Ceramiche piezo miniaturizzate e le loro applicazioni

I materiali piezoelettrici possono generare una carica elettrica quando viene applicata una forza o viceversa modificare le proprie dimensioni quando un campo elettrico viene applicato ai loro capi. Questi fenomeni furono scoperti da Jacques e Pierre Curie alla fine del XIX secolo a cui diedero il nome di “effetto piezoelettrico”. Il termine deriva dall’antica parola greca “piezo” che significa “pressione” o “spremere”. I materiali piezoelettrici sono molto versatili, in quanto possono essere utilizzati per produrre attuatori ma anche sensori. Poiché i componenti piezoceramici sono disponibili con dimensioni molto ridotte e in varie forme, è possibile integrarli e utilizzarli in diverse applicazioni.

di Lorenzo Benarrivato

Le aree di applicazione per le ceramiche piezoelettriche sono estremamente ampie e coprono una varietà di settori industriali, poiché raggiungono un’elevata dinamica con frequenze fino a diverse migliaia di Hz, potendo anche generare oscillazioni ultrasoniche in gas o fluidi. Non ci sono componenti meccanici per limitare la risoluzione e nemmeno usura meccanica, perché il movimento si basa su effetti cristallini allo stato solido.
Ciò rende per esempio possibile apportare regolazioni adattive di precisione a elementi ottici miniaturizzati, come nelle applicazioni di fotonica dei semiconduttori o del silicio, oppure su lenti o aree di uscita di fibre ottiche e specchi. Questo è anche il modo in cui attuatori e sensori miniaturizzati vengono creati per la nano-dispensazione e la fluidodinamica o per i sistemi di misura miniaturizzati. Poiché sono molto compatti ed efficienti nello spazio in cui sono installati, è anche possibile utilizzarli in unità per dispositivi mobili o tecnologia lab-on-a-chip.

Differenti geometrie, dimensioni e materiali
I requisiti che i sensori piezoceramici o gli attuatori devono soddisfare sono molteplici quanto le applicazioni per cui sono utilizzati. Per questo motivo, PI Ceramic offre componenti piezoelettrici in diverse versioni – anche senza piombo – e in varie geometrie come dischi, piastre, tubi, cuboidi o in qualsiasi forma venga richiesta dal cliente, creando prodotti personalizzati OEM (Figura 1). Le diverse forme possono essere realizzate con dimensioni esterne inferiori a 1 mm. Sono anche possibili versioni compatibili con il vuoto, versioni con connettori elettrici specifici per la data applicazione, l’integrazione su dispositivi sviluppati dall’utente e anche incollaggio e stampaggio a iniezione. Di conseguenza, non vi è praticamente alcun limite alle possibilità applicative. I tubi piezoelettrici, per esempio, forniscono uno spostamento radiale e assiale o, quando sono controllati in segmenti, scansionano il movimento sul piano X – Y. Sono realizzati con tolleranze di 0,05 mm e possono essere prodotti in serie con diametri fino a 0,8 mm. Essi possono essere utilizzati come scanner in miniatura, per l’allineamento, ma anche nei sistemi per il controllo del segnale ottico o negli endoscopi medici.

Tubi piezo per applicazioni di scansione
Un esempio pratico è l’innovativo endoscopio a scansione in fibra (SFE) per immagini a colori ad ampia area, avente diametro di solo 1 mm. Questo endoscopio consente di realizzare immagini video di alta qualità basate su tecnologia laser con procedure mininvasive e può fornire nuovi risultati per la ricerca biologica. Il componente principale di questa tecnologia è una singola guida d’onda ottica che vibra alla risonanza meccanica. In questo modo scansiona la luce laser RGB sull’immagine, la fibra ottica risonante è guidata lateralmente da un attuatore piezoelettrico tubolare con un design coassiale molto compatto (Figura 2).
La vibrazione laterale può essere modulata durante il funzionamento, la fibra si muove in un modello di scansione a spirale. L’attuatore specifico per questa applicazione ha un diametro di 0,45 mm e una lunghezza di soli 4 mm. La tensione elettrica applicata all’SFE durante il funzionamento è bassa perché il tubo piezo corrisponde elettricamente a un piccolo condensatore. Tipicamente, la tensione fornita durante il funzionamento è inferiore a 20 V con una potenza elettrica di 5,5 mW. Applicazioni di scansione simili sono possibili anche con attuatori bender che raggiungono spostamenti relativamente grandi anche nelle aree più piccole.

Dischi piezo: pompe per Microfluidi
È possibile creare attuatori piezoelettrici ad alte prestazioni che soddisfino ampiamente i requisiti necessari per le pompe di micro-dispensazione. Funzionano ad alta velocità e hanno tempi di risposta molto contenuti, il che rende possibili alte frequenze di pompaggio e basse portate ove richiesto. Le corse variabili consentono di controllare il processo di erogazione con elevata precisione. Poiché sono disponibili configurazioni molto diverse, è possibile trovare una soluzione personalizzata per qualsiasi attività. I ricercatori dell’istituto di ricerca Fraunhofer per microsistemi e tecnologie a stato solido (EMFT) stanno lavorando su un impianto attivo che sia in grado di regolare la pressione oculare interna in modo efficace e permanente. L’mpianto è costituito da un sistema di micro-pompe, un dispositivo di controllo basato su sensori, un pacco batterie integrato per l’alimentazione senza contatto e un modulo di telemetria per la trasmissione dei dati. Può essere applicato direttamente sul bulbo oculare. Un elemento piezo a forma di disco che viene applicato direttamente sul substrato di silicio è la forza trainante per la micropompa (Figura 3). Genera esattamente il movimento lineare richiesto e per di più si adatta perfettamente all’ambiente applicativo. Anche con la contropressione, le velocità di pompaggio necessarie per la terapia possono essere ottenute variando le frequenze di commutazione o l’ampiezza dello spostamento tramite un controllore dedicato. La pompa nell’impianto oculare ha una velocità massima di pompaggio di 30 microlitri al secondo e, a seconda dei sintomi, può inumidire l’occhio o pompare fuori qualsiasi umore acqueo.