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El efecto Piezoelétrico y sus aplicaciones tecnológicas. Segunda
parte. Por Erika Loa, Concepción Arenas y Víctor M. Castaño.
Aunque
el
fenómeno
piezoeléctrico
es
cristalinamente
anisótropo, una muestra policristalina (que en principio no
tendría que presentar el fenómeno ya que sus momentos
dipolares
están
orientados
al
azar)
puede
presentar
piezoelectricidad si es sometida a un tratamiento adecuado.
Este es el caso de los condensadores de PZT (Titanato Zirconato
de Plomo) policristalino que se utilizan, por ejemplo, para el
aviso acústico en aparatos electrónicos (relojes, alarmas,
ordenadores, teléfonos móviles, etc.). Un posible proceso
tecnológico para conseguir piezoelectricidad en cerámicas
policristalinas puede consistir en aplicar un fuerte campo
eléctrico, que oriente los dipolos de la muestra, a una
temperatura ligeramente inferior a la temperatura de Curie. Las
cerámicas
piezoeléctricas
pueden
presentar
efectos
piezoeléctricos más intensos que los materiales policristalinos.
Uno de los materiales piezoeléctricos con más éxito desarrollado
recientemente es el PZT con una polarización espontánea de
47mC/cm2, una temperatura de Curie (Tc) de 97ºC y un
coeficiente d en torno a 10-10C/N, cincuenta veces mayor que
el cuarzo. Por debajo de Tc muestra una simetría tetragonal
asimétrica que provoca la piezoelectricidad. Presenta como
desventaja la alta dependencia con la temperatura de sus
coeficientes piezoeléctricos. El proceso de fabricación de esta
cerámica sigue una ruta de metalurgia de polvos seguido de
una aplicación de un campo eléctrico, 2x104V/cm, a alta
temperatura para conseguir la polarización uniaxial.
La
fabricación de sensores cerámicos de PZT comienza con óxidos
metálicos de alta pureza (óxido de plomo, óxido de zirconio,
óxido de titanio, etc.) en polvo teniendo varios colores. Los
polvos son molidos a diferente fineza, y mezclados a fondo en
proporciones químicamente correctas. En un proceso llamado
calcinación, las
mezclas
son
expuestas
después
a
una
temperatura elevada, permitiendo a los ingredientes reaccionar
para formar un polvo, tal que cada grano tenga una
composición química cercana a la composición final deseada.
En esta etapa, sin embargo, el grano no tiene aún la estructura
cristalina deseada.
El siguiente paso es mezclar el polvo
calcinado con un aglomerante orgánico ya sea sólido o líquido
(el cual tiende a evaporarse durante el horneado) y crear
mecánicamente una pasta de una forma aproximada a la
forma final del elemento del sensor. Para dar la forma deseada
a la pasta, varios métodos pueden ser usados. Entre ellos están
por presión (bajo la fuerza de un pistón hidráulico), vaciado
(fluyendo el líquido viscoso en moldes y dejando secar),
extrusión (presionando la mezcla a través de un dado o un par
de cilindros para formar una hoja delgada). Después de que se
ha dado forma a la pasta, se posiciona en un horno y es
expuesto a un perfil de temperatura muy controlado. Una vez
evaporados los aglomerantes orgánicos, el material se encoge
alrededor de 15%. La pasta se calienta al rojo vivo y se mantiene
en ese estado por algún tiempo, durante el cual la última
reacción química ocurre. La estructura cristalina se forma
cuando el material es enfriado. Cuando el material es enfriado,
los electrodos de contacto son aplicados en la superficie. Esto
puede hacerse por varios métodos. El más común de ellos,
fundidos en plata, depósito en electrodos (deposición química
en un baño especial), y sputtering (una exposición a vapor
metálico en un vacío parcial).
Las celdas cristalinas en el
material pueden considerarse como dipolos eléctricos. En
algunos materiales, como el cuarzo, esas celdas son orientadas
naturalmente a lo largo del eje del cristal, dando así la
sensibilidad a la presión del material. En otros materiales, los
dipolos son orientados al azar y el material requiere ser
polarizado para obtener las propiedades piezoeléctricas. Para
dar a un material cristalino propiedades piezoeléctricas, pueden
usarse varias técnicas de polarización.
Los autores de este
artículo son Erika Loa, Concepción Arenas y Víctor Castaño.
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