Um transdutor piezoelétrico é um dispositivo que converte energia mecânica, como pressão, em sinal elétrico e também pode fazer o inverso: transformar um sinal elétrico em movimento mecânico.
Este efeito também é utilizado, por exemplo, em ensaios ultrassônicos.
O nome vem da palavra grega “piezo”, que significa “pressionar” ou “comprimir”. Este efeito foi demonstrado pela primeira vez pelos irmãos Jacques e Pierre Curie em 1880.
Esta dupla funcionalidade permite que eles sirvam tanto como sensores, detectando forças físicas, quanto como atuadores, criando movimentos precisos.
A precisão desta tecnologia é um aspecto importante de seu uso.
No diagnóstico médico, por exemplo, os transdutores de ultrassom devem respeitar diretrizes rigorosas.
Mas como um material sólido pode criar uma tensão simplesmente sendo comprimido?
É isso que explicaremos neste artigo!
Abordaremos os princípios de funcionamento da piezoeletricidade e os materiais que a tornam possível. Também cobriremos os diferentes tipos de transdutores, suas aplicações mais comuns, as normas industriais importantes e os critérios de seleção para seus projetos de engenharia.
Índice
Como funcionam os transdutores piezoelétricos?
No coração destes dispositivos encontra-se um fenômeno chamado efeito piezoelétrico.
Certos materiais (frequentemente cristais ou cerâmicas especiais) geram uma carga elétrica quando submetidos a uma tensão mecânica.
O processo também funciona em sentido inverso, o que é conhecido como efeito piezoelétrico inverso.
Se você aplicar uma tensão elétrica ao mesmo material, ele se deforma fisicamente, mudando ligeiramente de forma.
Não é realmente algo que se possa observar a olho nu.
Esta dupla capacidade permite que um transdutor piezoelétrico atue tanto como sensor quanto como atuador.
Quando é utilizado como sensor, uma força mecânica como pressão ou vibração comprime o material piezoelétrico. Esta ação desloca as cargas positivas e negativas equilibradas em sua estrutura cristalina, criando um dipolo elétrico.
O resultado é uma tensão mensurável que é diretamente proporcional à força aplicada.
Em certos modos de funcionamento, esta geração de carga permanece constante, independentemente do tamanho do elemento.
Modos de funcionamento
Os engenheiros podem cortar e organizar os materiais piezoelétricos de acordo com três modos principais. Cada um determina de maneira diferente como eles reagem à força.
O modo transversal funciona aplicando uma força ao longo de um eixo e gerando uma carga em um eixo perpendicular a essa força.
Neste modo, a quantidade de carga produzida depende da geometria do elemento, seguindo a relação:
Em termos mais simples:
Quando você comprime o material em uma direção (y), ele cria uma resposta elétrica em outra direção (x), e a intensidade dessa resposta depende das propriedades do material e de sua forma.
Isso permite que os engenheiros personalizem a sensibilidade do sensor modificando suas dimensões físicas.
No modo longitudinal, a carga é gerada ao longo do mesmo eixo que a força aplicada.
A saída de carga:
Em termos mais simples:
Quando você comprime ou estica o material ao longo de seu comprimento, ele cria uma carga elétrica nessa mesma direção, e empilhar várias camadas reforça o efeito.
Ela é estritamente proporcional à força aplicada e não depende do tamanho ou da forma do elemento.
O modo de cisalhamento, que é o terceiro, produz uma carga em ângulo reto em relação a uma força de cisalhamento aplicada.
Similar ao modo longitudinal, a carga resultante:
O que significa que quando você torce ou cisalha o material, ele produz uma carga elétrica, e empilhar várias camadas aumenta a saída.
Novamente, ela é diretamente proporcional à força aplicada.
Propriedades elétricas e circuitos equivalentes
Para analisar o desempenho, um transdutor piezoelétrico pode ser modelado como uma fonte de tensão com uma saída que varia com a frequência.
Em termos simples, aqui está como isso funciona:
Modelo básico
A representação mais simples trata o sensor como uma bateria (fonte de tensão) conectada a um capacitor. O capacitor imita a forma como a carga elétrica se acumula na superfície do sensor quando é pressionado.
Visão alternativa:
Também pode ser considerado como uma fonte de corrente (bomba de carga) funcionando com esse mesmo capacitor.
Ambas as versões expressam a mesma coisa: quanto maior a força aplicada, mais carga elétrica o sensor produz.
Limitações de frequência:
A resistência interna do sensor e qualquer dispositivo externo conectado a ele agem como um filtro.
