Los materiales piezoeléctricos están entre los componentes materiales más antiguos en el kit de herramientas de los ingenieros. El efecto piezoeléctrico fue descubierto en 1880 por el físico francés Pierre Curie y su hermano Jacques, quienes descubrieron que cuando se aplica estrés (presión) a un material cerámico o de cristal, o hasta hueso, el material produce una tensión distinta y repetible en proporción a ese estrés (Figura 1a). Poco tiempo después, demostraron el efecto inverso; cuando una tensión se aplica al cristal, sufre un cambio pequeño o deformación en tamaño o distorsión (Figura 1b).
Estos dos principios han sido adaptados a muchas aplicaciones: el mejor conocido es el uso del cuarzo como un elemento resonante en un circuito oscilante. Los materiales piezo también se usan como actuadores que pueden ser direccionados para moverse en pasos precisos del tamaño de un nanómetro, tal como micromotores en aplicaciones que van desde los instrumentos científicos de avanzada hasta autocentrarse en cámaras de gran consumo.
Figura 1: el efecto piezoeléctrico tiene una naturaleza doble: a) la aplicación de estrés en un cristal hace que este genere tensión; mientras que b) la aplicación de una tensión al cristal hace que este se deforme, ambos en relaciones predecibles y repetibles. (Fuente: Seiko Epson Corp.)
Incluso una parrilla a gas puede tener un elemento piezoeléctrico, usando un cristal integrado que genera una llama de varios voltios cuando el usuario gira una perilla y aprieta el cristal. Esta chispa enciende el gas e inicia una llama (pero el nivel de corriente es tan bajo que no hay peligro de choque).
Debido a que tienen una estructura cristalina, muchos materiales piezoeléctricos son bastante duros y pueden soportar una gran cantidad de fuerza sin cambiar sus características básicas o sin generar fallas. Por esta razón, generalmente se usan como transductores para detectar parámetros físicos relacionados con la presión, que incluye la presión por sí misma, además de sus manifestaciones relacionadas: aceleración, impacto, altitud (presión aérea) y vibración. Dependiendo del material, estos sensores pueden soportar y trabajar en aceleraciones de varios miles de g.
Dispositivos piezo como sensores de esfuerzo
Como un transductor básico, la unidad basada en piezo es muy simple y resistente, pero tiene un aspecto eléctrico único. Debido a su impedancia eléctrica alta inherente, puede solo entregar una señal lo suficientemente alta para el circuito electrónico si el circuito de acondicionamiento de señal de interfaz también tiene una impedancia alta. La coincidencia de impedancia es una consecuencia de la ley de transferencia de energía, donde la impedancia de una fuente y su carga deben ser conjugados complejos para alcanzar la máxima transferencia de energía. [Tenga en cuenta que esta misma consideración ocurre en otros contextos también, incluyendo una unidad amplificadora de potencia RF o una antena conectada a un amplificador de sonido bajo (LNA) es un sistema inalámbrico.]
Un modo de satisfacer estos requisitos de interfaz es conectar el sensor piezo a un transistor de efecto campo (JFET). Este dispositivo discreto tiene una impedancia de entrada de al menos 1 GΩ (109 Ω) junto con un ancho de banda de kHz alto y hasta incluso más alto, que es necesario para mediciones de vibraciones de alta frecuencia. Usar un JFET es una solución viable, pero es solamente una respuesta parcial para los requisitos de circuito de interfaz general. El JFET debe estar correctamente proyectado, y a menudo necesita compensación de temperatura agregada para asegurar la corrección y estabilidad si el medioambiente no está controlado ni es estable.
Por esta razón, muchos diseñadores en su lugar prefieren usar un amplificador operacional de impedancia alta como la serie TLV2771 de Texas Instruments (Figura 2). Este amplificador operacional con entrada de CMOS incluye una tensión de compensación de entrada de 360-mV, tensión de sonido de entrada de 17 nV/√Hz y corriente de polarización de entrada 2-pA; especificaciones que combinan perfectamente cuando usan un transductor piezo de alta precisión, mediciones de alta resolución en aplicaciones científicas, industriales y médicas.
