La Tecnologia Piezoelettrica e Le Principali Applicazioni - POLI

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)


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



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



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


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


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


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


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


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)


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).

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