Este filtro impede o sensor de detectar vibrações de frequência muito baixa ou movimentos lentos. Existe uma frequência mínima abaixo da qual ele não responderá efetivamente.
Modelos avançados:
Para engenharia de precisão, utilizam-se modelos mais complexos que tratam o sensor como um sistema mecânico traduzido em termos elétricos.
Isso é feito usando componentes como bobinas (indutâncias) e capacitores para imitar o comportamento da estrutura física.
Isso permite prever exatamente como o sensor se comportará em diferentes condições.
Materiais piezoelétricos para transdutores
Escolher o material certo para um transdutor piezoelétrico é uma decisão crucial.
O material define a sensibilidade, durabilidade e os limites de temperatura do dispositivo.
Podemos agrupar esses materiais em três famílias principais: as cerâmicas piezoelétricas, os materiais monocristalinos e os materiais de película fina modernos.
Materiais cerâmicos
A cerâmica mais comum é o titanato de zirconato de chumbo, conhecido como PZT.
Sua alta sensibilidade o tornou uma escolha preferencial.
Ele gera um sinal cerca de 100 vezes mais forte que os cristais naturais, o que o torna excelente para detectar forças sutis.
A fabricação do PZT oferece grandes vantagens:
- Baixo custo de produção
- Capacidade de criar múltiplas formas geométricas
- Flexibilidade de projeto
Os PZT são fabricados por um processo chamado “sinterização”.
Basicamente, trata-se de aquecer um material em pó a temperaturas elevadas para fundir as partículas em uma massa sólida sem derretê-las completamente.
O PZT não possui propriedades piezoelétricas naturais.
Esta capacidade deve ser criada artificialmente por um processo chamado “polarização”.
Aqui está como se procede:
O PZT bruto é aquecido e exposto a um campo elétrico poderoso. Isso força as estruturas cristalinas internas do material a se alinhar em uma direção.
É este alinhamento que produz o efeito piezoelétrico.
Eles geralmente funcionam até 250°C (<250°C), mas ultrapassar sua temperatura Curie suprimirá definitivamente suas propriedades piezoelétricas.
Sua alta sensibilidade o torna uma excelente escolha para equipamentos de Ensaio não destrutivo.
Materiais monocristalinos
Os materiais monocristalinos oferecem estabilidade a longo prazo.
Os cristais naturais como o quartzo, o fosfato de gálio e a turmalina são menos sensíveis que o PZT, mas são incrivelmente consistentes.
Aqui está uma visão rápida para escolher entre essas opções:
- O quartzo é o mais confiável. Ele perde muito pouca carga elétrica ao longo do tempo, é por isso que alimenta os relógios dos relógios de pulso, por exemplo. Pode-se contar com ele para manter o tempo exato durante anos.
- O fosfato de gálio oferece a melhor resistência ao calor. Enquanto a maioria dos materiais deixa de funcionar em torno de 300°C, este continua funcionando perfeitamente mesmo acima de 500°C.
- A turmalina gera um sinal elétrico quando a temperatura muda. (Os cientistas chamam isso de “piroeletricidade”, mas é na verdade uma espécie de termômetro integrado.)
Os monocristais oferecem estabilidade e precisão, mas paga-se isso com uma sensibilidade mais baixa e um custo mais elevado em comparação com o PZT.
Materiais de Película Fina e Compósitos
Quando é necessário trabalhar com frequências muito elevadas ou em espaços minúsculos, os materiais de película fina são a melhor opção disponível.
Produzidos com métodos avançados como a pulverização catódica ou a deposição química em fase vapor, esses materiais são projetados para:
- Frequências muito elevadas (acima de 100 MHz): utilizadas em ultrassom médico, radar e tecnologia 5G
- Dispositivos miniaturizados: sensores de smartphones, monitores de saúde vestíveis, dispositivos MEMS
Opções disponíveis nesta categoria:
Piezo-polímeros e compósitos: materiais flexíveis que se dobram enquanto produzem sinais elétricos. Utilizados em dispositivos vestíveis, sensores flexíveis e adesivos médicos.
Sal de Rochelle: historicamente produziu um dos sinais piezoelétricos mais fortes entre os materiais naturais, mas as cerâmicas modernas agora superam seu desempenho. Mas é complexo: não suporta bem a umidade e se decompõe acima de 46°C. Portanto, está principalmente confinado a laboratórios e aplicações especializadas.
Materiais compósitos inteligentes: pegam-se partículas de PZT e as misturam em alumínio, um pouco como gotas de chocolate em massa de biscoito.
