Esplorare materiali piezoelettrici: tipi, proprietà e impatto tecnologico

Nel corso degli anni, i progressi nella scienza dei materiali hanno creato diversi materiali piezoelettrici come singoli cristalli, ceramiche e film sottili.Questo articolo dà un'occhiata da vicino ai materiali piezoelettrici, compresi i loro proprietà, i tipi, il modo in cui funzionano e i loro usi.Sottolinea la loro importanza nel collegare l'ingegneria meccanica ed elettrica, guidando l'innovazione in molte aree.

Catalogare

Figura 1: materiale piezoelettrico

Cos'è Piezo?

La parola "piezo" deriva dalla parola greca "piezein", significa "premere" o "pressione".Questo si adatta bene al suo uso nella scienza per la piezoelettricità.Nel 1880, i fisici francesi Jacques e Pierre Curie scoprirono piezoelettricità.Hanno scoperto che quando sono stati premuti alcuni cristalli come la tormalina, il quarzo, il topazio e il sale di Rochelle, hanno prodotto una carica elettrica.Hanno anche visto che questi cristalli potevano cambiare forma quando veniva applicata una corrente elettrica dimostrando che il processo poteva funzionare in entrambi i modi.

Questa scoperta ha portato alla creazione di vari dispositivi piezoelettrici.Durante la prima guerra mondiale, la piezoelettricità è stata utilizzata principalmente nei rilevatori sottomarini ad ultrasuoni.Oggi, i materiali piezoelettrici sono usati in molte cose.Si trovano in articoli di tutti i giorni come accendini di sigaretta elettrica e stampanti a getto d'inchiostro, nonché in tecnologie avanzate come l'imaging ad ultrasuoni medici e il controllo del movimento di precisione in robotica.

Tipi di materiali piezoelettrici

Figura 2: esempi di materiali piezoelettrici

Materiali piezoelettrici a cristallo singolo

I materiali piezoelettrici a cristallo singolo sono caratterizzati dal loro reticolo di cristallo continuo e uniforme, libero dai confini del grano.Questa struttura uniforme porta spesso a migliori efficienze di accoppiamento elettromeccanico rispetto ad altri materiali piezoelettrici.Esempi di tali materiali includono quarzo e langasite.Questi singoli cristalli sono prodotti utilizzando metodi di crescita precisi come il processo di Czochralski o la sintesi idrotermale.Le loro prestazioni eccezionali li rendono perfetti per applicazioni precise come sistemi di imaging medico avanzato, risonatori e filtri delle telecomunicazioni e monitoraggio delle vibrazioni nell'aerospaziale.

Figura 3: materiale in quarzo cristallino piezoele

Materiali piezoelettrici in ceramica

Le ceramiche piezoelettriche sono realizzate con materiali strutturati per perovskite come il titanato zirconato di piombo (PZT).Questi materiali sono policristallini e sono creati dalla sinterizzazione di sostanze in polvere.Le loro proprietà piezoelettriche sono sviluppate attraverso un processo di poling e allineano i dipoli elettrici applicando un campo elettrico esterno.Queste ceramiche possono essere facilmente modellate in varie forme e dimensioni.La loro durata ed efficacia in termini di costi li rendono popolari per l'uso in attuatori, sensori, trasduttori ad ultrasuoni e cicalini dell'elettronica di consumo.

Figura 4: Struttura della ceramica piezoelettrica di tipo PZT

Materiali piezoelettrici a film sottile

I piezoelettrici a film sottile sono realizzati depositando strati che vanno da alcuni nanometri a diversi micrometri di spessore usando tecniche avanzate di fabbricazione come sputtering, deposizione di vapore chimico o deposizione laser pulsata.I materiali comuni utilizzati nei film sottili includono PZT, ossido di zinco (ZnO) e nitruro di alluminio (ALN).La magrezza di questi film consente loro di essere integrati nei sistemi microelettromeccanici (MEMS) e nei sistemi nanoelettromeccanici (NEMS), migliorando la loro funzionalità in dispositivi compatti come microfoni, microfunzioni e array di sensori avanzati.La loro compatibilità con i processi di semiconduttore standard e la scalabilità li rende adatti a circuiti integrati ed elettronica flessibile.

