Piezoelectricidad

Carga eléctrica generada en ciertos sólidos debido a esfuerzos mecánicos.

Balanza piezoeléctrica presentada por Pierre Curie a Lord Kelvin , Hunterian Museum , Glasgow

Piezoelectricidad ( / ˌ p iː z oʊ -, ˌ p iː t s oʊ -, p aɪ ˌ iː z oʊ -/ , US : / p i ˌ eɪ z oʊ -, p i ˌ eɪ t s oʊ -/ ) ^{[1 ]} es la carga eléctrica que se acumula en ciertos materiales sólidos (como cristales , ciertas cerámicas y materia biológica como huesos , ADN y diversas proteínas ) en respuesta al estrés mecánico aplicado . ^[2] La palabra piezoelectricidad significa electricidad resultante de la presión y el calor latente . Se deriva del griego antiguo πιέζω ( piézō )  'exprimir o presionar', y ἤλεκτρον ( ḗlektron )  ' ámbar ' (una antigua fuente de electricidad estática). ^{[3] [4]} La forma alemana de la palabra ( Piezoelektricität ) fue acuñada en 1881 por el físico alemán Wilhelm Gottlieb Hankel ; la palabra inglesa fue acuñada en 1883. ^{[5] [6]}

El efecto piezoeléctrico resulta de la interacción electromecánica lineal entre los estados mecánico y eléctrico en materiales cristalinos sin simetría de inversión . ^[7] El efecto piezoeléctrico es un proceso reversible : los materiales que exhiben el efecto piezoeléctrico también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso, la generación interna de una tensión mecánica resultante de un campo eléctrico aplicado . Por ejemplo, los cristales de titanato de circonato de plomo generarán piezoelectricidad mensurable cuando su estructura estática se deforme en aproximadamente un 0,1% de la dimensión original. Por el contrario, esos mismos cristales cambiarán aproximadamente un 0,1% de su dimensión estática cuando se aplique un campo eléctrico externo. El efecto piezoeléctrico inverso se utiliza en la producción de ondas de ultrasonido . ^[8]

Los físicos franceses Jacques y Pierre Curie descubrieron la piezoelectricidad en 1880. ^[9] El efecto piezoeléctrico se ha explotado en muchas aplicaciones útiles, incluida la producción y detección de sonido, la impresión piezoeléctrica por inyección de tinta , la generación de electricidad de alto voltaje y como generador de reloj en dispositivos electrónicos. , en microbalanzas , para accionar una boquilla ultrasónica y en enfoque ultrafino de conjuntos ópticos. Constituye la base para los microscopios de sonda de barrido que resuelven imágenes a escala de átomos . Se utiliza en las pastillas de algunas guitarras amplificadas electrónicamente y como disparador en la mayoría de las baterías electrónicas modernas . ^{[10] [11]} El efecto piezoeléctrico también encuentra usos cotidianos, como generar chispas para encender dispositivos de calefacción y cocina de gas, antorchas y encendedores de cigarrillos .

Historia

Descubrimiento e investigación temprana.

El efecto piroeléctrico , mediante el cual un material genera un potencial eléctrico en respuesta a un cambio de temperatura, fue estudiado por Carl Linneo y Franz Aepinus a mediados del siglo XVIII. Basándose en este conocimiento, tanto René Just Haüy como Antoine César Becquerel propusieron una relación entre la tensión mecánica y la carga eléctrica; sin embargo, los experimentos de ambos no resultaron concluyentes. ^[12]

Vista del cristal piezoeléctrico en la parte superior de un compensador Curie en el Museo de Escocia.

La primera demostración del efecto piezoeléctrico directo fue en 1880 por los hermanos Pierre Curie y Jacques Curie . ^[13] Combinaron su conocimiento de la piroelectricidad con su comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes que dieron lugar a la piroelectricidad para predecir el comportamiento de los cristales, y demostraron el efecto utilizando cristales de turmalina , cuarzo , topacio , azúcar de caña y sal de Rochelle (tartrato de sodio y potasio) . tetrahidrato). El cuarzo y la sal de Rochelle exhibieron la mayor piezoelectricidad.

Un disco piezoeléctrico genera un voltaje cuando se deforma (el cambio de forma es muy exagerado).

Los Curie, sin embargo, no predijeron el efecto piezoeléctrico inverso. El efecto inverso fue deducido matemáticamente a partir de principios termodinámicos fundamentales por Gabriel Lippmann en 1881. ^[14] Los Curie confirmaron inmediatamente la existencia del efecto inverso, ^[15] y obtuvieron pruebas cuantitativas de la completa reversibilidad de los procesos electroelasto-mecánicos. Deformaciones en cristales piezoeléctricos.

Durante las siguientes décadas, la piezoelectricidad siguió siendo una especie de curiosidad de laboratorio, aunque fue una herramienta vital en el descubrimiento del polonio y el radio por Pierre y Marie Curie en 1898. Se trabajó más para explorar y definir las estructuras cristalinas que exhibían piezoelectricidad. Esto culminó en 1910 con la publicación del Lehrbuch der Kristallphysik ( Libro de texto sobre física de cristales ) de Woldemar Voigt , ^[16] que describía las 20 clases de cristales naturales capaces de producir piezoelectricidad y definía rigurosamente las constantes piezoeléctricas mediante análisis tensorial .

Primera Guerra Mundial y años de entreguerras

La primera aplicación práctica de los dispositivos piezoeléctricos fue el sonar , desarrollado por primera vez durante la Primera Guerra Mundial . En Francia , en 1917, Paul Langevin y sus compañeros de trabajo desarrollaron un detector submarino ultrasónico . ^[17] El detector constaba de un transductor , hecho de finos cristales de cuarzo cuidadosamente pegados entre dos placas de acero, y un hidrófono para detectar el eco devuelto . Al emitir un pulso de alta frecuencia desde el transductor y medir la cantidad de tiempo que se tarda en escuchar un eco de las ondas sonoras que rebotan en un objeto, se puede calcular la distancia hasta ese objeto.

El uso de la piezoelectricidad en el sonar y el éxito de ese proyecto crearon un intenso interés de desarrollo en los dispositivos piezoeléctricos. Durante las siguientes décadas, se exploraron y desarrollaron nuevos materiales piezoeléctricos y nuevas aplicaciones para esos materiales.

Los dispositivos piezoeléctricos encontraron su lugar en muchos campos. Los cartuchos de fonógrafo de cerámica simplificaron el diseño de los reproductores, eran baratos y precisos, e hicieron que los tocadiscos fueran más baratos de mantener y más fáciles de construir. El desarrollo del transductor ultrasónico permitió medir fácilmente la viscosidad y la elasticidad en fluidos y sólidos, lo que dio lugar a enormes avances en la investigación de materiales. Los reflectómetros ultrasónicos en el dominio del tiempo (que envían un pulso ultrasónico a través de un material y miden los reflejos de las discontinuidades) podrían encontrar fallas dentro de objetos de piedra y metal fundido, mejorando la seguridad estructural.

