la tecnologia piezoelettrica e le principali applicazioni - poli
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La Tecnologia Piezoelettrica e La Tecnologia Piezoelettrica e le sue principali applicazionile sue principali applicazioni
Cesena, 28 Maggio 2010Cesena, 28 Maggio 2010
Relatore: Relatore: Dott. Gianluca PoliDott. Gianluca Poli
La piezoelettricità è la capacità di alcuni materiali cristallini di manifestare una carica
elettrica se sottoposti ad uno stress meccanico oppure di deformarsi se sottoposti ad
un campo elettrico.
La PiezoelettricitLa Piezoelettricitàà
Dispositivi
Strutture complesse realizzate da più componenti o da
componenti e meccanica di supporto
Materiali Naturali:
Quarzo, Tormalina, Sali di Rochelle, etc.
Materiali Artificiali (componenti):
Ceramiche policristalline (PZT, BNBT, )
Compositi piezo-ceramici (MFC, Patch)
Polimeri (PVDF)
Perché ceramiche? I più importanti materiali artificiali sono realizzati con un processo
ceramico e la loro struttura policristallina è molti simile alla struttura delle “tradizionali
ceramiche” che tutti noi conosciamo.
Materiali piezoelettriciMateriali piezoelettrici
Principali impieghiPrincipali impieghiStoricamente, i principali settori di applicazione dei componenti e dispositivi
piezoelettrici si suddividono in 4 macro-categorie:
Acustici
Accelerazione
Forza
Pressione
Impatto
Spostamento
ApplicazioniApplicazioni
FndQ 33=
3333 hTgU =
La carica elettrica viene generata solo durante il
periodo di transizione della forza applicata.
PREGIPREGI
Assenza di alimentazione
Elevata sensibilità
Elevata rigidità
LIMITILIMITI
Misura dinamica
Risposta funzione delle frequenza
Applicazioni Applicazioni –– Sensori 1Sensori 1
FndQ 33=
3333 hTgU =
Applicazioni Applicazioni –– Sensori 2Sensori 2
Applico una forza di 1N su di un disco PIC155
di diametro 10mm e spessore 1mm:
263 7,12*100
4mkN
EA
FT === − π
mVEEEU 3437,12*1*27 3333 == −−
nFE
EE
h
AC r
p 11*4
*100*1450*85.83
6120 === −
−− πεε
pip CR *=τ
Resistenza Ingresso Costante di tempo
10MΩ 10ms
50MΩ 50ms
100MΩ 100ms
Generatori ultrasuoni
Nebulizzatori
Sistemi iniezione diesel
Motori Lineari/rotativi
Micro-posizionamento
Testine Ink-Jet
Micro-pompe/valvole
ApplicazioniApplicazioni
mEUdh µ5,25000*500 1233 ===∆ −
12
3NEE
EEEU
h
lwdF
sEb 13155000*
10*19
10*10*500312
3312
33
33 === −−
−−−
Force (N)
Dis
pla
ce
me
nt (µm
)
0 300 600 900 1200 1500
0,5
1,0
2,0
2,5
1,5
0,0
Cubo PZT di lato 10mm (7,8g)Escursione massima ≈ 2,5µmForza bloccante ≈ 1500N
Applicazioni Applicazioni –– Attuatori MonoliticiAttuatori Monolitici
5000V
4500V
Attuatore d33 stack
Prestazioni identiche ad un componente monolitico di pari geometria
Tensione di pilotaggio fino a 100 volte inferiore rispetto ad un monolitico
Complessità costruttiva
Ceramica piezo
V
Isolante
Applicazioni Applicazioni –– Attuatori StackAttuatori StackAl fine di aumentare lo spostamento utile mantenendo invariata la forza applicabile
sono state introdotte strutture a pila, meglio note come “stack”
+ -
Attuatore d33 multistrato
Prestazioni identiche ad un componente monolitico di pari geometria
Tensioni di pilotaggio fino a 100 volte inferiore rispetto ad un monolitico
Solidità strutturale
Complessità costruttiva
Applicazioni Applicazioni –– Attuatori MultistratoAttuatori MultistratoAl fine di ridurre la tensione di alimentazione mantenendo invariate le prestazioni
elettromeccaniche sono state introdotte strutture multistrato, dotate di layer spessi 30-
100µm interconnessi in modalità parallelo.
