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Estudio del comportamiento de un material piezoeléctrico (I)

Los dispositivos electrónicos, cada vez más, forman parte de nuestras herramientas de comunicación, y los componentes electrónicos son cada vez más conocidos, lo que permite aprovechar su potencial en el proceso de diseño. En esta entrada vamos a estudiar el comportamiento electromecánico de un material muy popular: el piezoeléctrico, explicaremos las ecuaciones constitutivas del fenómeno y realizaremos un modelo que permita el estudio del comportamiento en un simulador de circuitos.

LOS MATERIALES PIEZOELÉCTRICOS

Un piezoeléctrico consiste en un material no conductor que posee propiedades mecánicas activadas por la aplicación de campos eléctricos. Por reciprocidad, cuando a ese dispositivo piezoeléctrico le aplicamos torsiones y deformaciones mecánicas, también se generan fuerzas de tipo eléctrico.

El material piezoeléctrico más conocido por los diseñadores electrónicos es el cuarzo (SiO2), cristalizado en trigonal (cuarzo-α) hasta 570°C y en hexagonal (cuarzo-β) a temperaturas entre 570° y 870°C. A temperaturas superiores, el cuarzo se transforma en otro compuesto de sílice denominado tridimita.

La cristalización del cuarzo en su variedad hexagonal proporciona propiedades piezoeléctricas cuando se aplica al material campos eléctricos o tensiones mecánicas, y es muy utilizado en electrónica por este comportamiento, logrando obtener resonadores electromecánicos con muy alto factor de calidad.

Otros materiales piezoeléctricos muy utilizados en la industria electrónica son el nitruro de Aluminio (AlN), el óxido de Zinz (ZnO) y los materiales PZT, en diversas variantes.

En esta entrada vamos a estudiar el comportamiento piezoeléctrico a partir de las ecuaciones constitutivas que relacionan las propiedades mecánicas con las eléctricas, y a partir de ahí, obtener un modelo eléctrico que permita su uso en una herramienta de simulación de circuitos.

CONCEPTO DE ONDAS ACÚSTICAS

En Física denominamos onda acústica a un fenómeno mecánico de propagación de una onda de presión a lo largo de un material. Al poseer esta onda de presión una variación temporal periódica, puede propagarse a diversas frecuencias. Las ondas de presión que están situadas en la banda desde 100Hz a 10KHz se caracterizan porque son audibles, esto es, nuestro sentido del oído puede captarlas, enviar la información captada al cerebro y ser procesada para realizar una determinada acción. Sin embargo, todas las ondas de presión entran dentro del concepto de onda acústica, puesto que es un campo de fuerzas que se asemeja al campo eléctrico por su comportamiento.

En las ondas de presión acústicas distinguimos dos magnitudes importantes: la tensión T y la deformación S,. La primera, T, es la fuerza por unidad de superficie que aparece en el entorno de un punto material de un medio continuo. Es, por tanto, una presión mecánica cuyas unidades son N/m2.

Descripción de la tensión mecánica

Asociada a ésta aparece la deformación S, que es desplazamiento que se produce en las partículas del material al aplicar una presión sobre éstas. La deformación se mide en m/m.

Desplazamiento producido por una deformación

Desplazamiento producido por una deformación

La relación entre ambas magnitudes se puede expresar asemejando la tensión T con el desplazamiento eléctrico D y la deformación S con el campo eléctrico E. Por tanto, si el campo eléctrico E es proporcional al desplazamiento eléctrico D a través de la constante dieléctrica del material ε, la deformación S es proporcional a la tensión T a través de un tensor constante [cE], como se puede ver en la expresión

Si al desplazamiento mecánico producido le denominamos u, podemos poner la deformación S como un gradiente de este desplazamiento mecánico a través de

deformación

Con lo que se puede ver la similitud con el campo eléctrico, que deriva en forma de gradiente de un potencial eléctrico V.

Normalmente T y S son magnitudes vectoriales, y [cE]  es un tensor. Pero si manipulamos el material de modo que sólo tengamos deformación en uno de los ejes (por convenio, a partir de aquí vamos a usar el eje Z), las expresiones se simplifican siendo T y S simples magnitudes escalares, y cE una constante de proporcionalidad. Las dimensiones de esta constante son las mismas que la tensión, tiene dimensiones de presión (N/m2).

La deformación está sujeta a la 2ª ley de Newton, que relaciona la velocidad de deformación con la tensión aplicada a través de

ley de newton donde ρ es la densidad de masa por unidad de volumen. Como hemos escogido trabajar sólo en una dirección de propagación, podemos poner la divergencia de T como

divT

y teniendo en cuenta que S es la derivada con respecto a z del desplazamiento mecánico u, introduciendo ésto en la expresión de la Ley de Newton y agrupando los términos obtenemos

helemholtzque es una ecuación de onda similar a la que se obtiene del desarrollo de las ecuaciones de Maxwell en electromagnetismo. De esta ecuación se puede derivar la ecuación de Helmholtz, asumiendo que la solución de esta ecuación es una solución del tipo

desplazay usando esta solución en la ecuación de onda anterior, obtenemos que

onda_ecua

que corresponde a la ecuación de Helmholtz. En la ecuación de Helmholtz, la constante de propagación K se define por

propaga

donde v es la velocidad de propagación de la onda acústica (velocidad del sonido en el medio acústico). De aquí se puede obtener la constante cE, que está relacionada con el material a través de su densidad y de la velocidad de propagación de la onda acústica en el mismo.