Segunda Guerra Mundial y posguerra

Durante la Segunda Guerra Mundial , grupos de investigación independientes en los Estados Unidos , la URSS y Japón descubrieron una nueva clase de materiales sintéticos, llamados ferroeléctricos , que exhibían constantes piezoeléctricas muchas veces superiores a las de los materiales naturales. Esto llevó a una intensa investigación para desarrollar materiales de titanato de bario y más tarde de titanato de circonato de plomo con propiedades específicas para aplicaciones particulares.

Un ejemplo significativo del uso de cristales piezoeléctricos fue desarrollado por Bell Telephone Laboratories . Después de la Primera Guerra Mundial, Frederick R. Lack, que trabajaba en radiotelefonía en el departamento de ingeniería, desarrolló el cristal "cortado AT", un cristal que funcionaba en un amplio rango de temperaturas. El cristal de Lack no necesitaba los accesorios pesados ​​que usaba el cristal anterior, lo que facilitaba su uso en aviones. Este desarrollo permitió a las fuerzas aéreas aliadas participar en ataques masivos coordinados mediante el uso de radio de aviación.

El desarrollo de dispositivos y materiales piezoeléctricos en los Estados Unidos se mantuvo dentro de las empresas que realizaban el desarrollo, principalmente debido a los inicios del campo en tiempos de guerra, y en aras de asegurar patentes rentables. Los primeros materiales fueron los primeros en desarrollarse: los cristales de cuarzo fueron el primer material piezoeléctrico explotado comercialmente, pero los científicos buscaron materiales de mayor rendimiento. A pesar de los avances en materiales y la maduración de los procesos de fabricación, el mercado estadounidense no creció tan rápidamente como lo hizo el japonés. Sin muchas aplicaciones nuevas, el crecimiento de la industria piezoeléctrica de Estados Unidos se vio afectado.

In contrast, Japanese manufacturers shared their information, quickly overcoming technical and manufacturing challenges and creating new markets. In Japan, a temperature stable crystal cut was developed by Issac Koga. Japanese efforts in materials research created piezoceramic materials competitive to the United States materials but free of expensive patent restrictions. Major Japanese piezoelectric developments included new designs of piezoceramic filters for radios and televisions, piezo buzzers and audio transducers that can connect directly to electronic circuits, and the piezoelectric igniter, which generates sparks for small engine ignition systems and gas-grill lighters, by compressing a ceramic disc. Ultrasonic transducers that transmit sound waves through air had existed for quite some time but first saw major commercial use in early television remote controls. These transducers now are mounted on several car models as an echolocation device, helping the driver determine the distance from the car to any objects that may be in its path.

Mechanism

Piezoelectric plate used to convert audio signal to sound waves

The nature of the piezoelectric effect is closely related to the occurrence of electric dipole moments in solids. The latter may either be induced for ions on crystal lattice sites with asymmetric charge surroundings (as in BaTiO₃ and PZTs) or may directly be carried by molecular groups (as in cane sugar). The dipole density or polarization (dimensionality [C·m/m³] ) may easily be calculated for crystals by summing up the dipole moments per volume of the crystallographic unit cell.^[18] As every dipole is a vector, the dipole density P is a vector field. Dipoles near each other tend to be aligned in regions called Weiss domains. The domains are usually randomly oriented, but can be aligned using the process of poling (not the same as magnetic poling), a process by which a strong electric field is applied across the material, usually at elevated temperatures. Not all piezoelectric materials can be poled.^[19]

De importancia decisiva para el efecto piezoeléctrico es el cambio de polarización P al aplicar una tensión mecánica . Esto podría deberse a una reconfiguración del entorno inductor de dipolos o a una reorientación de los momentos dipolares moleculares bajo la influencia de la tensión externa. La piezoelectricidad puede entonces manifestarse en una variación de la fuerza de polarización, su dirección o ambas, dependiendo los detalles de: 1. la orientación de P dentro del cristal; 2. simetría cristalina ; y 3. la tensión mecánica aplicada. El cambio en P aparece como una variación de la densidad de carga superficial sobre las caras del cristal, es decir, como una variación del campo eléctrico que se extiende entre las caras causada por un cambio en la densidad dipolar en la masa. Por ejemplo, un cubo de cuarzo de 1 cm 3 ^con 2 kN (500 lbf) de fuerza aplicada correctamente puede producir un voltaje de 12 500 V. ^[20]

Los materiales piezoeléctricos también muestran el efecto opuesto, llamado efecto piezoeléctrico inverso , donde la aplicación de un campo eléctrico crea una deformación mecánica en el cristal.

Descripción matemática

La piezoelectricidad lineal es el efecto combinado de

• El comportamiento eléctrico lineal del material:

${\displaystyle \mathbf {D} ={\boldsymbol {\varepsilon }}\,\mathbf {E} \quad \implies }$ ${\displaystyle \quad D_{i}=\sum _{j}\varepsilon _{ij}\,E_{j}\;}$

donde D es la densidad de flujo eléctrico ^{[21] [22]} ( desplazamiento eléctrico ), ε es la permitividad (constante dieléctrica de cuerpo libre), E es la intensidad del campo eléctrico , y ,. ${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {D} =0}$ ${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =\mathbf {0} }$

• Ley de Hooke para materiales elásticos lineales:

${\displaystyle {\boldsymbol {S}}={\mathsf {s}}\,{\boldsymbol {T}}\quad \implies \quad S_{ij}=\sum _{k,\ell }s_{ijk\ell }\,T_{k\ell }\;}$

donde S es la deformación linealizada , s es el cumplimiento en condiciones de cortocircuito, T es la tensión y

${\displaystyle \nabla \cdot {\boldsymbol {T}}=\mathbf {0} \,\,,\,{\boldsymbol {S}}={\frac {\nabla \mathbf {u} +\mathbf {u} \nabla }{2}},}$

donde u es el vector de desplazamiento .