Figura 5: Film sottili piezoelettrici Aln

Figura 6: elementi piezoelenti alla rinfusa

La scelta tra materiali piezoelettrici a film sottile e sfuso dipende dalle esigenze specifiche dell'applicazione di precisione, potenza e durata.I materiali piezoelenti a film sottile sono adatti alle tecnologie su piccola scala.Al contrario, i materiali piezoi sfusi sono preferiti in applicazioni più impegnative e su larga scala.La tabella seguente confronta i materiali piezoelenti a film sottile e i materiali piezoi sfusi in base al loro spessore, alle tecniche di produzione, alle caratteristiche chiave e alle applicazioni.

Categoria	Materiali piezoelenti a film sottile	Materiali piezoelenti alla rinfusa
Spessore	Alcuni nanometri a diversi micrometri	Diversi millimetri a centimetri
Tecniche di produzione	Deposizione laser sputtering, pulsato, deposizione di vapore chimico	Premendo, estrusione, lavorazione
Caratteristiche	Risposta ad alta frequenza: risposta rapida volte	Alta generazione di energia: produce potere sotto stress meccanico
	Flessibilità: applicabile a flessibile superfici	Durabilità: forte e resistente, adatto per carichi pesanti e condizioni difficili
	Precisione: controllo preciso su a Livello microscopico	Versatilità: facilmente modellata e dimensionata per esigenze specifiche
Applicazioni	Microelettronica e MEMS: Accelerometri, giroscopi, teste della stampante a getto d'inchiostro	Raccolta di energia: converte meccanica stress dalle vibrazioni in energia elettrica
	Dispositivi medici: trasduttori ad ultrasuoni per imaging e terapia	Attuatori e sensori: grandi attuatori in Industrie automobilistiche e aerospaziali, sensori ad alto carico
	Telecomunicazioni: filtri e Resonaditori nei telefoni cellulari e nei dispositivi di comunicazione	Sonar e dispositivi ad ultrasuoni: sonar Sistemi per uso navale, detergenti ad ultrasuoni industriali

PZT a film sottile e metodi di deposizione

I materiali di titanato zirconato a piombo sottile (PZT) sono utilizzati in sensori, attuatori e sistemi microelettromeccanici (MEMS) a causa delle loro grandi proprietà piezoelettriche.La composizione e l'efficacia dei film sottili PZT dipendono molto dai loro metodi di deposizione che possono influire sulla loro struttura, orientamento e prestazioni piezoelettriche.Le tre principali tecniche di deposizione: deposizione di vapore chimico organico di sol-gel, sputtering e metallo (MOCVD).

Figura 7: PZT flessibile a film sottile

Processo sol-gel

Il processo SOL-gel è un modo economico per depositare film sottili PZT e consentire il controllo sulla composizione del film a livello molecolare.Questa tecnica inizia con la preparazione di una soluzione colloidale (SOL) che si trasforma in un gel.Passaggi importanti includono alcossidi metallici idrolizzanti e polimerizzanti.Il gel risultante viene applicato a un substrato usando rivestimento di spin o rivestimento di immersione, seguito da un trattamento termico per rimuovere i componenti organici e cristallizzare la fase PZT.

Figura 8: processo SOL-gel per film sottili PZT

Vantaggi

• Consente un controllo fine sulla stechiometria, migliorando le proprietà piezoelettriche

• Utilizza temperature più basse rispetto ad altri metodi

Sfide

• È difficile ottenere spessore e composizione coerenti in grandi aree

• L'elevato restringimento durante l'asciugatura e il fuoco spesso provoca crepe

Sputtering

Lo sputtering è una tecnica di deposizione di vapore fisico (PVD) in cui le particelle ad alta energia eliminano il materiale da un bersaglio, quindi si deposita su un substrato.Per i film PZT, viene utilizzato lo sputtering del magnetron RF che coinvolge un plasma di ioni argon che colpisce il bersaglio PZT.

Figura 9: metodo di deposizione di sputter di deposizione a film sottile

Vantaggi

• Produce film con buona adesione e densità

• Adatto al rivestimento di substrati di grandi dimensioni uniforme

Sfide

• Lo stress può accumularsi nei film che colpiscono le loro proprietà

• La composizione del bersaglio può cambiare durante lo sputtering a causa di rese di sputtering differenziale

Deposizione di vapore chimico organico metallo (MOCVD)

Il MOCVD prevede la decomposizione dei precursori organici metallici in una fase di vapore e reagire o decomporre su un substrato riscaldato per formare un film sottile.Questo metodo è preferito per la produzione di pellicole di alta purezza e ben cristallizzate adatte per applicazioni elettroniche.

