de excursión.

TECNOLOGÍA Aplicaciones Características: Las frecuencias donde la impedancia pasa por un mínimo y un máximo son llamadas frecuencia resonante fr y frecuencia antiresonante fa respectivamente. La frecuencia de resonancia y la constante de frecuencia para vibraciones planas NEP están relacionadas al diámetro “D” del disco por la ecuación:

TECNOLOGÍA Circuito Equivalente e Impedancia Circuito Equivalente: Cm: Cuando el cristal no está vibrando, es equivalente a una capacidad por estar compuesto de dos placas de metal separadas por un dieléctrico. Recibe el nombre de capacidad del encapsulado. Lm /Cm: representan los equivalentes eléctricos de la masa y el comportamiento del cristal. Rm: es un equivalente eléctrico de la fricción interna de la estructura del cristal. Co: representa la capacidad debida al montaje mecánico del cristal.

TECNOLOGÍA Circuito Equivalente e Impedancia El circuito eléctrico equivalente mostrado anteriormente, puede tener dos frecuencias resonantes: Cuando las reactancias de la rama serie RLC son iguales (y opuestas). Para esta condición, la impedancia resonante en serie es muy baja (igual a Rm). A una frecuencia mas alta, cuando la reactancia de la rama resonante serie es igual a la reactancia del condensador Co. Esta es una resonancia paralela o condición anti resonante del cristal. A dicha frecuencia, el cristal proporciona una impedancia muy alta al circuito externo.

TECNOLOGÍA Circuito Equivalente e Impedancia El circuito eléctrico equivalente mostrado anteriormente, puede tener dos frecuencias resonantes:

TECNOLOGÍA Circuito Equivalente e Impedancia Dado que los 4 elementos equivalentes que constituyen el filtro piezoeléctrico, inductancia Lm, resistencia Rm y capacitores Cm y Co no existen como tales, sus valores deberán ser evaluados a partir de 4 mediciones indirectas diferentes. Estas mediciones pueden ser llevadas a cabo en diferentes formas. Un método es el de medir las siguientes cantidades: 1. La frecuencia de resonancia fr. 2. La frecuencia de anti resonancia fa. 3. La resistencia Rm a la frecuencia de resonancia. 4. La capacidad Clf a frecuencias muy por debajo de fr (lf significa “low frecuency”).

TECNOLOGÍA Circuito Equivalente e Impedancia La fr así como también la resistencia Rm en resonancia pueden ser medidas directamente con el circuito de la figura (a) si la resistencia serie R 1 es mucho mayor que la impedancia del resonador a fr. (a) Circuito para medición de fr (b) Circuito par a medición de fa A la frecuencia fr el voltímetro da una lectura mínima V 2, de modo tal que el valor de Rm puede ser determinado de:

TECNOLOGÍA Circuito Equivalente e Impedancia La fa puede ser medida con el circuito de la figura (b) bajo la condición de que R 2 sea mucho menor que la impedancia del resonador a fa. (a) Circuito para medición de fr (b) Circuito par a medición de fa Cuando se mide la capacidad del resonador a una frecuencia muy por debajo de la frecuencia de resonancia, digamos 1 KHz, se encuentra un valor Clf que es la suma de Co y Cm:

TECNOLOGÍA Circuito Equivalente e Impedancia Ejemplo: Las mediciones efectuadas sobre un resonador experimental de FI hecho en PXE 6 arrojo los siguientes datos: fr = 452 KHz; fa = 470 KHz; Clf = 200 p. F; Rm = 25 Ω Sustituyendo estos valores en las expresiones matemáticas para el circuito equivalente del resonador obtenemos:

TECNOLOGÍA Funcionamiento del Resonador a Frecuencias Altas • Un resonador a baja frecuencia vibra en el modo radial. • Un resonador radial hecho de menor diámetro puede en principio funcionar a frecuencias más altas. • Para su aplicación en el rango entre 5 y 15 MHz el radio requerido puede llegar a ser muy pequeño: 560 -180μm. • Para altas frecuencias se prefieren otros modos de vibración: ü Compresión en la dirección del espesor. ü Corte paralelo al espesor.

TECNOLOGÍA Funcionamiento del Resonador a Frecuencias Altas • En la figura (a) la placa cerámica está polarizada en la dirección del espesor (p). Los electrodos han sido colocados en las superficies inferior y superior, el elemento se hace vibrar en la dirección del espesor (h). • El espesor h del cuerpo determina la frecuencia (para 10 MHz, h = 200μm). (a) (b)

TECNOLOGÍA Funcionamiento del Resonador a Frecuencias Altas (a) (b) • Para la vibración de la frecuencia de corte paralelo al espesor (figura b) la placa cerámica se polariza en su propio plano; aquí también los electrodos se colocan en las superficies antes mencionadas. • El campo excitador es perpendicular a la dirección de polarización y la placa vibra de manera tal que las superficies inferior y superior se mueven en direcciones opuestas (líneas punteadas). • El espesor h determina la frecuencia y, en este caso, h es de alrededor de 106μm para 10 MHz.

TECNOLOGÍA Cerámicas Piezoeléctricas en Ultrasonido Generalidades: Ultrasonido: vibración de las partículas materiales a una frecuencia por encima del umbral superior de audición humana (16 a 20 KHz). Interés práctico: q Aprovechamiento de la energía transmitida (realización de emulsiones, dispersiones, reacciones químicas, etc. ) q Análisis de rayo, una vez que se lo hace pasar por un medio (inspección física de metales, estudios de absorción, etc. ) TRANSDUCTOR