Figura 2: El amplificador operacional con entrada TLV2775 CMOS de Texas Instruments es ideal para su uso en circuitos de interfaz de acondicionamiento de señales para fuentes de impedancia alta tal como transductores piezo. (Fuente: Texas Instruments)
A pesar de que el circuito que usa este amplificador operacional todavía requiere de un puñado de componentes de apoyo, el diseño general del circuito es más simple y tiene muchas menos ubicaciones físicas que las basadas en solo JFET. Esto es importante porque los circuitos de impedancia alta pueden ser muy sensibles a temas sutiles de disposición y diseño.
Al llevar el tema de la integración un paso más allá, otra alternativa es usar dispositivos que emplean tecnología MEMS para colocar un sensor piezo y sus circuitos asociados en un solo paquete. El Freescale MPL3115A2 (Figura 3) es un altímetro, barómetro y termómetro de alta precisión y bajo consumo de energía con salida digital, todo integrado en un dispositivo de 3mm × 5mm × 1,1mm. El dispositivo completo incluye un elemento de detección de presión, procesamiento de señal digital y análoga y una interfaz de I2C, y puede funcionar en un rango de 50 a 110 kPa con una resolución de 20 bits.
Figura 3: El sensor de presión en base a piezo Freescale MPL3115A2 incluye una interfaz análoga, un conversor A/D y una interfaz serial junto con un sensor de temperatura; usa la configuración puente clásica multielemento Wheatstone para lograr precisión y alta sensibilidad. (Fuente: Semiconductor Freescale)
Como consecuencia de la función interna A/D y la interfaz I2C, se minimiza la conversión y la carga computacional en el microcontrolador asociado. Esta unidad particular se centra en señales de presión de cambio relativamente lento, tal como aquellos que ocurren por cambios en el clima o la altitud, por ello no hay necesidad de realizar actualizaciones o conversiones rápidas que podrían incurrir en una penalización por disipación más grande. El termómetro interno de 12 bits en el MPL3115A2 puede usarse para lecturas básicas de temperatura, por supuesto, además de la implementación de corrección de temperatura de las lecturas del sensor, si fuese necesario.
En lugar de incorporar solamente un único elemento piezo, este componente usa una configuración de múltiples elementos del puente de Wheatstone. Esta topología de sensor clásico realiza una detección más precisa de los cambios relativamente pequeños en presión y con precisión y reproducibilidad. Los dispositivos tal como este sensor altamente integrado con electrónica integral también se usan en aplicaciones tan diversas como las lecturas internas de presión de neumáticos (obligados por los últimos estándares de seguridad vehicular).
Piezo ayuda en la recolección de energía
En los últimos años, los sensores piezo han tenido un rol es bastante diferente al de detección de presión para aplicaciones de mediciones y pruebas que tenían tradicionalmente. En su lugar, el efecto piezoeléctrico se usa para diseños de recolección de energía en sistemas ubicados donde no hay ninguna fuente de energía independiente, o el reemplazo de una batería no es deseable o es impráctico.
Su aplicación como fuente de energía a ser recolectada es diferente a su uso como transductores de presión, donde el desafío es capturar las señales eléctricas del minuto con precisión y corrección. En cambio, este desafío es capturar, almacenar y luego liberar según sea necesario, la energía eléctrica que produce el dispositivo piezo a partir de la vibración ambiente aleatoria. Estas vibraciones están disponibles hasta cierto punto en casi cada instalación incluyendo rutas, puentes, pisos, motores e incluso los zapatos. La corrección, precisión, linealidad y movimiento inducido por temperatura, las mediciones tradicionales de rendimiento de adquisición de datos, no son relevantes en este caso. En cambio, todo tiene que ver con la eficiencia.
