Materiales Piezoeléctricos



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Todos los que trabajamos alguna vez con microcontroladores u osciladores precisos hemos empleado a estos simpaticos componentes, que desde su aparición posibilitaron grandes avances en la electrónica moderna.

Aunque son empleados por muchos, no son tantos los que conocen que es un material piezoeléctrico y a que se hace referencia cuando se nombra al famoso efecto piezoeléctrico. En está entrada hare un pequeño resumen acerca de este tema.

Materiales Piezoelectricos

Piezoelectricidad: La piezoelectricidad puede definirse como la propiedad que poseen algunas sustancias no conductoras, cristalinas (que no poseen centro de simetría), de presentar cargas eléctricas de signo contrario, en caras opuestas, cuando están sometidas a determinadas deformaciones mecánicas. El fenómeno es reversible, pues aplicando a las caras, una tensión
eléctrica, se produce una deformación mecánica proporcional al potencial eléctrico.

Fig 1. Proyección del Hexágono Atómico

Fig 1. Proyección del Hexágono Atómico

La deformación de un cristal no genera cargas eléctricas, pero produce un desplazamiento de las cargas propias del mismo; y en los cristales asimétricos, este desplazamiento provoca el llamado efecto piezoeléctrico.

La célula unitaria de cuarzo (Si–O2) está compuesta por 6 átomos de oxigeno, con dos cargas negativas cada uno, y 3 de silicio con cuatro cargas positivas cada uno.
La proyección del hexágono atómico (Figura 1) muestra los 3 átomos de silicio, y solo 3 de los 6 de oxígeno, dado que ellos se superponen 2 a 2.
Si se ejerce una presión, por ejemplo, en el sentido indicado por las flechas, se producen una deformación de la célula; un desplazamiento de las cargas, y el equilibrio eléctrico resulta alterado. Como consecuencia aparecen cargas de signo opuesto en la parte superior e inferior de la célula esquematizada.

Muchas sustancias cristalinas poseen propiedades piezoeléctricas, pero solamente algunas se usan a escala industrial; entre éstas, el cuarzo, la Sal de Rochelle, el titanato de bario, el fosfato dihidrogenado de amonio (ADP), etc..
De los cristales piezoeléctricos se cortan láminas que se usan fundamentalmente como patrones (o controles) de frecuencia, o como transductores.
Estas láminas, que se cortan siguiendo determinadas reglas, vinculadas a los ejes cristalográficos, se suelen llamar simplemente cristales.

Los cristales se usan como patrones de frecuencia, cuando la frecuencia de resonancia mecánica de los mismos es muy estable (por ejemplo, láminas convenientemente cortadas de un cristal de cuarzo); estos cristales al vibrar generan una tensión proporcional a la amplitud de la vibración, y de la misma frecuencia que ésta; y provistos de electrodos convenientes, tienen las características de un circuito resonante de muy alto Q y alta relación L/C, y se utilizan en circuitos filtros, o como elementos de realimentación selectiva en circuitos osciladores, entre otras aplicaciones.
El circuito equivalente de un cristal es el siguiente:

Fig 2. Circuito Equivalente de un Cristal

Fig 2. Circuito Equivalente de un Cristal

La capacidad en paralelo C1 corresponde a los electrodos soportes y al cableado, y puede llegar a tener un valor importante.
Esta capacidad hace que el cristal presente dos modos de resonancia: una resonancia serie fs y otra paralelo fp (Figura 3). Entre las dos suele haber una diferencia del orden de 1 a 2KHz. Normalmente se usa el modo de resonancia serie.

Fig 3. Variación de la Reactancia y la Impedancia en un Cristal.

Fig 3. Variación de la Reactancia y la Impedancia en un Cristal.

Los cristales piezoeléctricos se usan también como transductores, debido a que el efecto piezoeléctrico posibilita la conversión de energía mecánica en eléctrica o viceversa; ejemplos típicos son los cristales piezoeléctricos usados en micrófonos, fonocaptores, patrones de deformación, etc.. Para algunas de estas aplicaciones se usa el cuarzo, pero su efecto piezoeléctrico es relativamente débil, por lo que es más común el uso de la Sal de Rochelle, de las cerámicas piezoeléctricas, etc.

