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Sensor Piezolétrico

O disco,que tem propriedades piezelétricas,apresenta um diferencial de potencial elétrico ao ser submetido a esforço mecanico (a mudança na forma do disco é apenas representativa)

O Sensor piezelétrico é um dispositivo que tem como base de funcionamento a Piezoeletricidade. Esses dispositivos podem medir mudanças na pressão, temperatura, tensão ou força convertendo essas grandezas em sinais elétricos.

Historia

Em 1880, Jacques e Pierre Curie descobriram que a pressão mecânica aplicada a um cristal provoca o surgimento de um potencial elétrico. Chamaram o efeito de Piezelétrico.
Posteriormente, em 1881, por análises termodinâmicas, Lippman previu a existência do efeito piezelétrico reverso, que consiste no aparecimento de uma deformação do material quando submetido a um campo elétrico.
As primeiras aplicações destes cristais foram feitas em detectores de submarinos na Primeira Guerra Mundial. Hoje em dia, os transdutores piezelétricos são usados nas mais diversas situações. Essa reciprocidade entre energia mecânica e elétrica propicia aos materiais piezelétricos grande aplicabilidade em várias áreas, além do fato da alta precisão destes sensores.

Funcionamento

Os sensores piezelétricos funcionam, basicamente, de duas formas:

Direta: Conversão de energia mecânica em energia elétrica, ou seja, quando o material piezelétrico sofre alguma solicitação mecânica ele cria um potencial elétrico proporcional.

Inversa: Conversão de energia elétrica em energia mecânica, ou seja, quando o material piezelétrico é submetido a algum potencial elétrico e responde com uma deformação mecânica proporcional.

O efeito piezoelétrico pode ser descrito de forma simplificada, desconsiderando a simetria do material, pelas seguintes equações

$$D=\varepsilon E+dT\;$$

(Direto)

$$S=Ed+sT\;$$

(Inverso)

Onde:

D é o vetor deslocamento elétrico ;

E é o campo elétrico;

T é a Tensão mecânica aplicada;

d é o coeficiente piezoéletrico;

ε é a permissividade diéletrica ;

S é a deformação;

s é o coeficiente elástico;

É importante lembrar que o efeito piezoelétrico representa uma dimensão linear da deformação com o campo elétrico aplicado. Portanto, se o sentido do campo elétrico é invertido, o sentido da deformação também será invertido.

Aplicações

Os sensores piezelétricos são ferramentas úteis em diversas situações. Eles são vastamente utilizados na área da medicina e engenharia, por exemplo. Embora tenha sido descoberto em 1880, foi a partir de 1950s que esses sensores começaram a ser utilizados em aplicações de instrumentação na indústria. A tecnologia de sensoriamento piezelétrica tem evoluído notavelmente e já pode ser considerada um procedimento maduro tecnologicamente, com excelente confiabilidade.

Dentre as aplicações desses sensores, destacam-se:

• Uso na detecção e geração de ondas de sonar.
• Monitoramento de energia em aplicações de alta potência (por exemplo, tratamento médico, sonoquímica e processamento industrial).
• As microbalanças piezoelétricas são usadas como sensores químicos e biológicos muito sensíveis.
• Os sistemas de gerenciamento de motores automotivos usam transdutores piezoelétricos para detectar o golpe do motor (Knock Sensor, KS), também conhecido como detonação, em certas frequências. Um transdutor piezoelétrico também é usado em sistemas de injeção de combustível para medir a pressão absoluta do colector (sensor MAP) para determinar a carga do motor.
• Os transdutores ultra-sônicos: Eles podem injetar ondas de ultra-som no corpo, receber a onda retornada e convertê-la em um sinal elétrico (uma tensão). A maioria dos transdutores médicos de ultra-som são piezoelétricos.
  

Os sensores piezoelétricos apresentam inúmeras outras aplicações, como em acelerômetros, atuação na limpeza de componentes, diretividade e pressão do som e transdutores de som (buzzers).

Materiais dos Sensores

Como dito antes, os materiais piezelétricos são aqueles que apresentam o fenômeno piezelétrico (direto ou inverso). Um material é considerado piezelétrico se a aplicação de uma tensão mecânica causa o desenvolvimento de um deslocamento elétrico interno. Este deslocamento se manifesta como uma polarização elétrica interna ou através do aparecimento de cargas elétricas na superfície do material. De todas essas classes cristalinas, apenas os representantes com o centro de simetria não podem apresentar o efeito. Praticamente todas as outras classes exibem algum efeito piezelétrico diferente de zero, embora as vezes este efeito seja muito pequeno. Todos os materiais pizelétricos são transdutores, pois, conseguem converter uma forma de energia em outra.

Os materiais mais usados em sensores podem ser divididos em dois grandes grupos: Cerâmicas (Policristais) e os Filmes Finos (Monocristais). Cada material apresenta propriedades dielétricas, elásticas e piezoelétricas que determinam sua eficiência como material piezelétrico. Atualmente, estes materiais são utilizados em aplicações tecnológicas desde baixas frequências até frequências muito altas. O tipo de material piezelétrico usado pode ser determinado com base na frequência de operação, sendo que em frequências muito baixas (na faixa de Hz) são utilizados os materiais policristalinos e em frequências altas (ordem de 10000000000 Hz) são utilizados os monocristais.

Materiais Policristalinos:

Os materiais mais comuns usados nessa classe são as cerâmicas, polímeros ou compósitos. Destaca-se aqui o material piezelétrico cerâmico chamado de PZTs (uma cerâmica policristalina composta por zirconatos e titanatos de chumbo). Eles são utilizados como transdutores para posicionamento, e tem precisão na ordem de nanômetros. Estes materiais apresentam inúmeras vantagens, que serão citadas abaixo:

• Os PZTs podem ser utilizados para movimentar cargas muito pesadas ou cargas leves a frequências de dezenas de Hz.
• Os PZTs não requerem manutenção, uma vez que seu movimento é baseado em efeitos moleculares de materiais ferroelétricos
• Processo de obtenção baratos
• Grande variedade de composições, o que permite controlar ou modificar suas propriedades físicas
• Podem ser produzidos em uma maior variedade de geometrias

Materiais Monocristalinos:

Os cristais ou filmes finos são os principais materiais usados nessa classe de sensores piezelétricos. Embora as piezocerâmicas são amplamente utilizadas, os cristais piezoelétricos apresentam algumas vantagens perante a este material, que são:

• Altas temperaturas de Curie
• Alta estabilidade térmica
• Alto fator de qualidade mecânico
  

Contudo, a obtenção desses cristais de alta qualidade requer processos muito caros e muito duradouros.

Ver também

• Cristal piezoelétrico
• Transdutor
• Piezeletricidade

Bibliografia

1. Rosen, Carol Z.; Hiremath, Basavaraj V.; Newnham, Robert. Piezoeletricity. American Institute of Physics. 1992.
2. Fialho, Brustamante A.; Instrumentação Industrial, Conceitos, Aplicações e Análises, 6 edição.2010.
3. Balbinot,A;Brusamello.V.A. Instrumentação e Fundamentos de Medidas.Volume 2.Rio de Janeiro:LTC,2007]
4. ADAMOWSKI, Julio Cezar. Sensores: Teoria e Aplicações. Laboratório de Sensores e Atuadores. Departamento de Engenharia e de Sistemas Mecânicos. Escola Politécnica da USP. 2000.