Curso-piezo-ATCP

8/12/2019 Curso-piezo-ATCP

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NDICE

NDICE 2

1. INTRODUO 3 2. HISTRIA DOS MATERIAIS PIEZOELTRICOS 3

3. PIROELETRICIDADE 4

3.1. O EFEITO PIROELTRICO 43.2. EFEITO PIROELTRICO PRIMRIO E SECUNDRIO 83.3. ALGUMAS APLICAES DOS MATERIAIS PIROELTRICOS. 9

3.3.1. Detectores de um elemento. 9 3.3.2. Dispositivos trmicos para imagens. 11

4. EFEITO ELETROESTRITIVO 13

5. PROPRIEDADES PTICAS (EFEITO ELETRO-PTICO) 14

6. FABRICAO DE CERMICAS PIEZOELTRICAS 16


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1. INTRODUO

Em qualquer escala de freqncia ou potncia, o elemento ativo e ncleo da maioria dostransdutores ultra-snicos um piezoeltrico, podendo ser classificado em um dos seguintes

grupos: Cristais de Quartzo, Cristais Hidrossolveis, Monocristais Piezoeltricos,Semicondutores Piezoeltricos, Cermicas Piezoeltricas, Polmeros Piezoeltricos eCompsitos Piezoeltricos. Destes grupos, as Cermicas Piezoeltricas (referencial e enfoquedeste curso) so as que apresentam a maior flexibilidade de formato e de propriedades, sendolargamente utilizadas.

2. HISTRIA DOS MATERIAIS PIEZOELTRICOS

O efeito Piezoeltrico foi descoberto em 1880 pelos irmos Curie e utilizado em umaaplicao prtica pela primeira vez por Paul Langevin, no desenvolvimento de sonaresdurante a primeira guerra mundial. Langevin utilizou cristais de quartzo acoplados a massasmetlicas (coincidentemente inventado o transdutor tipo Langevin) para gerar ultra-som nafaixa de algumas dezenas de kHzs. Aps a primeira guerra mundial, devido dificuldade dese excitar transdutores construdos com cristais de quartzo, por estes demandarem degeradores de alta tenso, iniciou-se o desenvolvimento de materiais piezoeltricos sintticos.Estes esforos levaram a descoberta e aperfeioamento nas dcadas de 40 e 50, das cermicas piezoeltricas de Titanato de Brio pela ento URSS e Japo, e das cermicas piezoeltricasde Titanato Zirconato de Chumbo (PZTs) pelos EUA.

O desenvolvimento das cermicas piezoeltricas foi revolucionrio. Alm de apresentaremmelhores propriedades que os cristais aps polarizadas, tambm oferecem geometrias edimenses flexveis por serem fabricadas atravs da sinterizao de ps cermicosconformados via prensagem ou extruso. Atualmente as cermicas piezoeltricas tipo PZT,em suas diversas variaes, so as cermicas predominantes no mercado. Tambm podemosencontrar outros materiais, como por exemplo, o PT (PbTiO3) e o PMN (Pb(Mg1/3 Nb2/3)O3),utilizados em dispositivos que exigem propriedades especiais e muito especficas, comotransdutores para alta temperatura, para imagem e para ensaios no destrutivos.

As cermicas piezoeltricas so corpos macios semelhantes s cermicas utilizadas emisoladores eltricos, vide Figura 1, so constitudas de inmeros cristais ferroeltricosmicroscpicos, sendo inclusive denominadas como um material policristalino.


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ser orientada com a aplicao de um campo eltrico externo (ver Figura 4). Aqueles materiaiscom essas propriedades so chamados de ferroeltricos:

Materiais Ferroeltricos: Materiais que possuem polarizao espontnea e que quandosubmetidos a um campo eltrico externo se polarizam na direo do campo eltrico externo.

Quando o campo eltrico retirado, eles ficam polarizados nessa direo (polarizaoremanescente).

Figura 4. Ciclo de Histereses (P vs E) de um material ferroeltrico.

Sendo assim, se temos uma cermica ferroeltrica e a colocamos em um campo eltricoexterno, por um tempo determinado, ao retirar o campo eltrico haver uma polarizaoespontnea na direo de aplicao do campo. As cermicas submetidas a esse procedimentoso chamadas de cermicas ferroeltricas polarizadas e apresentam piroeletricidade.

