I materiali piezoelettrici sono tra i più antichi componenti basati sui materiali in uso agli ingegneri. L'effetto piezoelettrico fu scoperto nel 1880 dal fisico francese Pierre Curie e da suo fratello Jacques, i quali osservarono che un materiale di ceramica o cristallo, persino di osso, sotto stress (pressione) produce una tensione distinta e ripetibile proporzionata alla pressione applicata (Figura 1a). Subito dopo, i due fratelli dimostrarono l'effetto inverso: quando una tensione viene applicata a un cristallo, lo stesso subisce un piccolo cambiamento o deformazione nella forma o nella dimensione (Figura 1b).
Questi due principi sono stati adattati a molte applicazioni; la più nota è l'utilizzo del quarzo come elemento di risonanza in un circuito oscillante. I materiali piezoelettrici sono utilizzati anche come attuatori che possono essere diretti per muoversi con precisi passi di dimensioni nanometriche, divenendo quindi micromotori di applicazioni che vanno da strumenti scientifici di livello elevato all'autofocus delle macchine fotografiche di largo consumo.
Figura 1: L'effetto piezoelettrico ha una doppia natura: a) applicando pressione su un cristallo si genera tensione elettrica; mentre b) applicando tensione elettrica su un cristallo lo stesso si deforma, in entrambi i casi con modalità prevedibili e ripetibili. (Fonte: Seiko Epson Corp.)
Anche un grill a gas può avere un elemento piezoelettrico, utilizzando un cristallo incorporato che genera una scintilla di diverse centinaia di volt quando un utente ruota una manopola schiacciando il cristallo. Tale scintilla infiamma il gas che produce una fiamma (ma la corrente è talmente bassa che non c'è pericolo di shock).
Data la loro struttura cristallina, molti materiali piezoelettrici sono talmente duri da resistere a forti stress senza subire cambiamenti nelle loro caratteristiche di base o rompersi. Per questa ragione, sono spesso utilizzati come trasduttori per i parametri fisici di rilevamento della pressione, che comprende la stessa pressione e altre relative manifestazioni: accelerazione, impatto, altitudine (pressione aerea) e vibrazione. A seconda del materiale, tali sensori possono resistere e funzionare ad accelerazioni di diverse migliaia di g.
Dispositivi Piezoelettrici e Sensori di deformazione
In qualità di trasduttore di base, l'unità basata su materiale piezoelettrico è molto semplice e robusta, ma ha una caratteristica elettrica unica. Data la sua naturale alta impedenza elettrica, può inviare un segnale sufficientemente forte al circuito elettrico solo se anche il circuito di interfaccia responsabile per il condizionamento del segnale ha un'alta impedenza. La corrispondenza dei livelli di impedenza è una conseguenza della legge di trasferimento di potenza, secondo la quale l'impedenza di una fonte e il suo carico devono essere coniugati completi, per ottenere il trasferimento di potenza massimo. [Si noti che la stessa considerazione è valida anche in altri contesti, compreso l'amplificatore di potenza RF alla base di un'antenna o un'antenna connessa a un amplificatore a basso rumore (LNA) in un sistema wireless.]
Un modo per soddisfare tali requisiti di interfaccia consiste nel connettere il sensore piezoelettrico a un transistor ad effetto di campo a giunzione (JFET). Questo dispositivo ha generalmente un'impedenza in entrata di almeno 1 GΩ (109 Ω) e un'ampiezza di banda di molti kHz o superiore, il che è necessario per le misurazioni di vibrazioni ad alta frequenza. Sebbene utilizzare un JFET sia una soluzione sostenibile, costituisce solo una risposta parziale ai requisiti globali del circuito di interfaccia. Il JFET deve essere polarizzato appropriatamente e spesso necessita di una compensazione di temperatura aggiuntiva, per assicurare accuratezza e stabilità se l'ambiente non è controllato o stabile.
Per questa ragione, molti progettisti preferiscono utilizzare un amplificatore operativo ad alta impedenza della serie TLV2771 di Texas Instruments (Figura 2). Questo amplificatore operazionale CMOS-input offre le seguenti specifiche: 360-mV di tensione di offset in entrata, 17 nV/√Hz di tensione del rumore d'ingresso e 2-pA di sovracorrente in entrata; tali caratteristiche lo rendono un'ottima scelta, quando si utilizza un trasduttore piezoelettrico per le misurazioni ad alta risoluzione e ad alti livelli di accuratezza in applicazioni industriali, scientifiche e mediche.