El cuarzo

El cuarzo, bióxido de silicio (Si–O2), es una sustancia que cristaliza en el sistema romboédrico, a simetría ternaria, es decir formando prismas hexagonales cerrados en sus extremos por romboides, con un eje óptico Z, tres ejes eléctricos X, paralelos a los lados del hexágono, y tres ejes mecánicos Y, perpendiculares a los lados del hexágono.
La estructura cristalográfica del cuarzo permite obtener, mediante cortes, láminas con propiedades piezoeléctricas. Estas láminas (cristales), con sus correspondiente electrodos, tienen las características de un circuito resonante con Q varias veces mayor que el que puede obtenerse con un circuito convencional de constante concentradas; la frecuencia de resonancia es, fundamentalmente, función de las dimensiones del cristal, del montaje y de la orientación del corte; esto último determina además, la actividad, el coeficiente de temperatura, y otras características del cristal.
Un cristal de cuarzo tiene varias resonancias, pues las oscilaciones pueden ser, longitudinales, transversales, de corte o de flexión.
Dando al cristal, y al soporte del mismo, formas adecuadas, pueden acentuarse un modo de resonancia y atenuarse las llamadas resonancias secundarias.

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Figura 4. Corte del Cuarzo. Coeficiente cero de Temperatura T.

Figura 4. Corte del Cuarzo. Coeficiente cero de Temperatura T.

Los primeros cristales utilizados, se obtienen de cortes perpendiculares a los ejes X e Y, cortes X e Y respectivamente. El corte Y, tiene un coeficiente de temperatura elevado y discontinuo; el corte X un coeficiente de temperatura también alto, pero mucho más continuo, lo que permite obtener una buena estabilidad cuando se usan hornos termostáticos. Sin embargo, este corte es menos activo que el Y.
En la actualidad existen muchos otros modos de corte. Para frecuencias comprendidas entre 500KHz y 6MHz, se usan preferentemente el corte AT (Figura 4); este corte tiene un excelente comportamiento térmico, pero por encima de los 6MHz los cristales son muy delgados y difíciles de obtener. Para frecuencias entre los 6 y 12MHz se usa preferentemente el corte BT.
Para  bajas frecuencias, del orden de 50 a 500KHz se usan los cortes CT y DT; y para frecuencias del orden de los 100KHz se recomienda el corte GT.
Cortes y pulidos especiales permiten que el cristal vibre en una armónica de su fundamental, se pueden obtener cristales con cortes AT y BT para funcionar en la 3ra ; 5ta y hasta 7ma armónica (Figura 5).

Cuando se usan cristales funcionando en armónicas, debe colocarse un circuito sintonizado en el oscilador para eliminar la frecuencia fundamental, y las otras armónicas, pues el cristal puede oscilar en una frecuencia que no es la deseada.

Los cristales se cortan utilizando discos de acero con esquirlas de diamante engarzadas en su periferia, o bien utilizando discos de acero de 0,5mm de espesor, alimentados con agua y glicerina con carborúndum (carburo de silicio artificial, utilizado como abrasivo) en polvo en suspensión. Los cristales obtenidos, después de los sucesivos cortes, son rigurosamente examinados y pulidos hasta obtener las dimensiones deseadas.

Figura 5. Corte del cuarzo. Bajo coeficiente de  temperatura T. Filtros de +5º.

Figura 5. Corte del cuarzo. Bajo coeficiente de temperatura T. Filtros de +5º.

Para el montaje, pueden metalizarse las caras del cristal en este caso se baja la frecuencia de resonancia del mismo.
El metalizado puede obtenerse cubriendo las caras con un barniz con óxido de plata en suspensión, y calentando los cristales, barnizados y secos a una temperatura del orden de los 300ºC, con lo cual el óxido de plata se reduce a plata metálica; otras veces la metalización de las caras puede obtenerse evaporando al vacío plata, oro o aluminio. A los electrodos así obtenidos se sueldan los conductores de conexionado con una aleación de bajo punto de fusión. Los puntos de soldadura deben corresponder a nudos de vibración.