conste

Al tratarse de una onda viajando a través de un medio material, podemos tratar la misma como una onda que se propaga a través de una línea de transmisión, cuya impedancia Z0 se obtiene por

impedance_ac

que denominamos impedancia acústica del medio y que se expresa en Rayl o N⋅s/m3. La velocidad de propagación v, que es la velocidad del sonido en el medio material, está relacionada con el desplazamiento acústico lineal a través de

velci

y el desplazamiento acústico angular se puede expresar por

angular

Viendo la similitud entre las ecuaciones de la acústica y las ecuaciones del campo electromagnéticos, podemos establecer una analogía en ambos tipos de interacciones que nos va a permitir desarrollar correctamente el estudio de los materiales piezoeléctricos.

ECUACIONES CONSTITUTIVAS DE UN MATERIAL PIEZOELÉCTRICO

En un medio piezoeléctrico, como en cualquier otro material, se producen tensiones y deformaciones acústicas. La peculiaridad del piezoeléctrico es que esas tensiones que aplicamos generan campos eléctricos. Del mismo modo, por reciprocidad, cuando aplicamos un campo eléctrico a un piezoeléctrico, generamos tensiones acústicas en el material. Por tanto, podemos relacionar estas tensiones y campos eléctricos mediante las ecuaciones constitutivas del piezoeléctrico, que son

consti

Estas ecuaciones muestran la relación entre la tensión generada en la superficie del piezoeléctrico T con la deformación S, cuando se le aplica un campo eléctrico E. Recíprocamente, se produce un desplazamiento eléctrico en el piezoeléctrico cuando se aplica una deformación S, apareciendo un campo eléctrico E. En este caso, además de la constante que relaciona la deformación con la tensión cE, también aparece la constante dieléctrica del material εS y la constante piezoeléctrica e33, que liga la tensión T con el campo eléctrico E en la dirección Z. En un sistema tridimensional, esa constante estaría representada por un tensor.

Con estas ecuaciones constitutivas, podemos obtener la ecuación de onda anterior, teniendo en cuenta las mismas condiciones. Sabiendo que el desplazamiento eléctrico es, por el teorema de Gauss

gauss

y que aunque se le aplique una deformación o un campo eléctrico no hay variación de la carga espacial, podemos reescribir la ecuación de onda anterior como

onda2donde la constante cD es la constante de deformación cuando aparece un campo electrostático en el medio material y se puede escribir por

consta2

que es característica de un medio piezoeléctrico. Así, la solución a la ecuación de onda será similar a la del caso de un medio material acústico, donde esa constante cD, se puede calcular a través de

consta3

manteniéndose el resto de ecuaciones igual.

Como la solución de la ecuación de onda del piezoeléctrico es una onda que se propaga en una dirección determinada, podemos representar el medio de propagación como una línea de transmisión de impedancia A⋅Z0, donde Z0 es la impedancia acústica que depende exclusivamente del medio material a través de su densidad ρ y la velocidad de propagación del sonido v en el medio material; y A es la superficie del material piezoeléctrico.

linea

Línea de transmisión equivalente de la parte acústica

Al ser una línea de transmisión, tendrá resonancias cada n·λ/4, siendo λ la longitud de onda de la onda acústica. Si el dieléctrico tiene un espesor d, una resonancia λ/4 en la línea de transmisión. Por tanto, el material piezoeléctrico se puede usar para realizar resonadores eléctricos, ya que la resonancia acústica se puede relacionar, a través de las ecuaciones constitutivas, con la resonancia eléctrica.

CONCLUSIÓN

Hemos visto en esta entrada cómo se producen las ondas acústicas en un material, y la relación existente, a través de las ecuaciones constitutivas, entre los campos acústico y eléctrico.

Los materiales piezoeléctricos son de uso cada vez más común en electrónica, ya sea como resonadores, como generadores de sonido o como generadores de energía eléctrica para Energy Harvesting, realizando alimentadores eléctricos que usan la energía procedente de la vibración acústica para generar una tensión eléctrica.

El modelado circuital equivalente de estos componentes está resuelto a través de las ecuaciones constitutivas, siendo los modelos más habituales el modelo de Redwood o el de Mason.

En las próximas entradas trataremos de explicar el modelo equivalente de Mason de un piezoeléctrico, tanto en su versión lineal como no lineal.

REFERENCIAS

  1. W.P. Mason, Electromechanical Transducers and Wave Filters”Princeton NJ, Van Nostrand, 1948
  2. J. F. Rosenbaum, “Bulk Acoustic Wave Theory and Devices”, Artech House, Boston, 1988.
  3. M. Redwood, “Transient performance of a piezoelectric transducer”, J. Acoust. Soc. Amer., vol. 33, no. 4, pp. 527-536, April 1961.
  4. R. Krimholtz, D.A. Leedom, G.L. Mathaei, “New Equivalent Circuit for Elementary Piezoelectric Transducers”, Electron. Lett. 6, pp. 398-399, June 1970.
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