Resumindo, de todos os materiais cristalinos que existem, somente os nocentrossimtricos apresentam piezoeletricidade. Como um subconjunto dos piezoeltricosencontram-se os piroeltricos, que so aqueles que alm de serem no centrossimtricos,apresentam polarizao na ausncia de um campo eltrico externo (polarizao espontnea).Alguns dos piroeltricos so tambm ferroeltricos por terem a habilidade de mudar a direoda polarizao espontnea na direo de um campo eltrico externo. Uma cermicaferroeltrica no polarizada tem uma polarizao espontnea igual a zero. Depois de polarizada a polarizao espontnea no nula em alguma direo e portanto ela apresentaro efeito piroeltrico.

A polarizao espontnea depende da temperatura. Existe uma temperatura especfica paracada material, chamada de temperatura de transio ou temperatura de Curie, onde o material


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(coeficiente piroeltrico) em uma faixa de temperaturas mais larga e por isso quefreqentemente so utilizados como sensores de diferentes tipos.

Acima foi mencionado que a piroeletricidade, em essncia, a propriedade de certosmateriais de gerar uma corrente eltrica por uma mudana de temperatura at agora somente

foi mencionado a mudana de polarizao com a temperatura. Sendo assim, vejamos como amudana de polarizao de um material pode gerar uma corrente eltrica. Suponhamos umcapacitor plano paralelo com o piroeltrico ocupando o espao entre as placas comorepresentado na Figura 6a. A polarizao espontnea que apresenta o piroeltrico provocauma acumulao de cargas eltricas nas placas do capacitor como pode ser observado naFigura 6b. Desta forma, se a temperatura do material incrementada at uma temperatura prxima de transio, na faixa onde ele comea a despolarizar-se, a diminuio da

polarizao causar que algumas cargas das placas do capacitor, que anteriormente estavamligadas, fiquem livres. Assim, curto-circuitando as placas do capacitor poder observar-seuma corrente circulando pelo fio (Figura 6c). Esta corrente chamada de corrente piroeltricae pode ser amplamente explorada na rea de sensores e equipamentos de imagens trmicas.

Figura 6. Representao da apario de uma corrente devido despolarizao do material piroeltrico (corrente piroeltrica).

3.2. EFEITO PIROELTRICO PRIMRIO E SECUNDRIO

Existem dois tipos de efeitos piroeltricos. O efeito piroeltrico primrio causado pelamudana da polarizao do material com a variao da temperatura e foi descritoanteriormente. Por outro lado, foi comentado anteriormente que todos os piroeltricos so piezoeltricos. Os piezoeltricos tm a propriedade de se deformar ao serem submetidos a um


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Figura 7. Esquema do detector de um elemento.

Somente um dos eletrodos ser exposto a radiao que se quer detectar, mas os doisestaro expostos as interferncias trmicas e acsticas de seu ambiente, por este motivo, ossinais correspondentes a cada um dos elementos iro se cancelar e no se obtm nenhum sinalde sada a partir das fontes de interferncia.

Usando o fato de que um homem em movimento uma fonte de radiao que varia notempo, pode-se usar detectores de um elemento para a fabricao de alarmes de presena.

O comprimento de onda m da radiao emitida com mxima potncia por um corpo negroa uma temperatura T (K), est dado por:

mT m

2944=

Ento se o corpo se encontra a 310K, emitir com potncia mxima em um comprimento

de onda de 9.5m, e os materiais de PZ modificados, iro absorver fortemente essa radiao. Na Figura 8, pode-se observar o princpio de um alarme de presena. O detector

colocado no foco de um sistema de espelhos parablicos que aumentaro a variao da potncia incidente, enquanto a fonte vai-se movimentando de uma zona coberta por umespelho a outra.


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Figura 8. Esquema de um alarme de presena.

Pode ser usado um filtro de ondas para absorver a radiao com comprimento de onda

menor que 6-7m, desta maneira possvel apagar o efeito que poderia causar a luz nodetector. Este tipo de alarme de presena pode detectar um homem a 100 m de distncia dodetector.

Os dispositivos piroeltricos podem ser usados como detectores de fogo, neste caso soligados a filtros de ondas que respondem somente faixa de freqncia entre 5-40Hz, quecobre a regio de freqncias das chamas.

Gases com fortes faixas de absoro no infravermelho podem ser detectados colocandoum filtro de onda apropriado frente ao elemento piroeltrico, fazendo passar um feixe deradiao aproximadamente de 30Hz atravs da atmosfera a ser estudada e comparando comoutro detector de referncia livre do gs. O dixido de carbono que tem uma faixa de absoro

para 4.3m monitorado desta forma.