Capturar la energía que sale del dispositivo piezo por la vibración puede parecer un desafío modesto, pero no lo es. Las explosiones de energía aleatorias son pequeñas y pueden perderse fácilmente en fugas del circuito en los trayectos de impedancia baja o disipación dentro de circuitos electrónicos de almacenamiento/captura. Toda energía capturada a partir del sensor piezo debe ser direccionada de manera cuidadosa e inmediata a un elemento de almacenamiento tal como un capacitor o batería, para que no se pierda. Finalmente, la energía almacenada debe ser cuidadosamente ubicada y estacionada en la carga, el circuito real que el recolector energiza, a la vez que nos aseguramos de que el elemento de almacenamiento no quede tan drenado de tal modo que lleve demasiado tiempo reponerlo (volver a llenar el elemento de almacenamiento desde un estado de energía baja tiene otras implicancias de pérdida y eficiencia).
A pesar de estos temas, los proveedores de circuitos integrados de administración energética y análogo han reconocido la oportunidad de que los sensores piezo pueden ofrecer una fuente a largo plazo, fiable y a bajo costo de energía libre. Por ejemplo, el LTC3588 de Linear Technology Corp. (Figura 4) está diseñado para recolectar explosiones aleatorias de energía baja de dispositivos piezo. Integra un rectificador de puente de onda completa y fuga baja con un convertidor Buck de alta eficiencia para formar una solución de recolección completa de energía.
Figura 4: El uso de dispositivos piezo en la recolección de energía exige de una interfaz muy diferente de cuando están siendo usados como fuentes de datos relacionados con la presión. El LTC3588 de Linear Technology captura explosiones de energía aleatoria inducida por vibración, las dirige a un elemento de almacenamiento tal como el capacitor, y luego administra la energía extraída por la carga. (Fuente: Linear Technology)
El LTC3588 aborda el dilema “¿Qué fue primero, el huevo o la gallina?”, que se produce cuando se intenta recolectar energía de una fuente aleatoria. La disyuntiva es esta: el circuito y el elemento de almacenamiento no pueden capturar y retener la energía recolectada hasta que el IC asociado tiene suficiente energía por sí mismo para operar; pero el sistema no puede acumular esa energía hasta que el circuito está en funcionamiento. Además, mientras que el elemento de almacenamiento de energía está intentando "llenarse", la carga puede estar drenando energía, por eso no hay acumulación neta. Es análogo a un orificio en un balde tan grande que la manguera de suministro no puede hacer progresos para llenarlo.
La solución integrada al LTC3588 es un modo de bloqueo de subtensión estática ultra baja (UVLO) con una amplia ventana de histéresis. Esto permite cargar para acumular en un capacitor de entrada pero no se usará hasta que el convertidor Buck pueda, de manera eficiente, transferir una parte de la carga almacenada a la salida. Para el ferrocarril de carga, los usuarios pueden seleccionar uno de cuatro tensiones de salida (1,8 V; 2,5 V; 3,3 V y 3,6 V) mediante la selección de pin, y el IC puede entregar hasta 100 mA desde el capacitor/batería almacenada, que es suficiente para el requisito de corriente moderada/de ciclo bajo de muchos dispositivos de la IoT. Al mantener el paquete físico tan pequeño de muchas de las aplicaciones de creación de datos y de recolección de datos de extracción de energía a las que le presta servicio, el LTC3588 está disponible en paquetes pequeños de MSE de 10 de plomo y DFN de 3mm × 3mm.
A pesar de su madurez en incontables aplicaciones establecidas, los sensores piezo aún están incorporando usos nuevos. Esto varía desde situaciones de detección básica relacionada con la presión tal como el control de la presión de los neumáticos, a más nuevas tal como la extracción de energía en aplicaciones IoT. Estimulados por avances en la ciencia de los materiales, la investigación continua y el trabajo de desarrollo, están apareciendo nuevos materiales de cristal piezo, que ofrecen diferentes combinaciones de rendimiento deseado y atributos de costos para expandir sus aplicaciones. Cuando se combinan en los componentes y circuitos electrónicos adecuados, los transductores y sensores piezo ofrecen a los diseñadores una opción atractiva para satisfacer muchos requisitos de proyectos en cuanto a resultados, sensibilidad, linealidad, resistencia, reproducibilidad y costo.