Estos pueden combinarse en las llamadas ecuaciones acopladas , cuya forma deformación-carga es: ^[23]

${\displaystyle {\begin{aligned}{\boldsymbol {S}}&={\mathsf {s}}\,{\boldsymbol {T}}+{\mathfrak {d}}^{t}\,\mathbf {E} \ &&\implies \quad S_{ij}=\sum _{k,\ell }s_{ijk\ell }\,T_{k\ell }+\sum _{k}d_{ijk}^{t}\,E_{k},\\[6pt]\mathbf {D} &={\mathfrak {d}}\,{\boldsymbol {T}}+{\boldsymbol {\varepsilon }}\,\mathbf {E} &&\implies \quad D_{i}=\sum _{j,k}d_{ijk}\,T_{jk}+\sum _{j}\varepsilon _{ij}\,E_{j},\end{aligned}}}$

donde está el tensor piezoeléctrico y el superíndice t representa su transpuesta. Debido a la simetría de , . ${\displaystyle {\mathfrak {d}}}$ ${\displaystyle {\mathfrak {d}}}$ ${\displaystyle d_{ijk}^{t}=d_{kji}=d_{kij}}$

En forma matricial,

${\displaystyle {\begin{aligned}\{S\}&=\left[s^{E}\right]\{T\}+[d^{\mathrm {t} }]\{E\},\\[6pt]\{D\}&=[d]\{T\}+\left[\varepsilon ^{T}\right]\{E\},\end{aligned}}}$

donde [ d ] es la matriz del efecto piezoeléctrico directo y [ d ^t ] es la matriz del efecto piezoeléctrico inverso. El superíndice E indica un campo eléctrico cero o constante; el superíndice T indica un campo de tensión cero o constante; y el superíndice t significa transposición de una matriz .

Observe que el tensor de tercer orden asigna vectores a matrices simétricas. No existen tensores invariantes de rotación no triviales que tengan esta propiedad, razón por la cual no existen materiales piezoeléctricos isotrópicos. ${\displaystyle {\mathfrak {d}}}$

La carga de deformación para un material de clase de cristal de 4 mm (C _4v ) (como una cerámica piezoeléctrica polarizada como PZT tetragonal o BaTiO ₃ ), así como de clase de cristal de 6 mm , también se puede escribir como (ANSI IEEE 176):

${\displaystyle {\begin{aligned}&{\begin{bmatrix}S_{1}\\S_{2}\\S_{3}\\S_{4}\\S_{5}\\S_{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}s_{11}^{E}&s_{12}^{E}&s_{13}^{E}&0&0&0\\s_{21}^{E}&s_{22}^{E}&s_{23}^{E}&0&0&0\\s_{31}^{E}&s_{32}^{E}&s_{33}^{E}&0&0&0\\0&0&0&s_{44}^{E}&0&0\\0&0&0&0&s_{55}^{E}&0\\0&0&0&0&0&s_{66}^{E}=2\left(s_{11}^{E}-s_{12}^{E}\right)\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}T_{1}\\T_{2}\\T_{3}\\T_{4}\\T_{5}\\T_{6}\end{bmatrix}}+{\begin{bmatrix}0&0&d_{31}\\0&0&d_{32}\\0&0&d_{33}\\0&d_{24}&0\\d_{15}&0&0\\0&0&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}E_{1}\\E_{2}\\E_{3}\end{bmatrix}}\\[8pt]&{\begin{bmatrix}D_{1}\\D_{2}\\D_{3}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}0&0&0&0&d_{15}&0\\0&0&0&d_{24}&0&0\\d_{31}&d_{32}&d_{33}&0&0&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}T_{1}\\T_{2}\\T_{3}\\T_{4}\\T_{5}\\T_{6}\end{bmatrix}}+{\begin{bmatrix}{\varepsilon }_{11}&0&0\\0&{\varepsilon }_{22}&0\\0&0&{\varepsilon }_{33}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}E_{1}\\E_{2}\\E_{3}\end{bmatrix}}\end{aligned}}}$

donde la primera ecuación representa la relación para el efecto piezoeléctrico inverso y la última para el efecto piezoeléctrico directo. ^[24]

Aunque las ecuaciones anteriores son la forma más utilizada en la literatura, son necesarios algunos comentarios sobre la notación. Generalmente, D y E son vectores , es decir, tensores cartesianos de rango 1; y la permitividad ε es un tensor cartesiano de rango 2. La deformación y la tensión son, en principio, también tensores de rango 2 . Pero convencionalmente, debido a que la deformación y la tensión son tensores simétricos, el subíndice de deformación y tensión se puede reetiquetar de la siguiente manera: 11 → 1; 22 → 2; 33 → 3; 23 → 4; 13 → 5; 12 → 6. (Diferentes autores pueden usar diferentes convenciones en la literatura. Por ejemplo, algunos usan 12 → 4; 23 → 5; 31 → 6 en su lugar). Es por eso que S y T parecen tener la "forma vectorial" de seis componentes. En consecuencia, s parece ser una matriz de 6 por 6 en lugar de un tensor de rango 3. Esta notación reetiquetada suele denominarse notación de Voigt . Si los componentes de deformación por corte S ₄ , S ₅ , S ₆ son componentes tensoriales o deformaciones de ingeniería es otra cuestión. En la ecuación anterior, deben ser deformaciones de ingeniería para que el coeficiente 6,6 de la matriz de cumplimiento se escriba como se muestra, es decir, 2( s^mi
₁₁ −  s^mi
₁₂). Las deformaciones de corte de ingeniería son el doble del valor del corte tensorial correspondiente, como S ₆  = 2 S ₁₂ y así sucesivamente. Esto también significa que s ₆₆  = 1/G ₁₂, donde G ₁₂ es el módulo de corte.

En total, hay cuatro coeficientes piezoeléctricos, d _ij , e _ij , g _ij y h _ij, definidos de la siguiente manera:

${\displaystyle {\begin{aligned}d_{ij}&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial D_{i}}{\partial T_{j}}}\right)^{E}&&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial S_{j}}{\partial E_{i}}}\right)^{T}\\[6pt]e_{ij}&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial D_{i}}{\partial S_{j}}}\right)^{E}&&=-\left({\frac {\partial T_{j}}{\partial E_{i}}}\right)^{S}\\[6pt]g_{ij}&=-\left({\frac {\partial E_{i}}{\partial T_{j}}}\right)^{D}&&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial S_{j}}{\partial D_{i}}}\right)^{T}\\[6pt]h_{ij}&=-\left({\frac {\partial E_{i}}{\partial S_{j}}}\right)^{D}&&=-\left({\frac {\partial T_{j}}{\partial D_{i}}}\right)^{S}\end{aligned}}}$

donde el primer conjunto de cuatro términos corresponde al efecto piezoeléctrico directo y el segundo conjunto de cuatro términos corresponde al efecto piezoeléctrico inverso. La igualdad entre el tensor piezoeléctrico directo y la transpuesta del tensor piezoeléctrico inverso se origina en las relaciones de termodinámica de Maxwell . ^[25] Para aquellos cristales piezoeléctricos para los cuales la polarización es del tipo inducida por campo cristalino, se ha elaborado un formalismo que permite el cálculo de coeficientes piezoeléctricos d _ij a partir de constantes de red electrostáticas o constantes de Madelung de orden superior . ^[18]

clases de cristal

Cualquier carga espacialmente separada dará como resultado un campo eléctrico y, por tanto, un potencial eléctrico . Aquí se muestra un dieléctrico estándar en un condensador . En un dispositivo piezoeléctrico, la tensión mecánica, en lugar de un voltaje aplicado externamente, provoca la separación de carga en los átomos individuales del material.

