Un transductor piezoeléctrico es un dispositivo que convierte energía mecánica, como la presión, en señal eléctrica y también puede hacer lo contrario: transformar una señal eléctrica en movimiento mecánico.
Este último mecanismo se utiliza, por ejemplo, en las pruebas ultrasónicas.
El nombre proviene de la palabra griega “piezo”, que significa “presionar” o “comprimir”. Este efecto fue demostrado por primera vez por los hermanos Jacques y Pierre Curie en 1880.
Esta doble funcionalidad les permite actuar tanto como sensores, detectando fuerzas físicas, como actuadores que generan movimientos precisos.
La precisión de esta tecnología es un aspecto crucial de su uso.
En el diagnóstico médico, por ejemplo, los transductores de ultrasonidos deben cumplir con directrices estrictas.
Pero ¿cómo puede un material sólido generar voltaje simplemente al ser comprimido?
¡Eso es exactamente lo que vamos a explicar en este artículo!
Vamos a explorar los principios de funcionamiento de la piezoelectricidad y los materiales que la hacen posible. También veremos los diferentes tipos de transductores, sus aplicaciones más comunes, las normas industriales relevantes y los criterios de selección para tus proyectos de ingeniería.
Tabla de contenidos
¿Cómo funcionan los transductores piezoeléctricos?
En el corazón de estos dispositivos se encuentra un fenómeno llamado efecto piezoeléctrico.
Ciertos materiales (a menudo cristales o cerámicas especiales) generan una carga eléctrica cuando se les aplica estrés mecánico.
El proceso funciona también en sentido inverso, lo que se conoce como efecto piezoeléctrico inverso.
Si aplicamos un voltaje eléctrico al mismo material, este se deforma físicamente, cambiando ligeramente de forma.
No es algo que se pueda observar a simple vista.
Esta doble capacidad permite a un transductor piezoeléctrico actuar tanto como sensor como actuador.
Cuando se utiliza como sensor, una fuerza mecánica como la presión o la vibración comprime el material piezoeléctrico. Esta acción desplaza las cargas positivas y negativas equilibradas en su estructura cristalina, creando un dipolo eléctrico.
El resultado es un voltaje medible que es directamente proporcional a la fuerza aplicada.
En ciertos modos de funcionamiento, esta generación de carga permanece constante independientemente del tamaño del elemento.
Modos de funcionamiento
Los ingenieros pueden cortar y disponer los materiales piezoeléctricos según tres modos principales. Cada uno determina de forma diferente cómo reaccionan a la fuerza.
El modo transversal funciona aplicando una fuerza a lo largo de un eje y generando una carga sobre un eje perpendicular a esa fuerza.
En este modo, la cantidad de carga producida depende de la geometría del elemento, siguiendo la relación:
En términos más simples:
Cuando comprime el material en una dirección (y), este crea una respuesta eléctrica en otra dirección (x), y la intensidad de esta respuesta depende de las propiedades del material y de su forma.
Esto permite a los ingenieros personalizar la sensibilidad del sensor modificando sus dimensiones físicas.
En el modo longitudinal, la carga se genera a lo largo del mismo eje que la fuerza aplicada.
La salida de carga:
En términos más simples:
Cuando comprime o estira el material a lo largo de su longitud, este genera una carga eléctrica en esa misma dirección, y apilar varias capas refuerza el efecto.
Es estrictamente proporcional a la fuerza aplicada y no depende del tamaño o la forma del elemento.
El modo de cizallamiento, que es el último, produce una carga en ángulo recto respecto a una fuerza de cizallamiento aplicada.
Similar al modo longitudinal, la carga resultante:
Lo que significa que cuando tuerce o cizalla el material, este produce una carga eléctrica y apilar varias capas aumenta la salida.
De nuevo, es directamente proporcional a la fuerza aplicada.
Propiedades eléctricas y circuitos equivalentes
Para analizar el rendimiento, un transductor piezoeléctrico puede modelarse como una fuente de voltaje con una salida que varía con la frecuencia.
En términos simples, esto es lo que significa:
Modelo básico
La representación más simple trata el sensor como una batería (fuente de voltaje) conectada a un condensador. El condensador imita la forma en que la carga eléctrica se acumula en la superficie del sensor cuando se presiona.
Vista alternativa:
También se puede considerar como una fuente de corriente (bomba de carga) funcionando con ese mismo condensador.
Ambas versiones expresan lo mismo: cuanto mayor es la fuerza aplicada, más carga eléctrica produce el sensor.
Limitaciones de frecuencia:
La resistencia interna del sensor y cualquier dispositivo externo conectado a él actúan como un filtro.