3.3.2. Dispositivos trmicos para imagens.

Uma das formas de dispositivos trmicos para imagens, o vidicon, mostrado na Figura 9.O elemento piroeltrico uma placa de um material piroeltrico adequado, localizado

prximo a um dos extremos de um tubo vazio, que tem um injetor de eltrons no outroextremo. A radiao focalizada usando uma lente de germnio em uma das faces da placa,que coberta por um eletrodo transparente, a outra face barrida por um feixe de eltrons.Uma grelha perto da superfcie da placa ligada a um potencial positivo suficiente para atrairuma parte dos eltrons do feixe.

A radiao incidente na superfcie oposta ao feixe de eltrons produz uma carga na faceexposta ao feixe e altera o potencial nesta face. O feixe de eltrons ento, deposita suficiente

carga para restabelecer o potencial anterior.


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Figura 9. Esquema do vidicon.

Um sinal de vdeo gerado no circuito ligado ao eletrodo do frente por acoplamentocapacitivo. O sinal de vdeo amplificado e observado atravs de um monitor de televisoconvencional.

Para obter boa resoluo espacial, preciso materiais com baixa condutividade trmica,devido difuso trmica lateral na placa reduzir a resoluo. Esta dificuldade pode sersuperada mediante o uso de placas reticuladas como a mostrada na Figura 10.

Figura 10. Micrografia de um alvo piroeltrico reticulado para ser usado em vidicon.

Imagens obtidas em uma noite escura usando placas reticuladas em um equipamento devidicon podem ser observadas na Figura 11.


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Figura 11. Imagens obtidas em uma noite escura, usando vidicon com uma placa piroeltricareticulada.

Existe uma tcnica alternativa para a obteno de imagens a partir de radiaoinfravermelha evitando o uso do injetor de eltrons. Nesta tcnica a superfcie atrs da placa piroeltrica, coberta por uma grelha de um material foto-emissivo, que iluminado usandouma lmpada. Os fotoeltrons emitidos da grelha so projetados em uma tela fosfrica.Quando a radiao infravermelha absorvida na parte da frente da placa piroeltrica, se produz um campo na face oposta que modula a eficincia de foto-emisses na grelha e o brilho obtido na tela fosfrica. Desta forma possvel obter uma imagem a partir da radiaoincidente.

4. EFEITO ELETROESTRITIVO

O conhecimento do efeito eletroestritivo fundamental quando se deseja estudar materiais

piezoeltricos.Quando um campo eltrico aplicado a um material dieltrico, este causa uma

deformao proporcional ao quadrado da intensidade do campo eltrico. Esse efeito chamado de efeito eletroestritivo. A eletroestrio um efeito quadrtico e a deformaoeletroestritiva no est relacionada ao sinal do campo eltrico aplicado. De fato, aeletroestrio resultado da polarizao induzida durante a aplicao do campo. Adeformao eletroestritiva proporcional ao quadrado de tal polarizao.

Segundo o comentado acima, pode-se diferenciar eletroestritivo e o efeito piezoeltricoatravs de 3 fatores fundamentais:


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espectro eletromagntico, a permissividade eltrica de um mdior (r = /0, 0- permissividade eltrica do vcuo) igual a n2, onde n o ndice de refrao ptico.Considerando um mdio anisotrpico, onde os 3 eixos principais do cristal coincidem com umsistema coordenado XYZ, se tem:

x / 0 = n12, y / 0 = n22, z / 0 = n32 As propriedades pticas de uma substncia podem ser afetadas por uma tenso mecnica

externa devido ao efeito de foto-elasticidade, o qual comumente chamado de efeito elasto-ptico ou piezo-ptico e pode ocorrer em todos os cristais, incluindo piezoeltricos e no piezoeltricos. Por outro lado, em cristais que no pertencem a grupos de simetriacentrossimtricos (piezoeltricos), os ndices de refrao so afetados por campos eltricosexternos. Isto chamado de efeito eletro-ptico.

A permissividade dieltrica de um material exposto a uma radiao na faixa do visvel,depende da distribuio das cargas eltricas no cristal. A ao do campo eltrico externoresulta em uma redistribuio dessas cargas (com o aparecimento de uma polarizao) e emuma leve deformao da rede inica. Este resultado refletido em uma mudana na permissividade eltrica e, portanto, nos ndices de refrao.

Existem 2 tipos de efeitos eletro-pticos: linear e quadrtico. O ltimo pode ser observadoem mdios opticamente isotrpicos tais como vidros, lquidos e cermicas ferroeltricas no polarizadas.