Figura 2: L'amplificatore operazionale TLV2775 CMOS-input di Texas Instruments è adatto all'utilizzo in circuiti front-end per il condizionamento dei segnali per fonti ad alta impedenza come i trasduttori piezoelettrici. (Fonte: Texas Instruments)
Anche se il circuito che utilizza tale amplificatore operazionale richiede anche alcuni altri componenti di supporto, la progettazione generale del circuito è più semplice e prevede molti meno posizionamenti fisici critici rispetto al solo JFET. Ciò è importante perché i circuiti ad alta impedenza possono essere molto sensibili a piccole problematiche di layout o di progettazione.
Se si desidera portare l'integrazione un livello superiore, un'alternativa consiste nell'utilizzare dispositivi che utilizzano tecnologia MEMS per inserire un sensore piezoelettrico e il relativo circuito associato in un pacchetto unico. Il MPL3115A2 (Figura 3) di Freescale è un altimetro, barometro e termometro ad alta accuratezza e bassi consumi con output digitale, il tutto integrato in un dispositivo di 3 x 5 x 1,1 mm. Il dispositivo completo comprende un elemento per il rilevamento della pressione, l'elaborazione del segnale analogico e digitale e un'interfaccia 12C e può funzionare nella gamma da 50 a 110 kPa con risoluzione a 20-bit.
Figura 3: Il sensore di pressione basato su elementi piezoelettrici MPL3115A2 di Freescale include un'estremità frontale analogica, un convertitore A/D e un'interfaccia seriale, insieme a un sensore di temperatura; utilizza una configurazione multi-elemento classica a ponte di Wheatstone, per assicurare alta accuratezza e sensibilità. (Fonte: Freescale Semiconductor)
Data la presenza della funzione A/D interna e dell'interfaccia 12C, minimizza la conversione e il carico computazionale nel microcontroller associato. Questa particolare unità punta a segnali di pressione che presentano cambiamenti relativamente lenti, come quelli dovuti a cambiamenti delle condizioni atmosferiche o dell'altitudine, il che rende superflui conversioni veloci o aggiornamenti che porterebbero a una maggiore dissipazione. Il termometro interno a 12 bit nell'MPL3115A2 può essere utilizzato per letture di base della temperatura, naturalmente, così come per l'implementazione di correzioni di temperatura delle letture dei sensori, se necessario.
Anziché incorporare un singolo elemento piezoelettrico, questo componente utilizza una configurazione multi-elemento a ponte di Wheatstone. Questa topologia classica consente rilevazioni più accurate dei cambiamenti relativamente esigui nella pressione, offrendo ripetibilità e precisione. I dispositivi come questi sensori altamente integrati e con componente elettronica integrante sono utilizzati anche in varie applicazioni come la rilevazione della pressione interna degli pneumatici (come richiesto dagli ultimi standard sulla sicurezza dei veicoli).
La piezoelettrica aiuta la raccolta
Negli ultimi anni, i sensori piezoelettrici hanno avuto un ruolo molto diverso, rispetto alla tradizionale rilevazione della pressione per le applicazioni di misurazione e test. L'effetto piezoelettrico viene invece sfruttato nei progetti di raccolta energetica per sistemi posizionati dove non è disponibile una fonte energetica indipendente o la sostituzione delle batterie non è agevole o conveniente.
La loro applicazione come fonte di energia da raccogliere è diversa dal loro utilizzo come trasduttori di pressione, impiego che prevede l'abilità di rilevare il più piccolo segnale elettrico con precisione e accuratezza. Nel primo caso, al contrario, l'obiettivo è catturare, immagazzinare, per poi rilasciare al bisogno, l'energia elettrica che il dispositivo piezoelettrico produce dalle vibrazioni ambientali casuali. Tali vibrazioni sono disponibili in una determinata misura in quasi ogni installazione, comprese carreggiate, ponti, pavimenti, motori e persino scarpe. Accuratezza, precisione, linearità e le deviazioni indotte dalla temperatura, ovvero le metriche tradizionali per le prestazioni di acquisizione dei dati, non sono importanti, in questo caso. Il fattore più importante, invece, è l'efficienza.