Quando o material é submetido a uma tensão (dobrado, fissurado ou vibrado), as partículas de PZT dentro dele detectam e enviam um sinal elétrico.
Este é o significado de “inteligente” no nome: é como ter milhares de pequenos alarmes integrados em toda a estrutura.
Mas esses materiais envolvem compromissos.
Eles são tecnicamente avançados, mas frequentemente caros e menos duráveis que as cerâmicas ou cristais tradicionais.
Tipos e formas de transdutores piezoelétricos
Uma das características mais interessantes dos materiais piezoelétricos é sua versatilidade de fabricação.
Ao contrário de muitos outros componentes eletrônicos, eles podem ser produzidos em uma grande variedade de formas e tamanhos.
Esta adaptabilidade explica por que os encontramos em tantos produtos e indústrias diferentes.
A geometria de um transdutor piezoelétrico está diretamente ligada à sua função.
Uma forma específica é escolhida para otimizar sua resposta à tensão mecânica ou a forma como ele gera um movimento físico.
Sua forma é um parâmetro crucial para o desempenho em uma determinada aplicação.
Geometrias comuns de transdutores
As formas circulares, como discos e anéis, são muito comuns.
Encontram-se transdutores de disco em sensores automotivos e sistemas de limpeza por ultrassom, enquanto os transdutores anulares são frequentemente utilizados em dispositivos médicos para tarefas como limpeza dentária.
As placas e blocos são formas simples e sólidas, ideais para medir vibrações ou pressão. Eles são frequentemente utilizados como componentes centrais dentro de acelerômetros ou geradores ultrassônicos de alta potência.
Os transdutores tubulares ou cilíndricos são utilizados para aplicações que necessitam de precisão, como controle de fluxo de fluido, microscopia de varredura e microdosagem de medicamentos.
Os transdutores em faixa são camadas ativas finas coladas sobre uma base passiva. Sua capacidade de se dobrar os torna úteis para comandos de bomba e interruptores ativados por toque.
Os transdutores bimorfos e unimorfos são componentes em camadas projetados para movimento:
- Bimorfo possui duas camadas ativas que criam uma ação de flexão,
- Unimorfo usa uma camada ativa para uma deformação unidirecional.
Ambos são úteis para criar um movimento preciso em atuadores e sensores.
Vantagens e limitações
Como qualquer tecnologia em engenharia, esses dispositivos apresentam tanto vantagens quanto compromissos. Quando é necessário usá-los em seus projetos, é importante levá-los em consideração.
Vantagens
Eles são autogeradores, criando seu próprio sinal elétrico quando a pressão é aplicada, sem precisar de uma fonte de alimentação externa.
Eles também têm um módulo de elasticidade elevado, podendo atingir 1011 N/m², um nível de rigidez similar a muitos metais. Isso torna o dispositivo mecanicamente robusto, com quase nenhuma flexão sob carga.
Esses dispositivos também oferecem excelente desempenho.
Eles possuem uma frequência natural muito elevada e apresentam linearidade constante em uma ampla faixa de amplitude.
Isso lhes confere uma resposta em frequência rápida, permitindo que reajam em microssegundos e gerem ultrassom até 20 MHz. Eles são, em alguns casos, também insensíveis a campos eletromagnéticos e radiações, o que os torna muito confiáveis em condições difíceis.
A flexibilidade na fabricação também constitui uma grande vantagem.
Os materiais utilizados podem ser moldados em muitas formas e tamanhos diferentes para atender às necessidades específicas da aplicação. Eles também funcionam bem mesmo em baixas tensões, o que adiciona à sua versatilidade.
Compará-los a outros tipos de sensores mostra sua vantagem em termos de desempenho.
A tabela abaixo, usando informações de Gautschi (2002), mostra como eles se comparam com outros tipos de sensores comuns em termos de sensibilidade e faixa de medição.
| Princípio | Sensibilidade de deformação [V/με] | Limiar [με] | Razão faixa/limiar |
|---|---|---|---|
| Piezoelétrico | 5.0 | 0.00001 | 100,000,000 |
| Piezorresistivo | 0.0001 | 0.0001 | 2,500,000 |
| Indutivo | 0.001 | 0.0005 | 2,000,000 |
| Capacitivo | 0.005 | 0.0001 | 750,000 |
| Resistivo | 0.000005 | 0.01 | 50,000 |
Como se pode ver, os sensores piezoelétricos combinam sensibilidade muito elevada com um limiar de detecção baixo.
Isso se traduz em excelente capacidade de medir um amplo espectro de forças, das menores às muito grandes.