Este filtro impide que el sensor detecte vibraciones de muy baja frecuencia o movimientos lentos. Existe una frecuencia mínima por debajo de la cual no responderá eficazmente.
Modelos avanzados:
Para ingeniería de precisión, se utilizan modelos más complejos que tratan el sensor como un sistema mecánico traducido a términos eléctricos.
Esto se hace utilizando componentes como bobinas (inductancias) y condensadores para imitar el comportamiento de la estructura física.
Esto permite predecir exactamente cómo se comportará el sensor en diferentes condiciones.
Materiales piezoeléctricos para transductores
Elegir el material adecuado para un transductor piezoeléctrico es una decisión crucial.
El material define la sensibilidad, la durabilidad y los límites de temperatura del dispositivo.
Podemos agrupar estos materiales en tres familias principales: las cerámicas piezoeléctricas, los materiales monocristalinos y los materiales en capas finas modernos.
Materiales cerámicos
La cerámica más común es el titanato de circonato de plomo, conocido como PZT.
Su alta sensibilidad lo ha convertido en la opción preferida.
Genera una señal aproximadamente 100 veces más fuerte que los cristales naturales, lo que lo hace excelente para detectar fuerzas sutiles.
La fabricación del PZT ofrece grandes ventajas:
- Bajo coste de producción
- Capacidad de crear múltiples formas geométricas
- Flexibilidad de diseño
Los PZT se fabrican mediante un proceso llamado “sinterización”.
Básicamente, consiste en calentar un material en polvo a temperaturas elevadas para fusionar las partículas en una masa sólida sin fundirlas completamente.
El PZT no tiene propiedades piezoeléctricas naturales.
Esta capacidad debe ser creada artificialmente mediante un proceso llamado “polarización”.
Así funciona:
El PZT sin tratar se calienta y se expone a un campo eléctrico potente. Esto obliga a las estructuras cristalinas internas del material a alinearse en una dirección.
Esta alineación es la que produce el efecto piezoeléctrico.
Generalmente funcionan hasta 250°C (<~300°C), pero superar su temperatura de Curie eliminará definitivamente sus propiedades piezoeléctricas.
Su alta sensibilidad lo convierte en una excelente opción para equipos de Ensayos no destructivo.
Materiales monocristalinos
Los materiales monocristalinos ofrecen estabilidad a largo plazo.
Los cristales naturales como el cuarzo, el fosfato de galio y la turmalina son menos sensibles que el PZT pero son increíblemente consistentes.
Aquí tienes una guía rápida para elegir entre estas opciones:
- El cuarzo es el más fiable. Apenas pierde carga eléctrica con el tiempo, por eso alimenta los relojes de los relojes de pulsera, por ejemplo. Se puede confiar en él para mantener la hora exacta durante años.
- El fosfato de galio ofrece la mejor resistencia al calor. Mientras que la mayoría de los materiales dejan de funcionar alrededor de 300°C, este continúa funcionando perfectamente incluso por encima de 500°C.
- La turmalina genera una señal eléctrica cuando la temperatura cambia. (Los científicos llaman a esto “piroelectricidad” pero es básicamente un termómetro integrado.)
Los monocristales ofrecen estabilidad y precisión, pero se paga por ello con una sensibilidad más baja y un coste más elevado en comparación con el PZT.
Materiales en Capas Finas y Composites
Cuando es necesario trabajar con frecuencias muy elevadas o en espacios minúsculos, los materiales en capas finas son la mejor opción disponible.
Producidos con métodos avanzados como la pulverización catódica o el depósito químico en fase vapor, estos materiales están diseñados para:
- Frecuencias muy elevadas (por encima de 100 MHz): utilizadas en ecografía médica, radar y tecnología 5G
- Dispositivos miniaturizados: sensores de smartphones, monitores de salud portables, dispositivos MEMS
Opciones disponibles en esta categoría:
Piezo-polímeros y composites: materiales flexibles que se doblan mientras producen señales eléctricas. Utilizados en dispositivos portables, sensores flexibles y parches médicos.
Sal de Rochelle: históricamente produjo una de las señales piezoeléctricas más fuertes entre los materiales naturales, pero las cerámicas modernas ahora superan su rendimiento. Pero es complejo: no soporta bien la humedad y se descompone por encima de 46°C. Por lo tanto, está principalmente confinado a laboratorios y aplicaciones especializadas.
Materiales composites inteligentes: se toman partículas de PZT y se mezclan en aluminio, un poco como chips de chocolate en masa de galletas.
Cuando el material se somete a estrés (doblado, agrietado o vibrado), las partículas de PZT en su interior lo detectan y envían una señal eléctrica.