De las 32 clases de cristales , 21 son no centrosimétricos (no tienen centro de simetría) y de estos, 20 exhiben piezoelectricidad directa ^[26] (el 21 es la clase cúbica 432). Diez de ellos representan las clases de cristales polares, ^[27] que muestran una polarización espontánea sin estrés mecánico debido a un momento dipolar eléctrico que no desaparece asociado con su celda unitaria, y que exhiben piroelectricidad . Si se puede revertir el momento dipolar aplicando un campo eléctrico externo, se dice que el material es ferroeléctrico .

• Las 10 clases de cristales polares (piroeléctricos): 1, 2, m, mm2, 4, 4 mm, 3, 3 m, 6, 6 mm.
• Las otras 10 clases de cristales piezoeléctricos: 222, 4 , 422, 4 2m, 32, 6 , 622, 6 2m, 23, 4 3m.

Para cristales polares, para los cuales P  ≠ 0 se cumple sin aplicar una carga mecánica, el efecto piezoeléctrico se manifiesta cambiando la magnitud o la dirección de P o ambas.

Por otro lado, para los cristales no polares pero piezoeléctricos, una polarización P diferente de cero sólo se obtiene aplicando una carga mecánica. Para ellos, se puede imaginar que la tensión transforma el material de una clase cristalina no polar ( P  = 0) a una polar, ^[18] teniendo P  ≠ 0.

Materiales

Muchos materiales exhiben piezoelectricidad.

Materiales cristalinos

• Langasita (La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ ): un cristal análogo al cuarzo
• Ortofosfato de galio (GaPO ₄ ): un cristal análogo al cuarzo
• Niobato de litio (LiNbO ₃ )
• Tantalato de litio (LiTaO ₃ )
• Cuarzo
• Berlinita (AlPO ₄ ): un raro mineral de fosfato que es estructuralmente idéntico al cuarzo.
• Sal de Rochela
• Topacio: la piezoelectricidad en el topacio probablemente se puede atribuir al ordenamiento de (F,OH) en su red, que por lo demás es centrosimétrica: bipiramidal ortorrómbica (mmm). El topacio tiene propiedades ópticas anómalas que se atribuyen a dicho ordenamiento. ^[28]
• Minerales del grupo turmalina
• Titanato de plomo (PbTiO ₃ ): aunque se presenta en la naturaleza como macedonita mineral, ^{[29] [30]} se sintetiza para investigación y aplicaciones.

Cerámica

Celda unitaria tetragonal de titanato de plomo.

Las cerámicas con granos orientados aleatoriamente deben ser ferroeléctricas para exhibir piezoelectricidad. ^[31] La aparición de crecimiento anormal de grano (AGG) en cerámicas piezoeléctricas policristalinas sinterizadas tiene efectos perjudiciales sobre el rendimiento piezoeléctrico en tales sistemas y debe evitarse, ya que la microestructura en las piezocerámicas que exhiben AGG tiende a consistir en unos pocos granos alargados anormalmente grandes en un Matriz de granos más finos orientados aleatoriamente. La piezoelectricidad macroscópica es posible en materiales piezoeléctricos no ferroeléctricos policristalinos texturizados, como AlN y ZnO. Las familias de cerámicas con perovskita , tungsteno - bronce y estructuras relacionadas exhiben piezoelectricidad:

• Titanato de circonato de plomo ( Pb [ Zr _x Ti _{1− x} ] O ₃ con 0 ≤  x  ≤ 1): más comúnmente conocido como PZT, la cerámica piezoeléctrica más común que se utiliza en la actualidad.
• Niobato de potasio (KNbO ₃ ) ^[32]
• Tungstato de sodio (Na ₂ WO ₃ )
• Ba ₂ NaNb ₅ O ₅
• Pb ₂ KNb ₅ O ₁₅
• Óxido de zinc (ZnO) – Estructura wurtzita . Mientras que los monocristales de ZnO son piezoeléctricos y piroeléctricos, el ZnO policristalino (cerámico) con granos orientados aleatoriamente no presenta efecto piezoeléctrico ni piroeléctrico. Al no ser ferroeléctrico, el ZnO policristalino no puede polarizarse como el titanato de bario o el PZT. Las cerámicas y las películas delgadas policristalinas de ZnO pueden exhibir piezoelectricidad y piroelectricidad macroscópicas solo si están texturizadas (los granos están preferentemente orientados), de modo que las respuestas piezoeléctricas y piroeléctricas de todos los granos individuales no se cancelen. Esto se logra fácilmente en películas delgadas policristalinas. ^[24]

Piezocerámicas sin plomo

• Niobato de sodio y potasio ((K,Na)NbO ₃ ). Este material también se conoce como NKN o KNN. En 2004, un grupo de investigadores japoneses dirigido por Yasuyoshi Saito descubrió una composición de niobato de sodio y potasio con propiedades cercanas a las del PZT, incluida una alta T _C . ^[33] Se ha demostrado que ciertas composiciones de este material retienen un alto factor de calidad mecánica ( Q _m  ≈ 900) con niveles de vibración crecientes, mientras que el factor de calidad mecánica del PZT duro se degrada en tales condiciones. Este hecho convierte a NKN en un sustituto prometedor para aplicaciones de resonancia de alta potencia, como los transformadores piezoeléctricos. ^[34]
• Ferrita de bismuto (BiFeO ₃ ): un candidato prometedor para sustituir las cerámicas a base de plomo.
• Niobato de sodio (NaNbO ₃ )
• Titanato de bario (BaTiO ₃ ): el titanato de bario fue la primera cerámica piezoeléctrica descubierta.
• Titanato de bismuto (Bi ₄ Ti ₃ O ₁₂ )
• Titanato de bismuto de sodio (NaBi(TiO ₃ ) ₂ )

La fabricación de piezocerámicas sin plomo plantea múltiples desafíos, desde el punto de vista medioambiental y su capacidad para replicar las propiedades de sus homólogos a base de plomo. Al eliminar el componente de plomo de la piezocerámica, el riesgo de toxicidad para los humanos disminuye, pero la extracción de materiales puede ser perjudicial para el medio ambiente. ^[35] El análisis del perfil medioambiental del PZT frente al niobato sódico y potásico (NKN o KNN) muestra que, en los cuatro indicadores considerados (consumo de energía primaria, huella toxicológica, ecoindicador 99 y emisiones de gases de efecto invernadero de entrada-salida), KNN en realidad es más perjudicial para el medio ambiente. La mayoría de las preocupaciones con KNN, específicamente su componente Nb ₂ O ₅ , se encuentran en la fase inicial de su ciclo de vida antes de que llegue a los fabricantes. Dado que los impactos dañinos se concentran en estas primeras fases, se pueden tomar algunas acciones para minimizar los efectos. Devolver la tierra a su forma original después de la extracción de Nb ₂ O ₅ mediante la deconstrucción de una presa o el reemplazo de una reserva de suelo utilizable son ayudas conocidas para cualquier evento de extracción. Para minimizar los efectos en la calidad del aire, aún es necesario realizar modelos y simulaciones para comprender completamente qué métodos de mitigación se requieren. La extracción de componentes piezocerámicos sin plomo no ha crecido a una escala significativa en este momento, pero desde los primeros análisis, los expertos recomiendan precaución en lo que respecta a los efectos ambientales.