Limitações
Apesar de suas vantagens, os transdutores piezoelétricos não são ideais para tudo.
Uma restrição importante é sua incapacidade de medir forças verdadeiramente estáticas ou constantes.
Quando uma força constante é aplicada, o transdutor gera uma quantidade fixa de carga elétrica. Esta carga escapa progressivamente devido a isolamento imperfeito e resistência interna, fazendo o sinal decair.
A saída elétrica desses dispositivos é bastante fraca.
Esta carga minúscula requer cabos especiais e amplificadores externos para tornar o sinal utilizável.
Adicionar amplificadores pode às vezes introduzir seus próprios erros elétricos ou ruído na medição.
É um compromisso a considerar para aplicações de precisão.
Esses transdutores também podem ser sensíveis ao seu ambiente.
As variações de temperatura e umidade podem afetar sua saída, tornando-os menos confiáveis em ambientes não controlados.
As temperaturas elevadas são particularmente problemáticas, causando queda na resistência interna e sensibilidade.
Por exemplo, os sensores de quartzo necessitam de sistemas de resfriamento ativo quando funcionam a temperaturas superiores a 300°C.
Mesmo na recuperação de energia, uma fonte constante de energia ambiente pode provocar uma perda lenta de elétrons, levando a uma diminuição da potência de saída ao longo do tempo.
Aplicações e uso no mundo real
Até agora, aprendemos que os transdutores piezoelétricos são dispositivos engenhosos que convertem tensão mecânica em sinais elétricos, e vice-versa.
Mas para que servem no mundo real?
Sua capacidade de atuar tanto como sensores quanto atuadores, combinada com suas muitas formas, os torna um componente muito poderoso em engenharia.
Esta versatilidade explica por que os encontramos em quase todos os setores de alta tecnologia.
Desde que os fabricantes começaram a usá-los nos anos 1950 para garantia de qualidade e controle de processos, seu uso se expandiu para os setores industrial, aeroespacial, automotivo, médico e de eletrônicos de consumo.
Eles constituem uma ferramenta de referência para equipes de pesquisa e desenvolvimento que ultrapassam os limites da tecnologia.
Um acelerômetro usa uma pequena massa sísmica para medir o movimento, enquanto um sensor de pressão usa uma membrana fina para detectar a força.
Eles são encontrados monitorando a combustão dentro de um motor, auxiliando um carro na frenagem automática, ou alimentando limpadores ultrassônicos que limpam peças com vibrações de alta frequência.
O campo médico depende fortemente desta tecnologia para segurança do paciente e diagnósticos. Além da imagem, os transdutores piezoelétricos são utilizados em ferramentas cirúrgicas e para quebrar cálculos renais.
Interagimos com transdutores piezoelétricos todos os dias, muitas vezes sem perceber.
Eles estão nos microfones que capturam nossa voz, nas sirenes de alarmes de segurança, nas portas deslizantes automáticas e nas telas sensíveis ao toque de telefones celulares.
Esta ampla gama de usos mostra o quanto esta tecnologia está profundamente integrada na vida moderna.
Recuperação de energia
Esses componentes oferecem um método para gerar energia convertendo vibrações mecânicas do ambiente em energia elétrica utilizável.
Esta capacidade é útil para aplicações onde a alimentação por cabo ou baterias são muito caras ou fisicamente impossíveis de implementar.
Em vez de precisar de uma linha de alimentação dedicada, o dispositivo pode extrair sua própria energia do ambiente ao redor.
Esses sistemas são particularmente eficientes para alimentar dispositivos de baixo consumo, como sensores sem fio ou relógios mecânicos, que requerem apenas alguns miliwatts de potência.
Seu uso ótimo ocorre quando as necessidades de energia são periódicas e a frequência de vibração está próxima da frequência de ressonância do recuperador.
Este princípio se aplica a grandes ambientes industriais.
Os transdutores instalados em trilhos ferroviários podem recuperar a energia da aceleração e da pressão de um trem para gerar energia para equipamentos de monitoramento.
Outra aplicação voltada para o futuro diz respeito à Internet das Coisas.
Os sensores podem receber sinais ultrassônicos e converter as vibrações resultantes em carga elétrica, tornando-se assim sistemas autoalimentados que funcionam sem substituição de bateria.
Seleção do transdutor piezoelétrico adequado
Escolher o transdutor certo começa com uma boa visão geral do seu projeto.
É necessário identificar o que se está medindo, como pressão, aceleração ou força. Convém pensar nas faixas de frequência e amplitude requeridas, bem como nas condições ambientais específicas, como temperatura e umidade.