Ese es el significado de “inteligente” en el nombre: es como tener miles de pequeñas alarmas integradas en toda la estructura.
Pero estos materiales implican compromisos.
Son tecnológicamente avanzados pero a menudo costosos y menos duraderos que las cerámicas o cristales tradicionales.
Tipos y formas de transductores piezoeléctricos
Una de las características más interesantes de los materiales piezoeléctricos es su versatilidad de fabricación.
A diferencia de muchos otros componentes electrónicos, pueden producirse en una gran variedad de formas y tamaños.
Esta adaptabilidad explica por qué se encuentran en tantos productos e industrias diferentes.
La geometría de un transductor piezoeléctrico está directamente relacionada con su función.
Una forma específica se elige para optimizar su respuesta al estrés mecánico o la forma en que genera movimiento físico.
Su forma es un parámetro crucial para el rendimiento en una aplicación dada.
Geometrías comunes de transductores
Las formas circulares como los discos y los anillos son muy comunes.
Se encuentran transductores de disco en sensores de automóviles y sistemas de limpieza por ultrasonidos, mientras que los transductores anulares se utilizan a menudo en dispositivos médicos para tareas como la limpieza dental.
Las placas y bloques son formas simples y sólidas, ideales para medir vibraciones o presión. Se utilizan frecuentemente como componentes centrales dentro de acelerómetros o generadores ultrasónicos de alta potencia.
Los transductores tubulares o cilíndricos se utilizan para aplicaciones que requieren precisión, como el control de flujo de fluidos, la microscopía de barrido y la microdosificación de medicamentos.
Los transductores en banda son capas activas finas pegadas sobre una base pasiva. Su capacidad para doblarse los hace útiles para controles de bomba e interruptores activados por tacto.
Los transductores bimorfos y unimorfos son componentes en capas diseñados para el movimiento:
- Bimorfo tiene dos capas activas que crean una acción de flexión,
- Unimorfo utiliza una capa activa para una deformación unidireccional.
Ambos son útiles para crear movimiento preciso en actuadores y sensores.
Ventajas y limitaciones
Como cualquier tecnología en ingeniería, estos dispositivos presentan tanto ventajas como compromisos. Cuando se va a utilizar uno en proyectos, es importante tenerlos en cuenta.
Ventajas
Son autogeneradores, creando su propia señal eléctrica cuando se aplica presión sin necesidad de una fuente de alimentación externa.
También tienen un módulo de elasticidad elevado que puede alcanzar 1011 N/m², un nivel de rigidez similar a muchos metales. Esto hace que el dispositivo sea mecánicamente robusto, con prácticamente ninguna flexión bajo carga.
Estos dispositivos también ofrecen un excelente rendimiento.
Poseen una frecuencia natural muy elevada y presentan una linealidad constante en un amplio rango de amplitud.
Esto les confiere una respuesta en frecuencia rápida, permitiéndoles reaccionar en microsegundos y generar ultrasonidos hasta 20 MHz. En algunos casos, también son insensibles a campos electromagnéticos y radiación, lo que los hace muy fiables en condiciones difíciles.
La flexibilidad en la etapa de fabricación constituye también una gran ventaja.
Los materiales utilizados pueden moldearse en muchas formas y tamaños diferentes para satisfacer las necesidades específicas de la aplicación. También funcionan bien incluso a bajos voltajes, lo que añade versatilidad.
Compararlos con otros tipos de sensores muestra su ventaja en términos de rendimiento.
La siguiente tabla, utilizando información de Gautschi (2002), muestra cómo se comparan con otros diseños comunes en términos de sensibilidad y rango de medición.
| Principio | Sensibilidad de deformación [V/με] | Umbral [με] | Relación rango/umbral |
|---|---|---|---|
| Piezoeléctrico | 5.0 | 0.00001 | 100,000,000 |
| Piezorresistivo | 0.0001 | 0.0001 | 2,500,000 |
| Inductivo | 0.001 | 0.0005 | 2,000,000 |
| Capacitivo | 0.005 | 0.0001 | 750,000 |
| Resistivo | 0.000005 | 0.01 | 50,000 |
Como se puede ver, los sensores piezoeléctricos combinan una sensibilidad muy elevada con un umbral de detección bajo.
Esto se traduce en una excelente capacidad para medir un amplio espectro de fuerzas, desde las más pequeñas hasta las muy grandes.
Limitaciones
A pesar de sus ventajas, los transductores piezoeléctricos no son ideales para todo.
Una limitación importante es su incapacidad para medir fuerzas verdaderamente estáticas o constantes.
