EFECTO PIROELÉCTRICO

Yineth Galindez, Ana Sánchez, Daniel Vásquez, Freddy Valencia Escuela de Ingeniería de Materiales, Facultad de Ingeniería

Universidad del Valle, Cali, Colombia.Mayo 07 de 2013

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1. INTRODUCCIÓN

Cuando la temperatura de un material varia uniformemente (se calienta o se enfría), o es sometido a una tensión unidireccional, se puede producir un desplazamiento de los iones negativos respecto a los positivos, de tal forma que se polarice eléctricamente. Este efecto se conoce como piroelectricidad en el caso de un cambio de temperatura o piezoelectricidad si se debe a una tensión unidireccional. En el caso de la piroelectricidad al variar la temperatura, la estructura del material se expande o se retrae anisotrópicamente, y este ligero movimiento de los átomos unos respecto de los otros, da lugar al desplazamiento de las cargas, que en ciertas direcciones pueden ocasionar polarización eléctrica. Este cambio en la polarización se traduce en la aparición espontánea de un exceso de cargas en la superficie del material, que podremos medir en forma de una corriente. Debido a que el número de portadores que aparecen es proporcional a la temperatura, sólo se creará una corriente en caso de que exista una variación en la temperatura.

Figura 1. Cambio de polarización de un material piroeléctrico.

Como se observa en la figura la piroelectricidad es el cambio en la polarización de un material sometido a cambios de temperatura. Este tipo de fenómenos se observa en materiales dieléctricos que contienen polarizaciones espontáneas producidas por dipolos orientados.

2. MARCO TEÓRICO

2.1. DESCUBRIMIENTO DEL EFECTO PIROELÉCTRICO

El efecto piroeléctrico se descubrió en minerales como cuarzo y turmalina y otros cristales iónicos. Se desarrolla en las caras opuestas de cristales asimétricos. La dirección de propagación suele ser constante a lo largo de un material piroeléctrico, aunque la puede modificar un campo eléctrico cercano. El material cristalino que constituye un sensor piroeléctrico genera una pequeña carga eléctrica cuando está expuesto a calor en modalidad de radiación infrarroja. El cristal cambia si la cantidad de radiación es notable, y también varía la carga. Entonces se puede medir con un dispositivo FET (siglas en inglés): transistor de efecto de campo, construido dentro del sensor. Son más rápidos que los termopares.Estos efectos han sido conocidos por el hombre desde hace muchos años, recibió este nombre de D. Brewster en 1824. Pero la investigación de la piroelectricidad en polímeros es relativamente nueva pues data de mediados del siglo XX, sin embargo los resultados iniciales fueron pobres y no atractivos a nivel comercial. Grandes adelantos ocurrieron en 1971, con el descubrimiento de los efectos piroeléctricos en el fluoruro de polivinilideno PVDF por J.B. Bergman, J.H. y solamente después de que el Dr. H. Kawai descubrió la piezoelectricidad en el mismo material.

2.2. FUNCIONAMIENTO DEL EFECTO PIROELÉCTRICO

El efecto piroeléctrico se da en 10 tipos de cristales, los cuales contienen un único eje polar bajo condición no deformada, esto implica que están espontáneamente polarizados en un cierto rango de temperatura. Estos tipos de cristales exhiben un efecto piezoeléctrico y piroeléctrico, en el caso del efecto piroeléctrico el cristal desarrolla cargas eléctricas libres sobre la superficie cuando son calentados uniformemente, a causa de la polarización interna del cristal cambia por la presencia del calor, si el cristal no es calentado uniformemente entonces el gradiente de temperatura puede también desarrollar un esfuerzo mecánico generando ambos efectos en este (piezoeléctrico y piroeléctrico).

Figura 2. Estructura Perovskita. a) Material centro simétrico, b) Material no centro simétricoEste efecto depende de las limitaciones térmicas, mecánicas y eléctricas del cristal. La relación entre la densidad de flujo eléctrico (D) y la temperatura (T) definen el coeficiente piroeléctrico, en unidades de Coulomb (m-2K-1)

dD=PXdT (1)

PX=dDdT

(2)

La piroelectricidad solo se genera cuando el material exhibe una polarización espontanea, si la temperatura del material permanece constante durante un tiempo suficientemente largo, entonces las cargas acumuladas en la superficie compensaran la polarización interna, por lo tanto no existirá un flujo de carga entre las superficies cuando están cortocircuitadas. Sin embargo una pequeña variación en la temperatura ocasionara un cambio en el momento dipolar resultante de todos los dipolos y por consiguiente un cambio en la polarización espontanea. Después de realizar las estimaciones y reemplazos correspondientes se obtiene como expresión del coeficiente piroeléctrico total la siguiente ecuación

PX=|∂ D∂T |h

+ dT αF

y F, T=Ph+ d

T dF

y F, T(3)

Esto indica que a esfuerzo constante dicha constante consiste de dos componentes:

El coeficiente piroeléctrico a deformación constante (ph), debido al efecto piroeléctrico primario.