La fabricación de piezocerámicas sin plomo enfrenta el desafío de mantener el rendimiento y la estabilidad de sus contrapartes a base de plomo. En general, el principal desafío de fabricación es crear los "límites de fase morfotrópicos (MPB)" que proporcionan a los materiales sus propiedades piezoeléctricas estables sin introducir los "límites de fase polimórficos (PPB)" que disminuyen la estabilidad de la temperatura del material. ^[36] Se crean nuevos límites de fase variando las concentraciones de aditivos para que las temperaturas de transición de fase converjan a temperatura ambiente. La introducción del MPB mejora las propiedades piezoeléctricas, pero si se introduce un PPB, el material se ve afectado negativamente por la temperatura. Se están realizando investigaciones para controlar el tipo de límites de fase que se introducen mediante ingeniería de fase, transiciones de fase de difusión, ingeniería de dominio y modificación química.

Semiconductores III – V y II – VI

Se puede crear un potencial piezoeléctrico en cualquier cristal semiconductor nanoestructurado o en masa que tenga simetría no central, como los materiales del Grupo III - V y II - VI , debido a la polarización de los iones bajo tensión y tensión aplicadas. Esta propiedad es común a las estructuras cristalinas de zincblenda y wurtzita . De primer orden, sólo hay un coeficiente piezoeléctrico independiente en la zincblenda , llamado e ₁₄ , acoplado a los componentes de corte de la deformación. En cambio, en la wurtzita , hay tres coeficientes piezoeléctricos independientes: e ₃₁ , e ₃₃ y e ₁₅ . Los semiconductores donde se observa la piezoelectricidad más fuerte son los que se encuentran comúnmente en la estructura de wurtzita , es decir, GaN , InN , AlN y ZnO (ver piezotrónica ).

Desde 2006, también ha habido una serie de informes sobre fuertes efectos piezoeléctricos no lineales en semiconductores polares . ^[37] Se reconoce generalmente que tales efectos son al menos importantes, si no del mismo orden de magnitud, que la aproximación de primer orden.

Polímeros

La respuesta piezoeléctrica de los polímeros no es tan alta como la respuesta de la cerámica; sin embargo, los polímeros tienen propiedades que las cerámicas no tienen. Durante las últimas décadas, se han estudiado y aplicado polímeros piezoeléctricos no tóxicos debido a su flexibilidad y menor impedancia acústica . ^[38] Otras propiedades que hacen que estos materiales sean importantes incluyen su biocompatibilidad , biodegradabilidad , bajo costo y bajo consumo de energía en comparación con otros piezomateriales (cerámica, etc.). ^[39] Se pueden utilizar polímeros piezoeléctricos y compuestos poliméricos no tóxicos dadas sus diferentes propiedades físicas.

Los polímeros piezoeléctricos se pueden clasificar en polímeros en masa, polímeros con carga vacía ("piezoelectretos") y compuestos poliméricos. La respuesta piezoeléctrica observada por los polímeros a granel se debe principalmente a su estructura molecular. Hay dos tipos de polímeros a granel: amorfos y semicristalinos . Ejemplos de polímeros semicristalinos son el fluoruro de polivinilideno (PVDF) y sus copolímeros , las poliamidas y el parileno-C . Los polímeros no cristalinos, como la poliimida y el cloruro de polivinilideno (PVDC), se incluyen en la categoría de polímeros amorfos en masa. Los polímeros cargados vacíos exhiben el efecto piezoeléctrico debido a la carga inducida por la polarización de una película polimérica porosa. Bajo un campo eléctrico, se forman cargas en la superficie de los huecos formando dipolos. Las respuestas eléctricas pueden ser causadas por cualquier deformación de estos huecos. El efecto piezoeléctrico también se puede observar en compuestos poliméricos integrando partículas cerámicas piezoeléctricas en una película de polímero. Un polímero no tiene que ser piezoactivo para ser un material eficaz para un compuesto polimérico. ^[39] En este caso, un material podría estar formado por una matriz inerte con un componente piezoactivo separado.

El PVDF exhibe piezoelectricidad varias veces mayor que el cuarzo. La respuesta piezoeléctrica observada en el PVDF es de aproximadamente 20 a 30 pC/N. Esto es un orden de 5 a 50 veces menor que el del titanato de circonato de plomo cerámico piezoeléctrico (PZT). ^{[38] [39]} La estabilidad térmica del efecto piezoeléctrico de los polímeros de la familia PVDF (es decir, fluoruro de vinilideno copolitrifluoroetileno) llega hasta 125 °C. Algunas aplicaciones del PVDF son sensores de presión, hidrófonos y sensores de ondas de choque. ^[38]

Debido a su flexibilidad, los compuestos piezoeléctricos se han propuesto como recolectores y nanogeneradores de energía. En 2018, Zhu et al. que se podría obtener una respuesta piezoeléctrica de aproximadamente 17 pC/N a partir del nanocompuesto PDMS/PZT con un 60% de porosidad. ^[40] En 2017 se informó sobre otro nanocompuesto de PDMS, en el que BaTiO ₃ se integró en PDMS para crear un nanogenerador transparente y estirable para el monitoreo fisiológico autoalimentado. ^[41] En 2016, se introdujeron moléculas polares en una espuma de poliuretano en la que se informaron altas respuestas de hasta 244 pC/N. ^[42]

Otros materiales

La mayoría de los materiales exhiben al menos respuestas piezoeléctricas débiles. Ejemplos triviales incluyen sacarosa (azúcar de mesa), ADN , proteínas virales, incluidas las de bacteriófagos . ^{[43] [44]} Se ha informado sobre un actuador basado en fibras de madera, llamadas fibras de celulosa . ^[39] Las respuestas de D33 para el polipropileno celular son de alrededor de 200 pC/N. Algunas aplicaciones del polipropileno celular son teclados musicales, micrófonos y sistemas de ecolocalización basados ​​en ultrasonido. ^[38] Recientemente, un solo aminoácido como la β-glicina también mostró un alto nivel piezoeléctrico (178 pmV ⁻¹ ) en comparación con otros materiales biológicos. ^[45]

Los líquidos iónicos fueron identificados recientemente como el primer líquido piezoeléctrico. ^[46]

Solicitud

Fuentes de alto voltaje y energía.