Cuando se aplica una fuerza constante, el transductor genera una cantidad fija de carga eléctrica. Esta carga se escapa progresivamente debido a un aislamiento imperfecto y resistencia interna, provocando la caída de la señal.
La salida eléctrica de estos dispositivos es bastante débil.
Esta minúscula carga requiere cables especiales y amplificadores externos para hacer la señal utilizable.
Añadir amplificadores puede a veces introducir sus propios errores eléctricos o ruido en la medición.
Es un compromiso a considerar para aplicaciones de precisión.
Estos transductores también pueden ser sensibles a su entorno.
Las variaciones de temperatura y humedad pueden afectar su salida, haciéndolos menos fiables en entornos no controlados.
Las temperaturas elevadas son particularmente problemáticas, provocando una caída de la resistencia interna y la sensibilidad.
Por ejemplo, los sensores de cuarzo requieren sistemas de refrigeración activos cuando operan a temperaturas superiores a 300°C.
Incluso en la recuperación de energía, una fuente constante de energía ambiental puede provocar una pérdida lenta de electrones, conduciendo a una disminución de la potencia de salida con el tiempo.
Aplicaciones y uso en el mundo real
Hasta ahora, hemos aprendido que los transductores piezoeléctricos son dispositivos ingeniosos que convierten el estrés mecánico en señales eléctricas, y viceversa.
Pero ¿para qué sirven en el mundo real?
Su capacidad para actuar tanto como sensores como actuadores, combinada con sus múltiples formas, los convierte en un componente muy potente en ingeniería.
Esta versatilidad explica por qué se encuentran en casi todos los sectores de alta tecnología.
Desde que los fabricantes comenzaron a utilizarlos en los años 1950 para aseguramiento de calidad y control de procesos, su uso se ha extendido a los sectores industrial, aeroespacial, automotriz, médico y de electrónica de consumo.
Constituyen una herramienta de referencia para los equipos de investigación y desarrollo que empujan los límites de la tecnología.
Un acelerómetro utiliza una pequeña masa sísmica para medir el movimiento, mientras que un sensor de presión utiliza una membrana fina para detectar la fuerza.
Los encontramos monitorizando la combustión dentro de un motor, asistiendo a un coche en el frenado automático, o alimentando limpiadores ultrasónicos que limpian piezas con vibraciones de alta frecuencia.
El campo médico depende enormemente de esta tecnología para la seguridad de los pacientes y los diagnósticos. Más allá de la imagen, los transductores piezoeléctricos se utilizan en herramientas quirúrgicas y para romper cálculos renales.
Interactuamos con transductores piezoeléctricos todos los días, a menudo sin darnos cuenta.
Están en los micrófonos que capturan nuestra voz, los zumbadores de las alarmas de seguridad, las puertas correderas automáticas y las pantallas táctiles de los teléfonos móviles.
Esta amplia gama de usos muestra hasta qué punto esta tecnología está profundamente integrada en la vida moderna.
Recuperación de energía
Estos componentes ofrecen un método para generar energía convirtiendo las vibraciones mecánicas ambientales en energía eléctrica utilizable.
Esta capacidad es útil para aplicaciones donde la alimentación por cable o las baterías son demasiado costosas o físicamente imposibles de implementar.
En lugar de necesitar una línea de alimentación dedicada, el dispositivo puede extraer su propia energía del entorno.
Estos sistemas son particularmente eficaces para alimentar dispositivos de bajo consumo, que solo requieren unos pocos milivatios de potencia para equipos como sensores inalámbricos o relojes mecánicos.
Su uso óptimo se sitúa cuando las necesidades energéticas son periódicas y la frecuencia de vibración está cerca de la frecuencia de resonancia del recuperador.
Este principio se aplica a grandes entornos industriales.
Los transductores instalados en vías férreas pueden recuperar la energía de la aceleración y la presión de un tren para generar energía para equipos de monitorización.
Otra aplicación orientada al futuro concierne al Internet de las Cosas.
Los sensores pueden recibir señales ultrasónicas y convertir las vibraciones resultantes en carga eléctrica, convirtiéndose así en sistemas autoalimentados que funcionan sin reemplazo de batería.
Selección del transductor piezoeléctrico adecuado
Elegir el transductor correcto comienza con una visión clara de su proyecto.
Debe identificar qué se va a medir, como presión, aceleración o fuerza. Debe considerar los rangos de frecuencia y amplitud requeridos, así como las condiciones ambientales específicas como temperatura y humedad.
La siguiente elección concierne al material.