Vantaggi

• Fornisce un'eccellente uniformità e conformità del film anche su substrati di forma complessa

• Buono per la produzione ad alto volume

Sfide

• Richiede temperature più elevate rispetto ad altri metodi

• La manipolazione e lo stoccaggio di precursori di metallo-organico possono essere pericolosi

Figura 10: deposizione di vapore chimico organico in metallo

In che modo i materiali agiscono sotto stress

Comportamento sotto compressione

Quando vengono schiacciati materiali come il quarzo o il titanato di bario, cambiano in modi che incidono sul loro uso in vari dispositivi.Questi materiali hanno strutture speciali che creano cariche elettriche quando vengono premuti.Dato che sono compressi, si riducono e i loro cambiamenti della struttura interna.

Questo spremere fa sì che le cariche elettriche all'interno del cristallo si distribuiscano in modo non uniforme.La pressione sposta gli ioni nella struttura del cristallo, creando un campo elettrico.Ciò accade perché i centri di carica positivi e negativi nello spostamento del materiale.La quantità di risposta elettrica dipende dal tipo di cristallo, dalla forza applicata e dalla direzione del cristallo rispetto alla forza.

Ad esempio, nei sensori, la tensione prodotta dai cristalli può misurare la forza applicata rendendoli perfetti per rilevare la pressione e il monitoraggio dei carichi.Negli attuatori, l'applicazione di un campo elettrico può rendere la forma del cambio di cristallo, consentendo un controllo preciso dei movimenti in cose come dispositivi ad ultrasuoni e iniettori di carburante per auto.

Figura 11: Materiali piezoelettrici

Risposta piezoelettrica alla pressione

Quando i materiali piezoelettrici affrontano la pressione meccanica, le loro molecole riallineano, influenzando le loro proprietà elettriche.La forza cambia la struttura molecolare, allineando le regioni con una direzione elettrica uniforme, aumenta la polarizzazione elettrica.

Questo allineamento aumenta la separazione della carica nel materiale, migliorando la sua polarizzazione elettrica.In termini semplici, la pressione rende i dipoli (molecole con due cariche opposte) più uniformi, creando un campo elettrico più forte per una determinata forza.

La capacità di controllare questa risposta accuratamente sotto diverse pressioni rende i materiali piezoelettrici molto utili in molte tecnologie.La loro capacità di convertire la pressione meccanica in segnali elettrici e viceversa consente di essere utilizzati in modo efficace in attività come generare frequenze elettroniche precise e monitorare le vibrazioni in contesti industriali.

L'effetto piezoelettrico

Figura 12: l'effetto piezoelettrico

Trasformare l'energia meccanica in energia elettrica con l'effetto piezoelettrico

L'effetto piezoelettrico cambia energia meccanica in energia elettrica deformando determinati materiali cristallini.Questi materiali, noti come piezoelettrici includono sostanze naturali come il quarzo e quelle sintetiche come la ceramica avanzata.

Quando un materiale piezoelettrico affronta lo stress meccanico come essere spremuto, attorcigliato o piegato, la sua struttura cristallina, non ha una simmetria centrale e viene disturbato.Questo disturbo sposta i centri di carica nel cristallo causando polarizzazione e creando un potenziale elettrico in determinati punti del materiale.

Punti chiave di questo processo:

La carica elettrica prodotta corrisponde alla quantità di sollecitazione meccanica applicata.Ciò significa che l'uscita elettrica può essere controllata con precisione in base alla forza nota applicata;

Quando la forza viene rimossa, il materiale ritorna allo stato originale e la carica elettrica scompare.Ciò garantisce la durata e l'affidabilità del materiale bene per i dispositivi che devono funzionare bene ripetutamente.

Trasformare l'energia elettrica in energia meccanica con l'effetto piezoelettrico inverso

L'effetto piezoelettrico inverso cambia energia elettrica in energia meccanica.L'applicazione di una tensione elettrica a un materiale piezoelettrico crea un campo elettrico che cambia la struttura del reticolo cristallino, alterando le dimensioni del materiale.