La piezoelectricidad directa de algunas sustancias, como el cuarzo, puede generar diferencias de potencial de miles de voltios.

• La aplicación más conocida es el encendedor de cigarrillos eléctrico : al presionar el botón, un martillo accionado por resorte golpea un cristal piezoeléctrico, produciendo una corriente eléctrica de voltaje suficientemente alto que fluye a través de una pequeña distancia de chispa , calentando y encendiendo así el gas. Las chispas portátiles que se utilizan para encender las estufas de gas funcionan de la misma manera, y muchos tipos de quemadores de gas ahora tienen sistemas de encendido piezoeléctricos incorporados.
• DARPA en Estados Unidos está investigando una idea similar en un proyecto llamado recolección de energía , que incluye un intento de alimentar equipos de campo de batalla mediante generadores piezoeléctricos integrados en las botas de los soldados . Sin embargo, estas fuentes de recolección de energía por asociación afectan al cuerpo. El esfuerzo de DARPA de aprovechar de 1 a 2 vatios del impacto continuo del zapato mientras se camina se abandonó debido a la impracticabilidad y la incomodidad de la energía adicional gastada por una persona que usa los zapatos. Otras ideas de recolección de energía incluyen Crowd Farm , que recolecta la energía de los movimientos humanos en estaciones de tren u otros lugares públicos ^{[47] [48]} y convierte una pista de baile para generar electricidad. ^[49] Las vibraciones de la maquinaria industrial también pueden ser recolectadas por materiales piezoeléctricos para cargar baterías para suministros de respaldo o para alimentar microprocesadores de baja potencia y radios inalámbricas. ^{[50] [51]}
• Un transformador piezoeléctrico es un tipo de multiplicador de voltaje de CA. A diferencia de un transformador convencional, que utiliza acoplamiento magnético entre entrada y salida, el transformador piezoeléctrico utiliza acoplamiento acústico . Se aplica un voltaje de entrada a lo largo de una corta longitud de una barra de material piezocerámico como PZT , creando una tensión alterna en la barra por el efecto piezoeléctrico inverso y haciendo que toda la barra vibre. La frecuencia de vibración se elige para que sea la frecuencia de resonancia del bloque, típicamente en el rango de 100  kilohercios a 1 megahercio. Luego, el efecto piezoeléctrico genera un voltaje de salida más alto en otra sección de la barra. Se han demostrado relaciones de aumento de más de 1000:1. ^{[ cita necesaria ]} Una característica adicional de este transformador es que, al operarlo por encima de su frecuencia resonante, se puede hacer que aparezca como una carga inductiva , lo cual es útil en circuitos que requieren un arranque suave controlado. ^[52] Estos dispositivos se pueden utilizar en inversores CC-CA para accionar lámparas fluorescentes de cátodo frío . Los transformadores piezoeléctricos son algunas de las fuentes de alto voltaje más compactas.

Sensores

Disco piezoeléctrico utilizado como pastilla de guitarra.

Muchas granadas propulsadas por cohetes utilizaban una mecha piezoeléctrica. En la foto, un RPG-7 ruso ^[53]

El principio de funcionamiento de un sensor piezoeléctrico es que una dimensión física, transformada en fuerza, actúa sobre dos caras opuestas del elemento sensor. Dependiendo del diseño de un sensor, se pueden utilizar diferentes "modos" para cargar el elemento piezoeléctrico: longitudinal, transversal y de corte.

La detección de variaciones de presión en forma de sonido es la aplicación más común de los sensores, por ejemplo, micrófonos piezoeléctricos (las ondas sonoras doblan el material piezoeléctrico, creando un voltaje cambiante) y pastillas piezoeléctricas para guitarras electroacústicas . Un sensor piezoeléctrico acoplado al cuerpo de un instrumento se conoce como micrófono de contacto .

Los sensores piezoeléctricos se utilizan especialmente con sonido de alta frecuencia en transductores ultrasónicos para imágenes médicas y también para pruebas industriales no destructivas (NDT).

Para muchas técnicas de detección, el sensor puede actuar como sensor y actuador; a menudo se prefiere el término transductor cuando el dispositivo actúa con esta capacidad dual, pero la mayoría de los dispositivos piezoeléctricos tienen esta propiedad de reversibilidad, se use o no. Los transductores ultrasónicos, por ejemplo, pueden inyectar ondas ultrasónicas en el cuerpo, recibir la onda devuelta y convertirla en una señal eléctrica (un voltaje). La mayoría de los transductores de ultrasonido médicos son piezoeléctricos.

Además de las mencionadas anteriormente, varias aplicaciones de sensores y transductores incluyen:

• Los elementos piezoeléctricos también se utilizan en la detección y generación de ondas de sonar.
• Los materiales piezoeléctricos se utilizan en la detección de inclinación de un solo eje y de dos ejes. ^[54]
• Monitoreo de energía en aplicaciones de alta potencia (por ejemplo, tratamiento médico, sonoquímica y procesamiento industrial).
• Las microbalanzas piezoeléctricas se utilizan como sensores químicos y biológicos muy sensibles.
• Los piezoeléctricos se utilizan a veces en galgas extensométricas . Sin embargo, lo más habitual es que se utilice un elemento de efecto piezoresistivo .
• Se utilizó un transductor piezoeléctrico en el instrumento penetrómetro de la sonda Huygens .
• Los transductores piezoeléctricos se utilizan en pads de batería electrónica para detectar el impacto de las baquetas del baterista y para detectar movimientos musculares en aceleromiografía médica .
• Los sistemas de gestión de motores de automóviles utilizan transductores piezoeléctricos para detectar el golpe del motor (sensor de golpe, KS), también conocido como detonación, en determinadas frecuencias de hercios. También se utiliza un transductor piezoeléctrico en los sistemas de inyección de combustible para medir la presión absoluta del colector (sensor MAP) para determinar la carga del motor y, en última instancia, el tiempo de funcionamiento de los inyectores de combustible en milisegundos.
• Los sensores piezoeléctricos ultrasónicos se utilizan en la detección de emisiones acústicas en pruebas de emisiones acústicas .
• Los transductores piezoeléctricos se pueden utilizar en medidores de flujo ultrasónicos de tiempo de tránsito .

Actuadores

Disco metálico con disco piezoeléctrico adjunto, utilizado en un timbre.

Como los campos eléctricos muy elevados corresponden sólo a pequeños cambios en el ancho del cristal, este ancho se puede cambiar con una precisión superior a µm , lo que convierte a los cristales piezoeléctricos en la herramienta más importante para posicionar objetos con extrema precisión; de ahí su uso en actuadores . [ ^55] Las cerámicas multicapa, utilizando capas inferiores a 100 µm , permiten alcanzar altos campos eléctricos con voltajes inferiores a 150 V. Estas cerámicas se utilizan en dos tipos de actuadores: actuadores piezoeléctricos directos y actuadores piezoeléctricos amplificados . Mientras que la carrera del actuador directo es generalmente inferior a 100 µm , los actuadores piezoeléctricos amplificados pueden alcanzar carreras milimétricas.

