Sensores

ISBN 978-85-8084-603-4

Anais Eletrnico

VVIIIIII EEPPCCCC EEnnccoonnttrroo IInntteerrnnaacciioonnaall ddee PPrroodduuoo CCiieennttffiiccaa CCeessuummaarr UNICESUMAR Centro Universitrio Cesumar

Editora CESUMAR Maring Paran Brasil

SENSORES PIEZORESISTIVOS E SENSORES PIEZOELTRICOS

Lucas Ferreira de Souza1; Rosa Maria Ribeiro2 RESUMO: O objetivo desta pesquisa bibliogrfica expor os tipos e aplicaes de sensores piezoeltricos e piezoresistivos. Para tal, foram coletados dados em livros e artigos da rea de Engenharia de sensores e cincia dos materiais. Em 1880, o fenmeno piezoeletricidade foi reportado por Jaques e Pierre Curie. De l para c, alguns avanos aconteceram, mais ainda, um assunto pouco tratado. Em cima desta tecnologia, temos alguns sensores muito usados pelos Engenheiros de controle e automao, como sensores de ensaios de falhas em estruturas, sensores de medio de densidade e viscosidade de lquidos, sensores de medio de vazo de fluidos, sensores de presso, este ltimo constitudo de material piezoresistivo, dentre outros sensores. Contudo, os materiais piezoeltricos so capazes de transformar energia mecnica em energia eltrica e, ainda, o inverso, que transformar energia eltrica em energia mecnica. PALAVRAS-CHAVE: Sensores; piezoresistividade; piezoeletricidade.

1. INTRODUO

O objetivo do presente trabalho foi abordar os tipos e aplicaes de sensores

piezoeltricos e piezoresistivos. Para tal, foram coletadas informaes em artigos cientficos e livros na rea de Engenharia de Controle e Automao, Mecatrnica e Mecnica.

O fenmeno conhecido como "piezoeletricidade" foi descoberto nos anos de 1880 pelos irmos Pierre e Jaques Curie. Em 1881, o efeito piezoeltrico inverso foi reportado. Apesar disso, a primeira aplicao prtica foi durante a primeira guerra mundial, na qual tratava se de um sonar feito Paul Langevin (SHIGUE et all, 2010).

Os cristais piezoeltricos, presentes no sensor de vibrao, podem gerar tenses muito altas, se submetidos a esforos mecnicos muito intensos. Se devidamente tratados, podem servir para alimentar um sistema eltrico. J as cermicas piezoeltricas que apresentam melhores propriedades que os cristais depois de polarizadas, tambm oferecem geometrias e dimenses flexveis por serem fabricadas por meio da sinterizao de ps cermicos conformados via prensagem ou extruso (ADAMOWSKI, 2000).

Um material considerado piezoeltrico se a aplicao de uma tenso mecnica causa o desenvolvimento de um deslocamento eltrico interno. Este deslocamento se

1- Acadmico do Curso de Engenharia de Controle e Automao Mecatrnica do Centro Universitrio de Maring Cesumar

UNICESUMAR, Maring Paran. lucasferdesouza@hotmail.com.br, lucas.ferreira@cesumar.br

2- Orientadora, Professora Doutora do Curso de Engenharia de controle e automao -Mecatrnica do Centro Universitrio de Maring Cesumar UNICESUMAR. rosamaria.ribeiro@cesumar.br.

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manifesta como uma polarizao eltrica interna ou atravs do aparecimento de cargas eltricas na superfcie do material. De todas as classes cristalinas, apenas os representantes com centro de simetria no podem apresentar o efeito. Praticamente todas as outras classes exibem algum efeito piezoeltrico diferente de zero, embora s vezes este efeito seja muito pequeno. Todos os materiais piezoeltricos so transdutores, pois, conseguem converter uma forma de energia em outra (SHACKELFORD, 2008).

Os sensores de presso geralmente construdos com materiais piezoresistivos. Esses materiais possuem a capacidade de variar sua resistncia quando submetidos a um esforo mecnico. Esse efeito mais comum em materiais semicondutores, como o silcio ou germnio (que so amplamente utilizados na eletrnica, na construo de diodos, transistores e circuitos integrados) (PATSKO, 2006).

importante notar que o efeito piezoresistivo distinto do efeito piezoeltrico. Enquanto que os materiais piezoeltricos (utilizados em alguns modelos de sensores de vibrao e microfones) geram uma tenso quando pressionados ou deformados, os piezoresistivos sofrem uma mudana na sua resistncia (PATSKO, 2006). 2. MATERIAL E MTODOS

Foram utilizados para este trabalho artigos de produo cientfica e livros sobre sensores piezoeltricos e piezoresistivos. Dentre eles, tem-se o trabalho de SHIGUE et all, em 2010, com o ttulo de Sensores e atuadores piezoeltricos. Neste trabalho foram trabalhados dados histricos da piezoeltricidade e propriedades dos materiais como cermica e cristais.

O artigo de Patsko, intitulado como Tutorial: Aplicaes, Funcionamento e utilizao de Sensores Piezoeltricos, contribuiu grandemente com dados sobre sensores piezoresistivos, principalmente, propriedades dos materiais que constituem os sensores piezoresistivos.

Livros como Cincia dos materiais, de Shackelford, e Sensores: Teoria e Aplicao, de Adamowski, foram coletados na biblioteca do Centro Universitrio de Maring UNICESUMAR. Apesar de a Piezoeletricidade ter mais de um sculo de existncia, ainda um tema difcil de se encontrar nos acervos, tanto na internet como em bibliotecas.