Questo effetto viene utilizzato negli attuatori di precisione in strumenti ottici e sistemi di micro-posizionamento.L'effetto piezoelettrico inverso garantisce che piccoli ingressi elettrici comportino regolamenti meccanici controllati precisi, aiutando i progressi in robotica, tecnologia automobilistica, strumenti medici e telecomunicazioni.

La doppia capacità dell'effetto piezoelettrico di agire come trasduttore sia meccanico-elettrico che elettrico a meccanico supporta i progressi tecnologici.Collega i settori meccanici ed elettrici, espandendo l'ingegneria e l'innovazione moderna.

Figura 13: effetto piezoelettrico diretto e inverso

Confronto di materiali non piezoelettrici e piezoelettrici

I materiali non piezoelettrici e piezoelettrici sono diversi nel modo in cui gestiscono l'energia meccanica ed elettrica.I materiali non piezoelettrici come l'acciaio e l'alluminio possono condurre elettricità ma non creare una carica elettrica quando stressati.I materiali piezoelettrici, come il quarzo e alcune ceramiche, possono cambiare energia meccanica in energia elettrica a causa della loro speciale struttura cristallina.

I materiali non piezoelettrici hanno reticoli di cristalli simmetrici, quindi non producono un dipolo elettrico quando stressati.I materiali piezoelettrici hanno reticoli cristallini asimmetrici, che consentono loro di generare una carica elettrica quando sono sotto stress.Questa deformazione provoca la polarizzazione interna e la creazione di potenziale elettrico.

I materiali non piezoelettrici si comportano come conduttori o isolanti regolari in base alla loro mobilità elettronica e alla struttura della banda e non creano una carica elettrica quando deformati.I materiali piezoelettrici presentano due effetti: l'effetto piezoelettrico diretto, in cui lo stress meccanico genera una carica elettrica e l'effetto piezoelettrico inverso, in cui un campo elettrico provoca deformazione meccanica.Queste caratteristiche rendono i materiali piezoelettrici adatti all'uso in sensori e attuatori.

Grazie alle loro diverse proprietà, i materiali non piezoelettrici e piezoelettrici sono utilizzati in diverse applicazioni.I materiali non piezoelettrici sono utilizzati in componenti strutturali, cablaggio elettrico e parti elettroniche standard in cui la resistenza e la conducibilità sono importanti.I materiali piezoelettrici sono utilizzati in campi che richiedono un controllo preciso e una conversione di energia meccanica-elettrica, come apparecchiature ad ultrasuoni, dispositivi di posizionamento di precisione e vari sensori e attuatori buoni per le tecnologie avanzate.

Applicazioni di piezoelettricità

Elettronica di consumo: negli smartphone e in altri dispositivi, le parti piezoelettriche sono utilizzate in altoparlanti e microfoni.Trasformano i segnali elettrici in vibrazioni sonore o vibrazioni sonore in segnali elettrici per l'ingresso audio.

Industria automobilistica: le auto moderne utilizzano sensori piezoelettrici per molti scopi come il controllo dell'iniezione di carburante nei motori e il monitoraggio della pressione dei pneumatici.

Monitoraggio ambientale: i sensori piezoelettrici rilevano cambiamenti di pressione, vibrazioni e suoni.Sono utilizzati per controllare le condizioni ambientali e garantire la sicurezza di edifici e ponti.

Raccolta di energia: i materiali piezoelettrici possono catturare energia dallo stress meccanico.Ad esempio, i pavimenti che convertono i passi in energia elettrica possono alimentare luci ed elettronica in aree trafficate, contribuendo a creare ambienti sostenibili.

Accendini piezoelettrici ad alta tensione: questi accendini usati per illuminare le stufe a gas e i barbecue e creano un'alta tensione da un piccolo clic meccanico, producendo una scintilla per illuminare il bruciatore.Ciò dimostra l'uso pratico di materiali piezoelettrici.

Imaging medico: i cristalli piezoelettrici sono utili nelle macchine ad ultrasuoni.Producono onde sonore che rimbalzano su tessuti e organi, creando immagini per la diagnosi.

Attuatori di precisione in strumenti scientifici: materiali piezoelettrici in attuatori di precisione creano piccoli movimenti per l'ottica e la nanotecnologia.Questi attuatori regolano specchi, lenti e altre parti con precisione microscopica per la ricerca scientifica e la produzione di semiconduttori.

