piezoelectricidad

Capítulo 2. Piezoelectricidad.
2.1 Efecto Piezoeléctrico.
El efecto piezoeléctrico es la iteración electromecánica entre los estados eléctricos y mecánicos, presentada por ciertos materiales sólidos, como: cristales, cerámicos y materiales biológicos como huesos, ADN y varias proteínas [1].
En el año de 1880 este fue descubierto de forma experimental por los hermanos Jaques y Pierre Curie,quienes observaron que los monocristales de Turmalina y la sal de rochelle presentan cargas eléctricas al aplicar un esfuerzo de compresión en una dirección dada, a este efecto se le conoce como efecto piezoeléctrico directo. En 1881 Gabriel Lippman de manera teórica, utilizando principios de termodinámica, predijo la existencia del efecto inverso, es decir que al aplicar una diferencia de potencialen las caras opuestas del cristal se produce una deformación, lo cual fue comprobado experimentalmente por los hermanos Curie ese mismo año [1].
La primera aplicación práctica de la piezoelectricidad se realiza en el año de 1917, cuando Paul Langevin utiliza un cristal de cuarzo en el perfeccionamiento de un detector ultrasónico para submarinos. En ese mismo año en los laboratorios telefónicosA.M. Bell y Nicolson experimentan con la sal de rochelle y construyen fonógrafos y micrófonos utilizando estos cristales, de esta manera la sal de rochelle se convirtió en el primer oscilador patentado [2].
Durante la segunda guerra mundial tanto en Estados Unidos, Japón y la entonces Unión Soviética, grupos aislados trabajaron en la mejora y descubrimiento de materiales cerámicos que exhibíanpropiedades dieléctricas de hasta varias centenas más que las de los cristales comunes. Este hecho catapultó el estudio de estos materiales. De los estudios que más resaltan cabe mencionar los siguientes:
Desarrollo de nuevas familias de titanato de bario y el PZT (Titanato Zirconato de Plomo).
El estudio de cristales con la estructura tipo perovskita.
El dopado de cerámicas con impurezas demetal, teniendo esto como fin el poder obtener ciertas propiedades a la medida como lo son constante dieléctrica, coeficientes de acoplamiento piezoeléctrico, textura, etc [2].
Actualmente los materiales piezoeléctricos han encontrado un amplio desarrollo en tecnologías como la de resonadores acústicos de volumen de película delgada (FBAR por sus siglas en inglés). Esta tecnología permite reducir elespesor de las capas piezoeléctricas de los resonadores y así aumentar su frecuencia de resonancia. Dentro de esta tecnología se encuentran los sensores de polímeros piezoeléctricos. El polivinilideno fluoruro (PVDF) y sus copolímeros son los polímeros con mayor efecto piezoeléctrico [3].
El descubrimiento de la piezoelectricidad en polímeros se debe a Kawai, quien observó que el PVDF despuésde ser polarizado en altos campos eléctricos (300 kV/cm) presentaba mejores coeficientes piezoeléctricos que el cuarzo [4, 5].
2.2 Polarización.
La estructura de un cristal determina si este posee propiedades piezoeléctricas [6]. Para que los cristales tengan propiedades piezoeléctricas es necesario que sean asimétricos, es decir que no posean un centro de simetría, esto es que el centro decargas negativas no puede coincidir con el centro de cargas positivas al nivel de la celda unitaria [4].
Las cerámicas piezoeléctricas están constituidas por varios cristales. Cada cristal cuenta con dominios, llamados dominios de Weiss, que son regiones dentro de cada cristal que tienen dipolos eléctricos con un sentido en común [7, 8]. Estos dipolos están orientados aleatoriamente, de tal manera queel dipolo eléctrico resultante es cero, provocando que la cerámica no exhiba propiedades piezoeléctricas.
El material cerámico se hace piezoeléctrico mediante un método de polarización el cual consiste en la aplicación de un campo eléctrico de alta intensidad constante y que tiene como fin alinear los dipolos en una dirección elegida, este proceso es conocido como “poling” o polarización....