A próxima escolha diz respeito ao material.
Pode-se selecionar cerâmicas para alta sensibilidade ou monocristais para estabilidade a longo prazo, equilibrando isso com a tolerância à temperatura e o custo.
A geometria, seja um disco, um anel, uma placa ou uma faixa, afeta as possibilidades de montagem, restrições de espaço e sensibilidade direcional.
É preciso prestar atenção à saída elétrica e à interface.
A pequena carga elétrica produzida significa frequentemente que será necessário um amplificador e cabos especiais. Também é preciso verificar se o ponto Curie e as características de degradação do material correspondem à temperatura máxima.
A escolha de cada característica depende do uso e do ambiente no qual se colocará o transdutor.
Conclusão
Um transdutor piezoelétrico é um dispositivo versátil que realiza uma conversão de energia bidirecional.
Ele transforma tensão mecânica em sinal elétrico, ou pega um sinal elétrico e gera um movimento físico.
Esta dupla função permite que ele funcione como um sensor detectando pressão e como um atuador criando movimento. Isso o torna um excelente componente para uso nos campos industrial, médico, automotivo, aeroespacial e comercial.
A tecnologia apresenta vantagens claras.
Esses dispositivos são autogeradores, portanto não precisam de uma fonte de alimentação externa.
Eles oferecem uma resposta em frequência elevada, são mecanicamente robustos e podem ser fabricados em quase todas as formas.
Os compromissos incluem uma incapacidade de medir forças estáticas, uma saída elétrica fraca que requer amplificação e uma sensibilidade às condições ambientais como temperatura.
A escolha do material determina o comportamento:
- As cerâmicas oferecem alta sensibilidade,
- Os monocristais fornecem estabilidade,
- As películas finas são adequadas para aplicações de alta frequência.
Tomar decisões informadas sobre o material, geometria e projeto permite que os engenheiros utilizem a tecnologia piezoelétrica para uma conversão de energia precisa e confiável.
Perguntas frequentes
O que é um transdutor piezoelétrico em termos simples?
É um dispositivo especial que converte energia mecânica, como pressão ou vibrações, em tensão elétrica. Ele também pode funcionar no sentido inverso, convertendo uma tensão elétrica em movimento mecânico.
Como um transdutor piezoelétrico cria eletricidade?
Quando você aplica uma tensão mecânica a certos cristais dentro do transdutor, sua estrutura interna se distorce. Esta distorção separa as cargas positivas e negativas, criando uma tensão mensurável através do material.
Um transdutor piezoelétrico também pode criar movimento?
Sim. Quando um campo elétrico é aplicado ao material piezoelétrico, sua rede cristalina se deforma, fazendo o material mudar de forma. Isso é chamado de efeito piezoelétrico inverso.
Os transdutores piezoelétricos precisam de baterias ou de uma fonte de alimentação externa?
Quando usados como sensores, eles são autogeradores. Eles produzem seu próprio sinal elétrico a partir de uma força mecânica aplicada, portanto não precisam de uma fonte de alimentação externa para operar.
Qual é a principal limitação de um sensor piezoelétrico?
Sua fraqueza principal é sua incapacidade de medir forças verdadeiramente estáticas. A carga elétrica produzida por uma força constante escapa gradualmente, tornando esses sensores ideais apenas para medições dinâmicas ou variáveis.
Por que as cerâmicas PZT são frequentemente preferidas aos cristais naturais como o quartzo?
As cerâmicas PZT geralmente têm uma sensibilidade muito mais elevada, o que significa que geram um sinal elétrico maior para uma determinada força. Elas também são menos caras de fabricar e podem ser moldadas em muitas formas diferentes.
Qual é a importância da temperatura Curie de um material?
A temperatura Curie é a temperatura máxima na qual um material piezoelétrico pode funcionar. Se for aquecido além deste ponto, o material perde definitivamente suas propriedades piezoelétricas e não funcionará mais.
Como o projeto de um acelerômetro difere do de um sensor de pressão?
A diferença-chave reside na forma como a força é transmitida ao elemento piezoelétrico. Um sensor de pressão usa um diafragma para coletar e concentrar a pressão. Um acelerômetro anexa um pequeno peso, chamado massa sísmica, que exerce força sobre o elemento durante o movimento.
Por que os sensores piezoelétricos requerem cabos e amplificadores de alta impedância?
Esses sensores produzem uma pequena quantidade de carga e têm uma impedância de saída muito elevada. O uso de eletrônica de alta impedância impede que o pequeno sinal elétrico escape, permitindo uma medição de tensão precisa.