El efecto piroeléctrico secundario, el cual puede ocurrir cuando el cristal es libre de reaccionar.

Los materiales piroeléctricos también exhiben un efecto piezoeléctrico bajo presión hidrostática, también tienen efectos piroeléctrico secundario y piezoeléctrico. Teóricamente todos los materiales ferroeléctricos son piroeléctricos, pero para aplicaciones solamente aquellos con transición de segundo orden al punto de Curie son utilizables, en cambio aquellos que exhiben una transición de primer orden al punto de Curie no son utilizables porque tienen una histéresis térmica y es difícil en la mayoría de aplicaciones mantener una temperatura ambiental suficiente de manera constante.

2.3. FABRICACIÓN DE SENSORES PIROELÉCTRICOS

La fabricación de los sensores piroeléctricos puede dividirse según su tamaño ya que las técnicas de fabricación utilizadas son diferentes para sensores de tamaño normal, los cuales poseen varios mm2 de superficie, de las usadas para la fabricación de microsensores, que poseen tamaños que pueden disminuir hasta los 4µm de lado y que son utilizados en las matrices de sensores de imágenes térmicas.

Preparación de materiales En la actualidad se utilizan principalmente tres tipos de preparaciones: monocristalina, cerámica, y de película delgada. Los materiales monocristalinos son los más complejos de utilizar pero también los que poseen un mayor coeficiente piroeléctrico, seguidos de cerca por los cerámicos. En cuanto a las película delgada son bastante sencillas de manejar pero presentan coeficientes piroeléctricos de alrededor de la décima parte del que tienen los monocristalinos y los cerámicos. En el sistema del sensor, el material piroeléctrico posee el vector polarización de forma perpendicular al substrato, este vector es proporcional a la carga o al momento dipolar por unidad de volumen. La polarización del material no es homogénea y por tanto se

reparte en dominios o zonas que comparten un mismo vector polarización, por ejemplo en una cerámica compuesta de granos monocristalinos microscópicos de aproximadamente 1µm de diámetro, cada grano es un dominio. En estas circunstancias el vector polarización será distinto y aleatorio en cada dominio, lo que resulta en una suma neta de todo el material nula. A diferencia de los cerámicos y las películas delgadas, en los monocristales no se presentan dominios pues su piroelectricidad es natural. Para que el material a utilizar sea optimo como sensor piroeléctrico, el vector polarización neto del material debe tener el mayor valor posible y para eso es necesario que los vectores polarización de todos los dominios sean lo más homogéneos posible. Por lo cual, se induce la misma polarización a todo el material aplicando un campo eléctrico lo suficientemente intenso a una temperatura cercana a la de Curie. La preparación de un monocristal es un proceso lento y complicado que aumenta dependiendo del tamaño del cristal. Los métodos empleados se basan en los siguientes principios: sobresaturar una solución para obligar a precipitar o permitir la solidificación de moléculas previamente en estado líquido o gaseoso. Esta preparación debe ser suficientemente lenta para que las moléculas alcancen la posición más estable, es decir, la cristalina. Si el proceso es demasiado rápido, las moléculas se colocarán rápida y desordenadamente, sin respetar la estructura del cristal. Entre las sustancias monocristalinas más utilizadas se encuentran el tantalato de litio (LiTaO3) y el sulfato de triglicina (TGS) debido a sus altos coeficientes piroeléctricos.

Figura 3. Cristal piroeléctrico de tantalato de litio (LiTaO3).

En cuanto a la preparación de la cerámica el proceso resulta menos sensible pero más laborioso. Primero, se pesan los elementos de la materia prima de alta pureza, según la fórmula estequiométrica que se desee dar a la cerámica, estos elementos deben estar pulverizaos en partículas de menos de una micra para que en las reacciones pueda tener lugar la difusión atómica. Luego, se mezclan los polvos ya sea mecánica o químicamente y se calcinan a alta temperatura. Los terrones calcinados son molidos finamente y recompactados en la forma deseada, para calentarse de nuevo lentamente hasta 500℃ o 600℃ eliminando los restos de las sustancias empleadas en el proceso. Este aumento de temperatura debe ser gradual de modo que los gases salgan lentamente sin provocar grietas o burbujas.Finalmente, cada grano de la cerámica tendrá un dominio diferente y la pieza tendrá un vector polarización neto nulo. La principal ventaja que presentan las cerámicas es que su composición puede variar de forma arbitraria, sin seguir unas estrictas proporciones como las necesarias para la fabricación de un cristal.