Puede seleccionar cerámicas para alta sensibilidad o monocristales para estabilidad a largo plazo, equilibrando esto con la tolerancia a la temperatura y el coste.
La geometría, ya sea disco, anillo, placa o banda, afecta las posibilidades de montaje, las restricciones de espacio y la sensibilidad direccional.
Debe prestar atención a la salida eléctrica y la interfaz.
La pequeña carga eléctrica significa que a menudo se necesitará un amplificador y cables especiales. También debe verificar que el punto de Curie y las características de degradación del material coincidan con la temperatura máxima de operación.
Cada característica elegida es una decisión que depende del uso y del entorno en el que se colocará el transductor.
Conclusión
Un transductor piezoeléctrico es un dispositivo versátil que realiza una conversión de energía bidireccional.
Transforma el estrés mecánico en señal eléctrica, o toma una señal eléctrica y genera movimiento físico.
Esta doble función le permite funcionar como un sensor que detecta presión y como un actuador que crea movimiento. Esto lo convierte en un excelente componente para usar en los ámbitos industrial, médico, automotriz, aeroespacial y comercial.
La tecnología presenta ventajas claras.
Estos dispositivos son autogeneradores, por lo que no necesitan una fuente de alimentación externa.
Ofrecen una respuesta en frecuencia elevada, son mecánicamente robustos y pueden fabricarse en casi cualquier forma.
Los compromisos incluyen una incapacidad para medir fuerzas estáticas, una salida eléctrica débil que requiere amplificación y una sensibilidad a condiciones ambientales como la temperatura.
La elección del material dicta el comportamiento:
- Las cerámicas ofrecen alta sensibilidad,
- Los monocristales proporcionan estabilidad,
- Las capas finas son adecuadas para aplicaciones de alta frecuencia.
Tomar decisiones informadas sobre el material, la geometría y el diseño permite a los ingenieros utilizar la tecnología piezoeléctrica para una conversión de energía precisa y fiable.
Preguntas frecuentes
¿Qué es un transductor piezoeléctrico en términos simples?
Es un dispositivo especial que convierte energía mecánica como presión o vibraciones en voltaje eléctrico. También puede funcionar en sentido inverso, convirtiendo un voltaje eléctrico en movimiento mecánico.
¿Cómo genera un transductor piezoeléctrico electricidad?
Cuando se aplica estrés mecánico a ciertos cristales dentro del transductor, su estructura interna se distorsiona. Esta distorsión separa las cargas positivas y negativas, creando un voltaje medible a través del material.
¿Un transductor piezoeléctrico también puede crear movimiento?
Sí. Cuando se aplica un campo eléctrico al material piezoeléctrico, su red cristalina se deforma, provocando que el material cambie de forma. Esto se llama efecto piezoeléctrico inverso.
¿Necesitan los transductores piezoeléctricos baterías o una fuente de alimentación externa?
Cuando se utilizan como sensores, son autogeneradores. Producen su propia señal eléctrica a partir de la fuerza mecánica aplicada, por lo que no necesitan una fuente de alimentación externa para funcionar.
¿Cuál es la limitación principal de un sensor piezoeléctrico?
Su principal debilidad es su incapacidad para medir verdaderas fuerzas estáticas. La carga eléctrica producida por una fuerza constante se escapa progresivamente, haciendo que estos sensores sean ideales solo para mediciones dinámicas o cambiantes.
¿Por qué las cerámicas PZT suelen preferirse a los cristales naturales como el cuarzo?
Las cerámicas PZT generalmente tienen una sensibilidad mucho más alta, lo que significa que generan una señal eléctrica más grande para una fuerza dada. También son menos costosas de fabricar y pueden moldearse en muchas formas diferentes.
¿Cuál es la importancia de la temperatura de Curie de un material?
La temperatura de Curie es la temperatura máxima a la que un material piezoeléctrico puede funcionar. Si se calienta más allá de este punto, el material pierde definitivamente sus propiedades piezoeléctricas y ya no funcionará.
¿En qué se diferencia el diseño de un acelerómetro del de un sensor de presión?
La diferencia clave radica en cómo se transmite la fuerza al elemento piezoeléctrico. Un sensor de presión utiliza un diafragma para recoger y concentrar la presión. Un acelerómetro conecta un pequeño peso, llamado masa sísmica, que ejerce fuerza sobre el elemento durante el movimiento.
¿Por qué los sensores piezoeléctricos requieren cables y amplificadores de alta impedancia?
Estos sensores producen una pequeña cantidad de carga y tienen una impedancia de salida muy elevada. El uso de electrónica de alta impedancia evita que la pequeña señal eléctrica se escape, permitiendo una medición de voltaje precisa.
