😃 Los SENSORES PIEZOELÉCTRICOS

Materiales piezoeléctricos

✌ Cuando un material piezoeléctrico se estira o comprime genera cargas eléctricas; una de sus caras se carga en forma positiva y la cara opuesta se carga en forma negativa, siguiente figura apartado a). En consecuencia, se produce un voltaje.

a) Piezoelectricidad, b) condensador piezoeléctrico

✊ Los materiales piezoeléctricos son cristales iónicos que al estirarlos o comprimirlos producen una distribución de carga en el cristal que origina un desplazamiento neto de carga; una de las caras del material se carga positivamente y la otra negativamente. La carga neta q en una superficie es proporcional a la cantidad x que las cargas hayan sido desplazadas y, dado que el desplazamiento

es proporcional a la fuerza aplicada F:

q = kx = SF

donde k es una constante y S una constante denominada sensibilidad de carga. Esta depende del material y de la orientación de sus cristales. El cuarzo tiene una sensibilidad de carga de 2.2 pC/N si el cristal se corta en determinada dirección y las fuerzas se aplican en una dirección específica; el titanato de bario tiene una sensibilidad de carga del orden de 130 pC/N mucho mayor que la anterior, y la de titanato-zirconato de plomo es de unos 265 pC/N.

👉 En dos caras opuestas del cristal piezoeléctrico se depositan electrodos metálicos, lo podemos observar en la imagen anterior en el apartado b). La capacitancia C del material piezoeléctrico que está entre las placas es:

C = (E0ErA) / t

donde Er, es la constante dieléctrica relativa del material, A el área y t el espesor de ésta. Dado que la carga q = Cv, donde v es la diferencia de potencial creada en el condensador, entonces:

v = (St / (E0ErA))F

👌 La fuerza F se aplica en un área A, por lo que la presión aplicada p es F/A y si Sy = (S / E0Er), se llama factor de sensibilidad de voltaje:

v = Svtp

👍 El voltaje es proporcional a la presión aplicada. La sensibilidad de voltaje del cuarzo es del orden de 0.055 V/m Pa y la del titanato de bario es de unos 0.011 V/m Pa.

💥 Los sensores piezoeléctricos se usan para medir presión, fuerza y aceleración. Sin embargo, las aplicaciones deben ser tales que la carga producida por la presión no tenga mucho tiempo para su descarga o fuga y, por lo tanto, en general se utilizan para medir presiones transitorias en vez de presiones permanentes.

Circuito equivalente de un sensor piezoeléctrico

💢 El circuito equivalente de un sensor piezoeléctrico es un generador de carga en paralelo con la capacitancia Cs y con la resistencia R, que se genera de la corriente de fuga que circula por el dieléctrico, lo vemos en la siguiente figura 👇 en el apartado a). 

a) Circuito equivalente del sensor, b) sensor conectado a un amplificador de carga

✋ Si un sensor se conecta vía un cable, con una capacitancia Cc a un amplificador con capacitancia de entrada CA y resistencia RA, se obtiene el circuito mostrado en la figura anterior apartado b) y una capacitancia total en el circuito de Cs + Cc + CA en paralelo con la resistencia RARs,/(RA + Rs). 

💣 Cuando el sensor está sujeto a presión, se carga, pero debido a la resistencia, el condensador se descarga después de un tiempo. El tiempo de descarga dependerá de la constante de tiempo del circuito.

Escrito por Archie Tecnology