La fabricación de la película delgada es la más sencilla de todas ya que se basa en la deposición sobre una superficie de una serie de capas de distintos materiales, como los contactos metálicos, la capa absorbente y en la propia capa piroeléctrica. La deposición puede presentarse en estado diluido o gaseoso, sea de forma espontánea o por rociado utilizando las técnicas CDV (Chemical vapor deposition) o PVD (Physical vapor deposition), obteniendo es una película de un grosor entre unas pocas micras y unas décimas de milímetro. Entre las película delgada más utilizados se presenta el PVDF (fluoruro de polivinilideno) y sus derivados, polímeros termoplásticos de bajo costo, buena disponibilidad y sencillez en su manejo.

Figura 4. Fluoruro de polivinilideno (PVDF).

2.4. APLICACIONES DEL EFECTO PIROELÉCTRICO

Probablemente el uso más extendido de los sensores piroeléctricos se da en el campo de la seguridad. Utilizando sensores diseñados para una longitud de onda de entre 8 μm y 14 μm puede ser detectada fácilmente una persona moviéndose por una habitación.

Una de las aplicaciones más interesantes de los sensores termográficos está en el ámbito de la medicina. Gracias a la fuerte simetría térmica que presenta el cuerpo humano, cualquier anomalía es fácilmente identificada. La termografía es especialmente interesante para el diagnóstico en los sistemas vascular, muscular, neurológico y óseo, donde puede resultar de gran ayuda para realizar o complementar un diagnóstico médico. La termografía médica es una técnica no invasiva que no somete el cuerpo a ningún tipo de radiación dañina (de hecho es totalmente pasiva). Hasta ahora, se ha visto frenada por los desproporcionados precios del material, pero gracias a la disminución en el coste de fabricación de los sensores en los últimos años puede experimentar un auge a corto o medio plazo. Se muestran como ejemplo tres termografías de distintas patologías en la figura 5.

Figura 5.Se puede observar una inflamación de dos vértebras torácicas, un esguince de tobillo y una fractura en la pierna derecha tras 6 semanas, que provoca una transferencia del peso a la pierna

izquierda.Sin embargo, el desarrollo de las cámaras termográficas autónomas se ha dado fundamentalmente por otro motivo: el mantenimiento predictivo. En este contexto, son extremadamente útiles para detectar irregularidades en todo tipo de procesos que manejen altas temperaturas o potencias elevadas. El ejemplo más claro lo son las plantas cementeras o las estaciones eléctricas. Realizando inspecciones termográficas periódicas, es posible detectar las averías antes de que se produzcan, gracias al sobrecalentamiento que suelen sufrir los componentes cuando se encuentran al borde del fallo como lo muestra la figura 6. De este modo es posible reemplazar la pieza gastada con un paro en la producción mínimo

Figura 6. Termografía de tres conexiones de alta tensión.Otra aplicación muy relacionada es la termografía de edificios, para localizar las mayores fugas de calor o zonas con un aislamiento defectuoso (figura 7).

Figura 7. XXXSin embargo, como cualquier técnica, tampoco está exenta de problemas: los equipos son muy costosos, sólo se puede inspeccionar un determinado grosor bajo la superficie del material, los materiales de baja emisividad son difíciles de evaluar. Cambiando completamente de ámbito, no hay que olvidar que se puede conseguir que un sensor piroeléctrico responda a un margen de longitudes de onda muy amplio (se pueden sensibilizar a longitudes de onda entre ultravioleta y microondas, y quizá incluso más allá mediante capas absorbentes adecuadas), lo que hace que tengan una

especial utilidad en espectroscopia. También son interesantes las aplicaciones que están siendo desarrolladas en el campo de la verificación biométrica, detectando térmicamente, por ejemplo, el patrón de venas del dorso de la mano, características difícilmente falsificables. Por otra parte, la detección de humanos puede realizarse con sensores fácilmente disponibles, de muy bajo coste, y extremadamente sencillos de utilizar.Otro campo donde su uso es prácticamente experimental es en los sistemas de ayuda a la navegación o conducción nocturna. La reducción del coste de las cámaras termográficas las están volviendo muy adecuadas para estas tareas, ya que al contrario que otros sistemas, su rango de acción no está limitado por la distancia que se puede iluminar (de noche, cualquier vehículo es fácilmente detectable gracias a su temperatura). Además, hay longitudes de onda a las que la niebla o la lluvia prácticamente no afectan, por lo que se puede conseguir que dichos sensores sean casi inmunes a estas condiciones.

Detectores de un elemento.Los detectores de un elemento tienen la desventaja que cualquier variación de temperatura a su alrededor, podrá crear una corriente de salida, además de eso, llevando en consideración que estos materiales son piezoeléctricos, alguna vibración a su alrededor también podría alterar.Para minimizar estos efectos se colocan dos electrodos en una de las superficies del material y en la otra solamente uno, de manera que queden dos capacitores en serie. Las partes del material piroeléctrico, correspondientes a cada uno de los capacitores, son polarizadas en sentido contrario, como es mostrado en la Figura 8.