Applicazioni Applicazioni –– Attuatori Bending Attuatori Bending (d(d3131))
Due strati attivi Bimorfo
Uno strato attivo ed uno passivo Unimorfo
Due strati attivi ed uno passivo centrale Trimorfo
Più strati attivi ed uno passivo centrale Multimorfo
Due o più strati piezoelettrici polarizzati in spessore, vincolati assieme prendono il
nome di Bender. La struttura, se vincolata ad una delle due estremità, quando
alimentata presenta una deformazione di tipo flessionale.
Configurazione “simple beam” Configurazione “cantilever”
Spostamento ≈ 0.25x cantilever
Forza ≈ 4x cantilever
Frequenza ≈ 3 cantilever
Anche il vincolo meccanico incide sulle prestazioni dell’attuatore, sono possibili due
bloccaggi, in cantilever (trave semplice) o in simple beam (doppio appoggio)
Applicazioni Applicazioni –– Attuatori Bending Attuatori Bending (d(d3131))
Attuatore bimorfo in configurazione serie (l=60mm; w=6mm, h=0,55mm), alimentato a 400Vpp
mmE
EEU
t
ld 50,1400*
550
60210*5,1
2
32
6
312
2
31 =⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= −
−−δ
NE
EE
EEU
l
wt
SdF
E116,0400*
60
550*6*
15
1210*375.0
1
8
33
123
1212
1131 === −
−−
−−
( ) HzEE
Es
l
tf
E
72780015
1
60
550*162.0
1
162.012
23
1211
2===
−
−
−
ρ
Applicazioni Applicazioni –– Attuatori Bending Attuatori Bending (d(d3131))
Applicazioni Applicazioni –– Attuatori Bending Attuatori Bending (d(d3131))
Morphing structures
L’applicazione di attuatori piezoelettrici fa sì che si possano ottenere deformazioni
macroscopiche di strutture come ali di aeroplani, pale di generatori eolici o
eventualmente timoni di navi.
Applicazioni Applicazioni –– AttuatoriAttuatori
Forza
Spos
tam
ento
0N 10N 100N 1000N 10kN 50kN
10µm
100µm
2mm
10mm
500µm
0µm
Motori
Bender
Stack
Componenti Monolitici
Cymbal
APA
Applicazioni Applicazioni –– AttuatoriAttuatori
TRADITIONAL PIEZOELECTRIC
Output/Input N2/N1 Output/Input L2/t
LCD e Plasma
Bassa potenza
Alimentatori Laptop
Caricabat. per cellulari
Power density: 40W/cm3
Max power: 50÷60WEfficiency: up to 97%No electromagnetic field
Applicazioni Applicazioni -- TrasformatoriTrasformatori
5W
20W
30W
40W
1954 1992 1996 1999
5W/cm3
Longitudinale
20W/cm3 Eff: 82%Spessore
20W/cm3 Eff: 89%Longitudinale
40W/cm3 Eff: 97%Radiale
Applicazioni Applicazioni -- TrasformatoriTrasformatoriAnche i trasformatori hanno beneficiato della tecnologia multistrato, incrementando
le performance e riducendo nel contempo le dimensioni utili.
Sonar
Controlli non distruttivi (NDT)
Sensori di parcheggio
Sensori di presenza
Ecografi
Applicazioni Applicazioni -- TrasformatoriTrasformatori
Riduzione delle vibrazioni meccaniche:
Miglioramento del “comfort”
Incremento delle “prestazioni”
Riduzione delle rotture meccaniche
Possibili applicazioni:
Automotive, Aerospaziale, Navale, Macchine utensili, etc.