• Altavoces : El voltaje se convierte en movimiento mecánico de un diafragma metálico.
• La limpieza ultrasónica suele utilizar elementos piezoeléctricos para producir ondas sonoras intensas en el líquido.
• Motores piezoeléctricos : Los elementos piezoeléctricos aplican una fuerza direccional a un eje , provocando que gire. Debido a las distancias extremadamente pequeñas, el motor piezoeléctrico se considera un sustituto de alta precisión del motor paso a paso .
• Los elementos piezoeléctricos se pueden utilizar en la alineación de espejos láser , donde se aprovecha su capacidad para mover una masa grande (el soporte del espejo) a distancias microscópicas para alinear electrónicamente algunos espejos láser. Al controlar con precisión la distancia entre espejos, la electrónica del láser puede mantener con precisión las condiciones ópticas dentro de la cavidad del láser para optimizar la salida del haz.
• Una aplicación relacionada es el modulador acústico-óptico , un dispositivo que dispersa la luz de ondas sonoras en un cristal, generadas por elementos piezoeléctricos. Esto es útil para ajustar la frecuencia de un láser.
• Los microscopios de fuerza atómica y los microscopios de efecto túnel emplean piezoelectricidad inversa para mantener la aguja sensora cerca de la muestra. ^[56]
• Impresoras de inyección de tinta : en muchas impresoras de inyección de tinta, se utilizan cristales piezoeléctricos para impulsar la expulsión de tinta desde el cabezal de impresión de inyección de tinta hacia el papel.
• Motores diésel : Los motores diésel common rail de alto rendimiento utilizan inyectores de combustible piezoeléctricos , desarrollados por primera vez por Robert Bosch GmbH , en lugar de los dispositivos de válvulas solenoides más comunes .
• Control activo de vibraciones mediante actuadores amplificados.
• Persianas de rayos X.
• Etapas XY para micro escaneo utilizadas en cámaras infrarrojas.
• Mover al paciente con precisión dentro de escáneres de CT y MRI activos donde la fuerte radiación o magnetismo impide los motores eléctricos. ^[57]
• Los auriculares de cristal a veces se utilizan en radios antiguas o de baja potencia.
• Se puede lograr ultrasonido enfocado de alta intensidad para calentamiento localizado o creación de cavitación localizada, por ejemplo, en el cuerpo del paciente o en un proceso químico industrial.
• Pantalla braille actualizable . Un pequeño cristal se expande aplicando una corriente que mueve una palanca para elevar las celdas braille individuales.
• Actuador piezoeléctrico. Un solo cristal o varios cristales se expanden aplicando un voltaje para mover y controlar un mecanismo o sistema. ^[55]
• Los actuadores piezoeléctricos se utilizan para el posicionamiento servo preciso en unidades de disco duro. ^{[58] [59]}

Estándar de frecuencia

Las propiedades piezoeléctricas del cuarzo son útiles como estándar de frecuencia .

• Los relojes de cuarzo emplean un oscilador de cristal hecho de cristal de cuarzo que utiliza una combinación de piezoelectricidad directa e inversa para generar una serie de pulsos eléctricos cronometrados regularmente que se utiliza para marcar el tiempo. El cristal de cuarzo (como cualquier material elástico ) tiene una frecuencia natural definida con precisión (causada por su forma y tamaño) a la que prefiere oscilar , y esto se utiliza para estabilizar la frecuencia de un voltaje periódico aplicado al cristal.
• El mismo principio se utiliza en algunos transmisores y receptores de radio , y en computadoras donde crea un pulso de reloj . Ambos suelen utilizar un multiplicador de frecuencia para alcanzar rangos de gigahercios.

Motores piezoeléctricos

Un actuador stick-slip

Los tipos de motores piezoeléctricos incluyen:

• El motor ultrasónico utilizado para el enfoque automático en cámaras réflex
• Motores de tornillo sin fin para movimiento lineal
• Motores rectangulares de cuatro cuadrantes con alta densidad de potencia (2,5  W /cm ³ ) y velocidades que oscilan entre 10 nm/s y 800 mm/s.
• Motor piezoeléctrico paso a paso, con efecto stick-slip .

Aparte del motor paso a paso, todos estos motores funcionan según el mismo principio. Impulsado por modos de vibración ortogonal dual con una diferencia de fase de 90°, el punto de contacto entre dos superficies vibra en una trayectoria elíptica , produciendo una fuerza de fricción entre las superficies. Por lo general, una superficie está fija y la otra se mueve. En la mayoría de los motores piezoeléctricos, el cristal piezoeléctrico se excita mediante una señal de onda sinusoidal a la frecuencia de resonancia del motor. Utilizando el efecto de resonancia, se puede utilizar un voltaje mucho más bajo para producir una alta amplitud de vibración.

Un motor stick-slip funciona utilizando la inercia de una masa y la fricción de una abrazadera. Estos motores pueden ser muy pequeños. Algunos se utilizan para el desplazamiento del sensor de la cámara, permitiendo así una función anti-vibración.

Reducción de vibraciones y ruidos.

Diferentes equipos de investigadores han estado investigando formas de reducir las vibraciones en materiales uniendo elementos piezoeléctricos al material. Cuando el material se dobla por una vibración en una dirección, el sistema de reducción de vibraciones responde a la curvatura y envía energía eléctrica al elemento piezoeléctrico para que se doble en la otra dirección. Se esperan futuras aplicaciones de esta tecnología en coches y casas para reducir el ruido. Durante casi tres décadas también se han estudiado otras aplicaciones a estructuras flexibles, como carcasas y placas.

En una demostración en la feria Material Vision en Frankfurt en noviembre de 2005, un equipo de TU Darmstadt en Alemania mostró varios paneles que fueron golpeados con un mazo de goma, y ​​el panel con el elemento piezoeléctrico dejó de balancearse inmediatamente.

La tecnología de fibra cerámica piezoeléctrica se utiliza como sistema de amortiguación electrónico en algunas raquetas de tenis HEAD . ^[60]

Todos los transductores piezoeléctricos tienen una frecuencia de resonancia fundamental y muchas frecuencias armónicas. Los sistemas de fluidos de caída bajo demanda impulsados ​​piezoeléctricamente son sensibles a vibraciones adicionales en la estructura piezoeléctrica que deben reducirse o eliminarse. Una empresa de inyección de tinta, Howtek, Inc, resolvió este problema reemplazando las boquillas de inyección de tinta de vidrio (rígidas) por boquillas de inyección de tinta Tefzel (blandas). Esta novedosa idea popularizó los inyectores de tinta de una sola boquilla y ahora se utilizan en impresoras de inyección de tinta 3D que funcionan durante años si se mantienen limpias por dentro y no se sobrecalientan (el Tefzel se arrastra bajo presión a temperaturas muy altas).

