Uso de materiales piezoeléctricos en ingeniería de precisión y en cosecha de energía

Abstract

La piezoelectricidad es un fenómeno físico que experimentan algunos materiales cristalinos de origen natural como el cuarzo y la turmalina, como así también de origen sintético como el titanato de circonato de plomo (PZT). Estos materiales piezoeléctricos experimentan la aparición de una diferencia de potencial en sus superficies cuando son sometidos a deformaciones mecánicas, dando así la disponibilidad de un mecanismo de transformación de energía mecánica en energía eléctrica. Además, este fenómeno es reversible, es decir los materiales piezoeléctricos experimentan una deformación mecánica cuando son sometidos a  una diferencia de potencial eléctrico entre superficies opuestas. La piezoelectricidad es aprovechada en un conjunto muy amplio de aplicaciones prácticas, tales como altavoces de alta frecuencia, transductores ultrasónicos en ecógrafos, micrófonos de contacto para instrumentos musicales, osciladores electrónicos, actuadores de nano posicionamiento y dispositivos para cosecha de energía. En estas dos últimas aplicaciones mencionadas es donde nuestro grupo de investigación desarrolla sus líneas de trabajo.  Por un lado, los actuadores piezoeléctricos permiten la concreción de desplazamientos del orden de los micrómetros pero con resoluciones de nanómetros, a través de la deformación de mecanismos flexibles accionados por piezoeléctricos. En el detalle de la Fig. 1 se muestra un sistema de posicionamiento con brazo de palanca y accionado por un actuador piezoeléctrico del tipo stack. Se observa la plataforma móvil que se desplaza cuando el piezoeléctrico se expande actuando sobre un brazo de palanca que amplifica su recorrido. También se observa un comparador de 100 nanómetros de resolución que permite registrar el desplazamiento controlado. Estos actuadores encuentran una interesante aplicación en diversos campos de posicionamientos de ultraprecisión, tales como microscopía, nano fabricación, manipulación de material biológico, metrología de precisión, entre otras. Por otro lado, la cosecha de energía se entiende como la capacidad de poder recoger pequeñas cantidades de energía dispersa en el medio ambiente (lumínica, térmica, cinética y mecánica) y almacenarla como energía eléctrica para su posterior uso.  Este paradigma permite la implementación de tecnologías de monitoreo en ámbitos remotos sin la necesidad de la utilización de baterías o pilas, reduciendo el impacto ambiental y económico. En este contexto, el fenómeno piezoeléctrico permite el desarrollo de transductores capaces de transformar energía mecánica presente en formas de vibraciones en energía eléctrica. En este sentido, nuestro grupo de trabajo está comenzando a desarrollar un dispositivo para el estudio de la cosecha de energía de materiales piezoeléctricos sometidos a diferentes fuentes de vibraciones