Applicazioni Applicazioni –– EsempiEsempiSoppressione attiva delle vibrazioni (Active Vibration Damping)
Principio di funzionamento
Applicazioni Applicazioni –– EsempiEsempi
Attuatore piezo
Estensimetro
Sbarretta acciaio
Soppressione attiva delle vibrazioni (Active Vibration Damping)
Numerical mode shapeFirst bending mode
in swing plane direction
Area of maximum strain
0.5 1 1.5 2 2.5 3
−1
−0.8
−0.6
−0.4
−0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Time (s)A
mpl
itude
UndampedPiezo Damped
Applicazioni Applicazioni –– EsempiEsempiSoppressione attiva delle vibrazioni (Active Vibration Damping)
Applicazioni Applicazioni –– EsempiEsempiSoppressione attiva delle vibrazioni (Active Vibration Damping)
Utilizzando componenti piezoelettrici è possibile convertire energia meccanica in
elettrica ed immagazzinarla per alimentare piccoli dispositivi.
Applicazioni Applicazioni –– EsempiEsempiRecupero di energia (Energy Harvesting)
Sustainable Dance Floor (www.sustainabledanceclub.com)
I generatori piezoelettrici possono essere utilizzati anche per convertire grandi quantità
di energia, sfruttando importanti volumi di materiali ed applicando stress elevati
Questa tecnologia può essere applicata:
ponti e viadottimolilinee ferroviariemetropolitaneetc.
Alcuni esempi già esistenti:Stazione giapponense (East Railways C.)Discoteche UK e NLAeroporto UK
Applicazioni Applicazioni –– EsempiEsempi
0
jmim T
r ij
dg
ε ε=
, ,T E T Xi im m ij jD d T Eε= +
i , j =1,2,3
m , n = 1,2,…6
2 Energia meccanica convertita in energia elettrica
Energia meccanica in ingresso
Energia elettrica convertita in energia meccanica
Energia elettrica in ingresso
k = =
=
iXT
imnET
mnm EdTsS ,, +=
Relazioni costitutive
La PiezoelettricitLa Piezoelettricitàà -- FondamentiFondamenti
Relazioni costitutive
La PiezoelettricitLa Piezoelettricitàà -- FondamentiFondamenti
D1 = ε1 * E1 + d15 * T5
D2 = ε1 * E2 + d15 * T4
D3 = ε3 * E3 + d31 * ( T1 + T2 ) + d33 * E3
S1 = s11E * T1 + s12
E * T2 + s13E * T3 + d31 * E3
S2 = s11E * T2 + s12
E * T1 + s13E * T3 + d31 * E3
S3 = s13E * ( T1 + T2 ) + s33
E * T3 + d33 * E3
S4 = s44E * T41 + d15 * E1
S5 = s44E * T5 + d15 * E1
S6 = s66E * T6
EFFETTO DIRETTO
EFFETTO INVERSO
Costante dxy o costante di deformazione
d33 [m/V]= Lo strain indotto lungo la direz. 3 per unità di campo elettrico applicato su 3
d31 [m/V]= Lo strain indotto lungo la direz. 1 per unità di campo elettrico applicato su 3
Costante gxy o costante di tensione
g31 [V/mN]= Il campo elettrico indotto lungo la direz. 3 per unità di stress applicato su 1
g15 [V/mN]= Il campo elettrico indotto lungo la direz. 1 per unità di stress shear su 2 (5)
Altre grandezze tipiche sono:
Np [Hz/m]= Costante di frequenza planare
Kt [adim]= Costante di accoppiamento elettromeccanico in spessore
ε33T [adim]= Costante dielettrica relativa
La PiezoelettricitLa Piezoelettricitàà -- FondamentiFondamenti
d33 type
Poling direction
Electrical field
Displacement
d31 typePoling direction
Electrical field
Displacement
bendingPoling direction
Electrical field
Displacement
Pb
O
TiaC
aC
aC
cT