Tratamiento de infertilidad

En personas con fracaso total de fertilización previo , la activación piezoeléctrica de los ovocitos junto con la inyección intracitoplasmática de espermatozoides (ICSI) parece mejorar los resultados de la fertilización. ^[61]

Cirugía

La piezocirugía ^[62] es una técnica mínimamente invasiva que tiene como objetivo cortar un tejido objetivo con poco daño a los tejidos vecinos. Por ejemplo, Hoigne et al. ^[63] utiliza frecuencias en el rango de 25 a 29 kHz, lo que provoca microvibraciones de 60 a 210 μm. Tiene la capacidad de cortar tejido mineralizado sin cortar el tejido neurovascular y otros tejidos blandos, manteniendo así un área operatoria libre de sangre, mejor visibilidad y mayor precisión. ^[64]

Aplicaciones potenciales

En 2015, investigadores de la Universidad de Cambridge, trabajando en conjunto con investigadores del Laboratorio Nacional de Física y la compañía de antenas dieléctricas Antenova Ltd, con sede en Cambridge, utilizando películas delgadas de materiales piezoeléctricos, descubrieron que a una determinada frecuencia, estos materiales se convierten no solo en resonadores eficientes, sino también en radiadores eficientes. también, lo que significa que potencialmente pueden usarse como antenas. Los investigadores descubrieron que al someter las delgadas películas piezoeléctricas a una excitación asimétrica, la simetría del sistema se rompe de manera similar, lo que resulta en la correspondiente ruptura de la simetría del campo eléctrico y la generación de radiación electromagnética. ^{[65] [66]}

Han surgido varios intentos de aplicación a macroescala de la tecnología piezoeléctrica ^{[67] [68]} para recolectar energía cinética de peatones que caminan.

En este caso, localizar áreas de alto tráfico es fundamental para optimizar la eficiencia de recolección de energía, además la orientación del pavimento de baldosas afecta significativamente la cantidad total de energía recolectada. ^[69] Se recomienda una evaluación de densidad de flujo para evaluar cualitativamente el potencial de recolección de energía piezoeléctrica del área considerada en función del número de cruces de peatones por unidad de tiempo. ^[70] En el estudio de X. Li, se examina y discute la posible aplicación de un recolector de energía piezoeléctrica comercial en un edificio central de la Universidad Macquarie en Sydney, Australia. Se presenta la optimización del despliegue de losetas piezoeléctricas según la frecuencia de movilidad peatonal y se desarrolla un modelo donde el 3.1% del área total de piso con mayor movilidad peatonal está pavimentada con losetas piezoeléctricas. Los resultados del modelo indican que el potencial total anual de recolección de energía para el modelo de pavimento de losas optimizado propuesto se estima en 1,1 MWh/año, lo que sería suficiente para satisfacer cerca del 0,5% de las necesidades energéticas anuales del edificio. ^[70] En Israel, hay una empresa que ha instalado materiales piezoeléctricos debajo de una carretera muy transitada. La energía generada es suficiente para alimentar alumbrado público, vallas publicitarias y carteles. ^{[ cita necesaria ]}

La empresa de neumáticos Goodyear tiene planes de desarrollar un neumático generador de electricidad que tenga un material piezoeléctrico revestido en su interior. A medida que el neumático se mueve, se deforma y así se genera electricidad. ^[71]

La eficiencia de una célula fotovoltaica híbrida que contiene materiales piezoeléctricos se puede aumentar simplemente colocándola cerca de una fuente de ruido o vibración ambiental. El efecto se demostró con células orgánicas utilizando nanotubos de óxido de zinc . La electricidad generada por el propio efecto piezoeléctrico es un porcentaje insignificante de la producción total. Niveles de sonido tan bajos como 75 decibeles mejoraron la eficiencia hasta en un 50%. La eficiencia alcanzó su punto máximo a 10 kHz, la frecuencia de resonancia de los nanotubos. El campo eléctrico creado por los nanotubos vibrantes interactúa con los electrones que migran desde la capa de polímero orgánico. Este proceso disminuye la probabilidad de recombinación, en la que los electrones se energizan pero regresan a un agujero en lugar de migrar a la capa de ZnO que acepta electrones. ^{[72] [73]}

Ver también

• amplificador de carga
• electreto
• Componente electrónico
• Electroestricción
• Flexoelectricidad
• Magnetoestricción
• Efecto fotoeléctrico
• altavoz piezoeléctrico
• Piezoluminiscencia
• Piezomagnetismo
• Efecto piezoresistivo
• piezoquirúrgico
• Microbalanza de cristal de cuarzo.
• Sonomicrometría
• Onda acústica superficial
• Generador termoeléctrico
• Triboluminiscencia

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   • El artículo anterior también se publicó por separado como folleto: Hankel, WG (1881). Elektrische Untersuchungen. Fünfzehnte Abhandlung. Über die aktino- und piezoelektrischen Eigenschaften des Bergkrystalles und ihre Beziehung zu den thermoelektrischen (en alemán). Leipzig, Alemania: S. Hirzel. Ver pág. 462.
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Otras lecturas

• EN 50324 (2002) Propiedades piezoeléctricas de materiales y componentes cerámicos (3 partes)
• ANSI-IEEE 176 (1987) Estándar sobre piezoelectricidad
• IEEE 177 (1976) Definiciones estándar y métodos de medición para vibradores piezoeléctricos
• IEC 444 (1973) Método básico para la medición de la frecuencia de resonancia y la resistencia en serie equivalente de unidades de cristal de cuarzo mediante la técnica de fase cero en una red pi.
• IEC 302 (1969) Definiciones estándar y métodos de medición para vibradores piezoeléctricos que funcionan en el rango de frecuencia de hasta 30 MHz

enlaces externos

• Gautschi, Gustav H. (2002). Sensores piezoeléctricos . Saltador. ISBN 978-3-540-42259-4.
• Películas de polímeros celulares piezoeléctricos: fabricación, propiedades y aplicaciones.
• Microdrive basado en motor piezoeléctrico para grabación de señales neuronales
• Investigación sobre nuevos materiales piezoeléctricos
• Ecuaciones piezoeléctricas
• Piezo en diseño médico
• Vídeo de demostración de piezoelectricidad.
• Paquete de enseñanza y aprendizaje DoITPoMS: materiales piezoeléctricos
• PiezoMat.org: base de datos en línea para materiales piezoeléctricos, sus propiedades y aplicaciones.
• Tipos de motores piezoeléctricos
• Piezoteoría y aplicaciones