E n 21 Efeito eletro-ptico linear.

22

1 E

n Efeito eletro-ptico quadrtico.

A seguir, algumas aplicaes do efeito eletro-ptico:Guias de onda pticas integradas.Defletores de feixes de luz.

Multiplicadores de freqncia pticaHologramasLentes de foco sintonizvelDisplaysOutros


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6. FABRICAO DE CERMICAS PIEZOELTRICAS

O primeiro passo na fabricao de uma cermica piezoeltrica a escolha da composiodesejada (incluindo dopantes) em dependncia da aplicao que ser dada a esta cermica.

Mais para frente, neste curso, sero apresentados critrios detalhados dos principais tipos decermicas piezoeltricas e suas respectivas aplicaes. Por isso, nesta seo, ser escolhido amodo de exemplo uma composio amplamente utilizada em cermicas piezoeltricas paradiferentes aplicaes: PbZr 0.52Ti0.48O3 + 1% wt Nb2O5 ou comercialmente chamado PZT soft.

Uma vez escolhida a estequiometria desejada deve-se pesquisar pelos precursores, quemisturados nas propores adequadas e reagidos, resultam na composio final. importanteressaltar que os precursores, utilizados na fabricao de cermicas piezoeltricas, so xidos

(ou sais) comuns que podem ser encontrados facilmente na natureza (ver Figura 12), mas elesdevem estar processados e com purezas superiores a 99%. Em nosso exemplo, os precursoresnecessrios so PbO, ZrO2, TiO2 e Nb2O5. Agora vejamos em que propores devem-semisturar estes xidos para obter a composio final desejada. Inicialmente devemos calcular amassa molar de cada um de nossos reagentes e do composto final:

molgmolg

OTi Zr PbOTiPbZr

molgmolgmolgOTiTiO

molgmolgmolgO Zr ZrO

molgmolgmolgOPbPbO

/62,325/)4899,2243,472,207()(3)(48,0)(52,0)()(/9,79/32/90,47)(2)()(

/22,123/32/22,91)(2)()(/2,223/16/2,207)()()(

348,052,0

2

2

=+++=

=+++=

=+=+=

=+=+=

=+=+=

Agora, por simples regra de 3 pode-se calcular a quantidade que devemos misturar de cadaum dos reagentes para obter no final, por exemplo, 100g de PbZr 0.52Ti0.48O3. Vejamos:

g7781,11)()OTiPbZr (

10048,0)()(

g6776,91)()OTiPbZr (

10052,0)()(

68,5461g)()OTiPbZr (

100)()(

230.480.522

22

2

30.480.522

22

30.480.52

=

=

=

=

==

TiOmg

TiO

TiOmTiO

ZrOmg

ZrO

ZrOm ZrO

PbOmg

PbOPbOm

PbO


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At este ponto foi explicado como pode ser fabricado um corpo cermico, mas parautilizar a cermica como um piezoeltrico precisa-se de alguns outros passos. Como ser visto posteriormente, a freqncia caracterstica ou de ressonncia de uma cermica piezoeltricadepende de suas dimenses, portanto, a superfcie da cermica deve ser o mais regular

possvel para evitar ressonncias esprias que venham a interferir na aplicao da cermica.Para evitar isso, as cermicas devem ser adequadamente polidas e em alguns casos a cortes,dependendo das dimenses finais desejadas. Uma vez que os blocos cermicos estodevidamente cortados e polidos devem ser polarizados, como foi comentado anteriormente.Para polarizar a cermica, esta deve ser convertida em capacitor plano paralelo, sendo acermica o dieltrico no interior do capacitor. Para isso, devem ser depositados eletrodos emduas fases opostas, dependendo da direo em que se deseja polarizar a cermica. Existem

vrias tcnicas para a deposio de eletrodos em materiais, mas a que mais se utilizacomercialmente a deposio de tinta de prata na superfcie da cermica. Finalmente, paracompletar o processo de polarizao, o material deve ser submetido a um campo eltricoelevado (da ordem dos kV/mm) para orientar os dipolos e induzir a polarizao espontneadepois de retirado o campo eltrico. Depois de realizado esse processo, estamos em presenade uma cermica piezoeltrica pronta para ser utilizada em aplicaes piezoeltricas. Veja naFigura 13 uma cermica comercial de PZT soft com eletrodos de prata.

Figura 13. Cermica comercial (ATCP) de PZT-5A (Soft ) com eletrodos de prata e polarizada.

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