Figura 8. Esquema del detector de un elemento.Solamente uno de los electrodos será expuesto a la radiación que se quiere detectar, pero los dos estarán expuestos a las interferencias térmicas y acústicas de su ambiente, por este motivo, las señales correspondientes a cada uno de los elementos se cancelarán y no se obtendrá ninguna señal de salida a partir de las fuentes de interferencia.Usando el hecho de que un hombre en movimiento es una fuente de radiación que varía en el tiempo, se puede usar detectores de un elemento para la fabricación de alarmas de presencia Entonces si el cuerpo se encuentra a 310 K, emitirá con potencia máxima una longitud de onda de 9.5 µm, y los materiales de PZ modificados, absorberán fuertemente esa radiación.Los dispositivos piroeléctricos pueden ser usados como detectores de fuego, en este caso son conectados a filtros de ondas que respondan solamente al rango de frecuencia entre 5- 40 Hz, que cubre la región de frecuencia de las chamas.

Gases con fuertes rangos de absorción en el infrarrojo se pueden detectar colocando un filtro de onda apropiado frente al elemento piroeléctrico, haciendo pasar un haz de radiación aproximadamente de 30 Hz a través de la atmósfera a ser estudiada y comparando con otro detector de referencia libre del gas. El dióxido de carbono que tiene un rango de absorción para 4.3 µm es monitoreado de esta forma.

Dispositivos térmicos para imágenesUna de las formas de dispositivos térmicos para imágenes, es el vidicón, mostrado en la figura 9. El elemento piroeléctrico es una placa de un material piroeléctrico adecuado, localizado próximo a uno de los extremos de un tubo vacío, que tiene un injerto de electrones en el otro extremo. La radiación es focalizada usando un lente de germanio en una de las caras de la placa, que es cubierto por un electrodo transparente, la otra cara es barrida por un eje de electrones. Una rejilla cerca de la superficie de la placa es conectada a un potencial positivo suficiente para atraer una parte de los electrones del eje.La radiación incidente en la superficie opuesta al eje de electrones produce una carga en la cara expuesta al eje y altera el potencial en esta cara. El eje del electrón entonces deposita suficiente carga para restablecer el potencial anterior.

Figura 9. Esquema del vidicón.Una señal de vídeo es generado en el circuito conectado al electrodo del frente mediante acoplamiento capacitivo. La señal de vídeo es amplificada y observada a través de un monitor de televisión convencional. Para obtener buena resolución espacial, es preciso materiales con baja conductividad térmica, debido a la difusión térmica lateral en la placa reducir la resolución. Esta dificultad puede ser superada mediante el uso de placas reticuladas como la mostrada en la figura 10.

Figura 10. Micrografía de un piroeléctrico reticulado para ser usado en vidicón.Imágenes obtenidas en una noche oscura usando placas reticuladas, mediante un equipo de vidicón pudieron ser observadas (figura 11).

Figura 11. Imágenes obtenidas en una noche oscura, usando una cámara con vidicón y con una placa piroeléctrica reticulada.

Dentro de otras aplicaciones que se encuentran del efecto piroeléctrico se mencionan a continuación:

Pirómetros Alarmas de incendios Analizadores de gas Detectores de polución Detectores optotérmicos Detectores de posición Estudios de células solares Detectores de microondas Detectores de rayos X Diagnósticos de emisores láser Termómetros de alta resolución

3. BIBLIOGRAFÍADielectric Phenomena in Solids: With Emphasis on Physical Concepts of Electronic Processes. Kwan Chi Kao. Elsevier Academis Press. 2004.Materiales y Dispositivos Piezoeléctricos: Fundamentos y Desarrollo. Michel Venet Zambrano, Antonio Henrique Alves Pereira, 2004.Sensores de radiación basados en el efecto piroeléctrico. José Juan Fernández de Dios, 2005.Efecto piroeléctrico. Recuperado de: http://latunicadeneso.wordpress.com/tag/efecto-piroelectrico/ [citado el 4de mayo de 2013].Mediciones Industriales. Investigación sobre: sensores generadores. Recuperado de: http://dimascometin3.blogspot.com/2008/07/investigacion-sobre-sensores.html [citado el 4 de mayo de 2013].Sensores generadores de señal. Recuperado de: http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4040003/lecciones/cap3lecc7.htm [citado el 4 de mayo de 2013].Sensores de radiación basados en el efecto piroeléctrico. Recuperado de: http://www.peirao.com/data/comun/documentos/jj/sensores_piroelectricos.pdf [citado el 1 de mayo de 2013].