3. RESULTADOS E DISCUSSO

Para selecionar um material piezeltrico para aplicaes tecnolgicas procura-se, em geral, se conhecer algumas de suas propriedades, entre elas podemos destacar a constante de carga piezoeltrica D, constante de tenso piezoeltrica G, coeficiente de acoplamento K, Fator de qualidade mecnico Q e Temperatura de Curie TC (SHIGUE et all, 2010).

A constante de carga piezoeltrica D informa qual a proporo entre a variao dimensional do material piezoeltrico (em metros) e a diferena de potencial aplicada (em Volts), e entre a gerao de cargas eltricas (em Coulombs) e a fora aplicada no material (em Newtons). Essa informao usada principalmente em projetos de posicionadores piezoeltricos e sensores de fora/deformao (SHIGUE et all, 2010).

A temperatura de Curie TC em graus Celsius a temperatura na qual a estrutura cristalina do material sofre uma transio de fase e o mesmo deixa de apresentar propriedades piezoeltricas. Depois de ultrapassada esta temperatura, o material perde a polarizao remanescente induzida tornando-se intil para a utilizao como elemento transdutor de energia eltrica em mecnica. Essa informao indispensvel no projeto

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de dispositivos que devero operar em altas temperaturas e de alta potncia, como o caso de alguns sensores (SHIGUE et all, 2010).

Alm disso, os sensores piezoeltricos tambm so muito aplicados a ensaios de falhas em estruturas, medio de densidade e viscosidade de lquidos, medio de vazo de fluidos, etc. (ADAMOWSKI, 2000).

Pode-se considerar um sistema piezeltrico como um acoplamento de um sistema mecnico e eltrico e descrev-lo, de forma simplificada, pelas seguintes equaes (SHIGUE et all, 2010): D = d+ E S = s+ dE

D Vetor deslocamento eltrico E Campo eltrico Permissibilidade dieltrica s Coeficiente elstico d Coeficiente piezeltrico Tenso mecnica S Deformao

Na forma passiva, o transdutor s recebe sinais. Aqui, a propriedade piezoeltrica direta do material explorada de forma a obter uma voltagem a partir de uma tenso mecnica externa. As balanas eletrnicas encontradas em supermercados ou aquelas muito precisas usadas em laboratrios de pesquisa tm seu funcionamento baseado na piezeletricidade, pois utilizam cristais que se polarizam ao sofrerem uma deformao. Na rea da medicina, eles so usados em aparelhos de exames de ultrassom, convertendo energia eltrica em energia mecnica e vice-versa, produzindo as ondas ultrassnicas. O mesmo princpio tambm usado no mapeamento de trincas em ensaios no destrutivos de materiais. Suas aplicaes incluem: sonares, microbombas (empregadas em impressoras jato de tinta e micropipetas) e microposicionadores (eletrnica) (SHACKELFORD, 2008).

Os sensores de presso so, dentre outros mtodos, geralmente construdos com materiais piezoresistivos. Esses materiais possuem a capacidade de variar sua resistncia quando submetidos a um esforo mecnico. Esse efeito mais comum em materiais semicondutores, como o silcio ou germnio (que so amplamente utilizados na eletrnica na construo de diodos, transistores e circuitos integrados). importante ressaltar que o efeito piezoresistivo distinto do efeito piezoeltrico. Enquanto que os materiais piezoeltricos (utilizados em alguns modelos de sensores de vibrao e microfones) geram uma tenso quando pressionados ou deformados, os piezoresistivos sofrem uma mudana na sua resistncia (PATSKO, 2006).

4. CONCLUSES

Apesar de a piezoeletricidade ser um conceito conhecido h mais de um sculo, ainda h um grande campo a ser explorado, pois pouco foi investido em termos de pesquisa, perante o grande benefcio que esta tecnologia pode trazer. Assim, investimentos devem ser feitos, visando um conhecimento mais profundo da piezoeletrecidade, para possveis descobertas de novos materiais que contenham esta a peculiaridade da piezoeletrecidade; tambm estudos mais profundo sobre os materiais que j so de conhecimento contendo esta caracterstica to nica. Em consequncia, aplicaes diversas se tornaro efetivas, com certeza. Devido a essa propriedade mpar de converter energia mecnica em eltrica e o inverso, os materiais piezoeltricos possuem grande potencial na produo de energia limpa e renovvel, como alguns

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estudos que visam utilizar asfalto piezoeltrico para gerao de energia (SHIGUE et all, 2010).

5. REFERNCIAS ADAMOWSKI, Julio Cezar. Sensores: Teoria e Aplicaes. Laboratrio de Sensores e Atuadores. Departamento de Engenharia e de Sistemas Mecnicos. Escola Politcnica da USP. 2000. PATSKO, Luis Fernando. Tutorial: Aplicaes, Funcionamento e utilizao de sensores. Maxwell Bohr: Instrumentao Eletrnica. 2006. SHACKELFORD, James F. Introduo cincia dos materiais para engenheiros/ James F. Shackelford ; traduo Daniel Vieira; reviso tcnica Nilson C. Cruz. - So Paulo. Pearson Prentice Hall, 2008. SHIGUE, Carlos; ABEL, Ana Maria da Silva; LUIZ, Sandro Galisteu. Sensores e Atuadores Piezoeltricos. Maio/2010. Universidade de So Paulo - Escola de Engenharia de Lorena EEL.