Si se desea disminuir las perdidas puede encerrarse el cristal en una ampolla de vidrio, en la que se hace el vacío, ya que el aire atenúa las oscilaciones del cristal.
Otra forma de montaje es colocar los cristales entre electrodos mantenidos contra las caras del cristal, en contacto, o a una mínima distancia de las mismas. El ajuste de esta pequeña distancia permite variaciones de la frecuencia de oscilación, del orden del 0,3%.
Una vez montado el cristal, puede controlarse la frecuencia de resonancia y la presencia de resonancias no deseadas, con un montaje como el de la Figura 6 o similar. El mismo consiste en un oscilador de frecuencia variable, a cuya salida se conecta un cristal Q en serie con una resistencia R, un voltímetro de alta impedancia conectado entre los extremos de la resistencia indica tensión máxima cuando la frecuencia del oscilador coincida con la resonancia en serie; y tensión mínima cuando coincide con la de resonancia paralelo.
Si se sustituye el cristal por una resistencia variable puede determinarse el valor de la resistencia equivalente del cristal.

Figura 6. Montaje con resistencia.

Figura 6. Montaje con resistencia.

Cristales Solubles

Son cristales artificiales que se obtienen por cultivo.
Se parte de soluciones saturadas en caliente, y por enfriamiento o evaporación se forman y crecen dentro de la misma, los cristales.
El crecimiento debe ser lento si se desean obtener cristales perfectos. Para acelerar el proceso, se puede partir de trozos cortados de cristales grandes que actúan como gérmenes.
De los cristales solubles, el mas corriente es la Sal de Rochelle (Sal de Seignette), tartrato doble de sodio y potasio (K, Na, C4 O6 H2O).
Fue obtenido por primera vez, por un farmacéutico de la Rochelle (Francia), de nombre Seignette. Es un cristal ortorrómbico que debe sus propiedades físicas al ácido tartárico del cual proviene.
La sal de Rochelle es estable entre el 35% y el 85% de humedad relativa.
Por encima del 85% de humedad el cristal absorbe agua de la atmósfera y se disuelve lentamente. Para aminorar los efectos de la humedad se cubren los cristales con ceras que retardan, más bien, que evitan la deshidratación. La máxima temperatura a que puede estar expuesto este cristal es del orden de 45ºC. A los 55ºC pierden de forma permanente sus propiedades piezoeléctricas.

El corte de los cristales de sal de Rochelle como el de cualquier otro cristal soluble, se efectúa preferentemente, con un dispositivo similar a una sierra sinfín, provista de un sutil hilo de acero cuya principal misión es aportar agua, la que por disolución efectúa el corte, en la zona de contacto del hilo con el cristal, ya que el hilo no debe efectuar ninguna acción abrasiva sobre el cristal (Figura 7).

Las laminas de sal de Rochelle pueden montarse para trabajar a la torsión o a la flexión, y según cual sea el montaje, varía la orientación del corte.
Después de cortado, y antes de utilizarlo, los cristales se mantienen un cierto tiempo en armarios, a temperaturas controladas.
Para poder conectarlo al circuito eléctrico, se pegan a las dos caras de las láminas de cristal, electrodos, consistentes en hojitas de estaño o aluminio.
Otros cristales piezoeléctricos solubles son: el tartrato de etilendiamonio, tartrato de potasio, etc..

Figura 7. Corte de un Cristal con sierra sinfín.

Figura 7. Corte de un Cristal con sierra sinfín.

Cerámicas

El titanato de bario es una cerámica que presenta propiedades piezoeléctricas.
Los materiales piezoelectricos de titanato de bario, se fabrican por procesos cerámicos, y se los polariza enfriándolos desde temperaturas superiores a las de Curie, en un campo eléctrico intenso.
Se usan como transductores; su sensibilidad piezoeléctrica es algo inferior a la sal de Rochelle, pero tienen otras ventajas como: gran resistencia mecánica, resistencia a la humedad, y posibilidad de usarse dentro de un rango de temperaturas mayor, (hasta los 70ºC de temperatura; para  temperaturas superiores puede usarse el titanato de plomo).

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