aT
aT
±
+
_
20 µm
Struttura policristallina
Cella elementare PZT (Perovskitica)
T>Tc T<Tc
La PiezoelettricitLa Piezoelettricitàà -- FondamentiFondamenti
Taglio
Finitura
Materie Prime (ossidi in polvere)
Essiccamento (liofilizzazione)
Vagliatura
PZT POLVEREPZT POLVERE
SINTERIZZAZIONESINTERIZZAZIONEin pack 1200 °C x 2h atmosfera O2
Pressatura lineare / isostatica
Miscelazione con il legante/granulazione
Polarizzazione 3 kV/mm, 120°C, 40 min
PIASTRA PIEZOELETTRICAPIASTRA PIEZOELETTRICA
Serigrafia elettrodi Argento fissaggio elettrodi 750°C x 15min
Macinazione in acqua
Calcinazione 850 °C x 4hSINTESI DELLA POLVERESINTESI DELLA POLVERE
REALIZZAZIONE DEL REALIZZAZIONE DEL COMPONENTE PIEZOELETTRICOCOMPONENTE PIEZOELETTRICO
TRATTAMENTO DELLE POLVERITRATTAMENTO DELLE POLVERI
La PiezoelettricitLa Piezoelettricitàà -- FondamentiFondamenti
Polarizzazione e isteresi elettrica
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
-3 -2 -1 0 1 2 3
Electric Field [kV/mm]
Po
lari
zati
on
[µ
C/c
m2 ]
i)
ii)iii)
iv)
v)
vi)
Ps
Pr
-EC EC
-Pr
La PiezoelettricitLa Piezoelettricitàà -- FondamentiFondamentiDomini di Weiss
Isteresi Meccanica
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
-2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500
Electric field [V/mm]
Strain
x10 -3
B E
A
FD
C
La PiezoelettricitLa Piezoelettricitàà -- FondamentiFondamenti
CB = capacità ceramica (non in risonanza)CA = capacità risonatore (elasticità)R = resistenza risonatore (dissipazione En. meccanica)L = induttanza risonatore (massa)
d
N
sdLCf
Ep
EA
s ===ρπ 2
11
2
1
BA
ABP CLC
CCf
+=
π2
1
La PiezoelettricitLa Piezoelettricitàà -- FondamentiFondamentiComportamento dinamico
La risonanza è una condizione fisica che si verifica quando un sistema oscillante (forzato) viene
sottoposto a sollecitazione periodica di frequenza pari all'oscillazione propria del sistema stesso.
3 3
Frequenze di risonanza e antirisonanza di un campione a forma di disco: risonanza planare (a) e risonanza in spessore (b)
(a) (b)
La PiezoelettricitLa Piezoelettricitàà -- FondamentiFondamenti
Comportamento dinamico
La PiezoelettricitLa Piezoelettricitàà -- FondamentiFondamentiEsistono due principali famiglie di materiali, entrambi afferenti al sistema PZT,
composizioni di tipo HARD e SOFT.
La PiezoelettricitLa Piezoelettricitàà -- FondamentiFondamentiSe usato correttamente, un materiale piezoelettrico sotto ben precise condizioni può
avere una vita pressoché infinita. In genere si considera come valore minimo un
numero di cicli pari a 108-109.
Esistono però situazioni che possono deteriorare le proprietà piezoelettriche anche
istantaneamente, sono:
Depolarizzazione termica: la temperatura del componente supera la temperatura
di Curie, rendendo inerte il componente. Buona norma è operare a Tc/2
Depolarizzazione elettrica: applicando un campo elettrico di forte ampiezza in
disaccordo con il verso della polarizzazione
Depolarizzazione meccanica: applicando uno stress elevato al punto di rompere i
legami fra i vari domini disorientandoli nuovamente (60MPa per soft, 120MPa per
hard).