Conclusione

Studiare i materiali piezoelettrici mostra una forte connessione tra fisica e ingegneria, dimostrando come le loro proprietà naturali possono essere utilizzate per molti scopi tecnologici.La versatilità dei materiali piezoelettrici disponibili sia come materiali sfusi forti sia come film sottili flessibili, li rende adatti a varie applicazioni, come la raccolta energetica, il monitoraggio ambientale e lo sviluppo di tecnologie sostenibili.Man mano che l'innovazione continua, la ricerca e lo sviluppo nei materiali piezoelettrici sono più importanti, promettenti miglioramenti di efficienza, precisione e funzionalità per le tecnologie future.

Domande frequenti [FAQ]

1. Cosa causa la produzione di elettricità dall'effetto piezoelettrico?

L'effetto piezoelettrico si verifica quando alcuni materiali producono una carica elettrica in risposta alla sollecitazione meccanica.Questi materiali, un cristallo come il quarzo, ceramica come il bario titano e alcuni polimeri, possiedono una struttura reticolare cristallina che non è centrosimmetrica, il che significa che manca di un centro di simmetria.Quando viene applicata una forza meccanica come pressione o vibrazione, questa struttura viene distorta.Questa distorsione sposta gli ioni all'interno del reticolo, creando aree con cariche positive e negative.La separazione spaziale di queste cariche provoca un potenziale elettrico che genera elettricità.Questo effetto è reversibile e l'applicazione di un campo elettrico a questi materiali inducerà anche sollecitazioni meccaniche.

2. Quale dispositivo utilizza l'effetto piezoelettrico?

I dispositivi che utilizzano l'effetto piezoelettrico sono vari e includono attrezzature sia quotidiane che specializzate.Le applicazioni comuni sono:

Orologi al quarzo: usando le normali vibrazioni di quarzo in un campo elettrico per mantenere il tempo in modo accurato.

Dispositivi ad ultrasuoni medici: generazione di onde sonore che riecheggiano all'interno del corpo per creare immagini diagnostiche.

Iniettori di carburante nelle auto: utilizzando attuatori piezoelettrici per controllare i tempi e la quantità di carburante iniettati nei cilindri del motore.

Sensori piezoelettrici e accelerometri: misurazione di variazioni di pressione, accelerazione, deformazione o forza convertendoli in un segnale elettrico.

3. Quanti volt è un piezoele?

L'uscita di tensione di un elemento piezoelettrico può variare ampiamente a seconda delle dimensioni, del materiale e della quantità di sollecitazione meccanica applicata.Un piccolo elemento piezoelese come quelli trovati in accendini o dispositivi elettronici può produrre un picco di tensione che va da pochi volt a diverse centinaia di volt.Tuttavia, questi output sono generalmente a correnti molto basse e ultimo solo microsecondi.

4. Un piezo ha bisogno di una resistenza?

In molte applicazioni, un resistore viene utilizzato con un elemento piezoelettrico per limitare la corrente e proteggere altri componenti nel circuito dal picco di alta tensione prodotta quando il piezoele viene attivato.Il valore della resistenza dipende dai requisiti specifici del circuito, inclusi i tempi di risposta e la sensibilità desiderati.Senza un resistore, il piezo può potenzialmente danneggiare i componenti elettronici collegati a causa dell'elevato picco di tensione iniziale.

5. In che modo il piezoelettrico è correlato al potere umano?

L'effetto piezoelettrico è direttamente applicabile alla sfruttamento del potere umano in modi innovativi.Può convertire l'energia meccanica da attività umane, come i pulsanti di camminata o pressione, in energia elettrica.Questa tecnologia è esplorata in varie applicazioni:

Piastrelle da pavimento di raccolta di energia: queste piastrelle generano elettricità dalla pressione dei passi in aree trafficate come stazioni di metropolitana o centri commerciali.

Tecnologia indossabile: incorporare materiali piezoelettrici nelle scarpe o abbigliamento per generare energia per piccoli dispositivi attraverso movimenti normali del corpo.

Impianti medici: utilizzo dei movimenti del corpo per alimentare dispositivi come i pacemaker, riducendo o eliminando la necessità di batterie esterne.