Catturare l'energia rilasciata da un dispositivo piezoelettrico in seguito a vibrazione potrebbe sembrare un compito semplice, ma non lo è. Le scariche elettriche sono esili e possono essere facilmente disperse dal circuito lungo i percorsi a bassa impedenza o dissipate dal circuito elettronico di accumulo. L'energia catturata del sensore piezoelettrico deve essere accuratamente e immediatamente diretta verso un elemento di accumulo, come una batteria o un condensatore, perché non venga dispersa. L'energia immagazzinata, infine, deve essere attentamente allocata e misurata al carico, ovvero il circuito che il raccoglitore sta alimentando, assicurandosi allo stesso tempo che l'elemento di accumulo non venga scaricato tanto lontano da richiedere troppo tempo per essere rifornito (il rifornimento dell'elemento di accumulo da uno stato di bassa energia ha altre implicazioni relative a efficienza e dispersione).
Nonostante queste problematiche, i venditori di circuiti integrati per la gestione della potenza e analogici hanno riconosciuto l'opportunità offerta dai sensori basati su materiale piezoelettrico come fonte di energia gratuita, a lungo termine, affidabile e con bassi costi di avvio. Ad esempio, l'LTC3588 di Linear Technology Corp. (Figura 4) è progettato per raccogliere scariche casuali e a basso contenuto elettrico da dispositivi piezoelettrici. Nel dispositivo è integrato un rettificatore di ponte a onda intera e bassa perdita con un convertitore buck ad alta efficienza, in modo da formare una soluzione per la raccolta energetica completa.
Figura 4: Utilizzare dispositivi piezoelettrici per la raccolta energetica necessita di un'interfaccia molto differente, rispetto a quelle utilizzate quando gli stessi dispositivi servono come fonti di dati relativi alla pressione. L'LTC3588 di Linear Technology cattura le scariche elettriche prodotte dalle vibrazioni casuali, le dirige verso un elemento di accumulo come un condensatore e poi gestisce la potenza rilasciata dal carico. (Fonte: Linear Technology)
L'LTC3588 risolve il dilemma "è nato prima l'uovo o la gallina?", che ci si pone quando si prova a raccogliere energia da una fonte random. Il dubbio è il seguente: il circuito e l'elemento di accumulo non possono catturare e mantenere l'energia raccolta fino a quando lo stesso circuito integrato associato non abbia sufficiente potenza per operare; ciononostante, il sistema non può accumulare tale potenza fino a che il circuito non è in funzione. I più, mentre l'elemento per l'accumulo di elettricità sta provando a "riempirsi", il carico potrebbe esaurire la sua energia, con il risultato che non si verificherebbe alcun accumulo. Per fare un'analogia, è come se in un secchio ci fosse un buco tanto grande da rendere impossibile per qualunque pompa da giardino fare alcun progresso nel tentativo di riempirlo d'acqua.
La soluzione incorporata nell'LTC3588 è una modalità di blocco di sottotensione (UVLO) di corrente quiescente ultra-bassa con un'ampia finestra di isteresi. Ciò permette alla carica di accumularsi su un condensatore di ingresso ma di non essere utilizzata fino a che il convertitore buck non possa trasferire efficacemente una parte dell'energia accumulata fino all'uscita. Per il binario di carico, gli utenti possono scegliere uno dei quattro valori della tensione d'uscita (1,8 V, 2,5 V, 3,3 V e 3,6 V) selezionando un pin e il circuito integrato può consegnare fino a 100 mA da batteria/condensatore di accumulo per i requisiti di corrente moderati/cicli di lavoro bassi di molti dispositivi IoT. Mantenendosi in linea con i pacchetti fisici molto piccoli delle applicazioni di raccolta di dati relativi a energia e accumulo o reporting che serve, l'LTC3588 è disponibile in piccoli pacchetti di MSE 10-Lead e DFN da 3x3 mm.
Nonostante siano da tempo utilizzati in innumerevoli applicazioni già affermate, i sensori basati su elementi piezoelettrici trovano ancora nuovi utenti. Si spazia da utilizzi base per il rilevamento della pressione, come il monitoraggio della pressione degli pneumatici, a nuovi usi, come la raccolta energetica in applicazioni IoT. Supportate dai progressi nella scienza dei materiali, le attività di ricerca e sviluppo forniscono nuovi materiali cristallini piezoelettrici, che permettono diverse combinazioni di prestazioni desiderate e attributi di costo, per espandere le relative applicazioni. Quando combinati con circuiti e componenti elettronici appropriati, i sensori piezoelettrici e i trasduttori offrono ai progettisti un'opzione vantaggiosa per soddisfare molti requisiti progettuali relativi a output, sensibilità, linearità, robustezza, ripetibilità e costi.