Piezoelectricidad

El efecto piroeléctrico , por el cual un material genera un potencial eléctrico en respuesta a un cambio de temperatura, fue estudiado por Carl Linnaeus y Franz Aepinus a mediados del siglo XVIII. Basándose en este conocimiento, tanto René Just Haüy como Antoine César Becquerel postularon una relación entre la tensión mecánica y la carga eléctrica; sin embargo, los experimentos de ambos resultaron inconclusos. ^{[ 14 ]}

La primera demostración del efecto piezoeléctrico directo fue realizada en 1880 por los hermanos Pierre Curie y Jacques Curie . ^{[ 7 ]} Combinaron su conocimiento de la piroelectricidad con su comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes que la originaban para predecir el comportamiento de los cristales, y demostraron el efecto utilizando cristales de turmalina , cuarzo , topacio , azúcar de caña y sal de Rochelle (tartrato de sodio y potasio tetrahidratado). El cuarzo y la sal de Rochelle exhibieron la mayor piezoelectricidad.

Sin embargo, los Curie no predijeron el efecto piezoeléctrico inverso. Este efecto fue deducido matemáticamente a partir de principios termodinámicos fundamentales por Gabriel Lippmann en 1881. ^{[ 15 ]} Los Curie confirmaron de inmediato la existencia del efecto inverso, ^{[ 16 ]} y posteriormente obtuvieron pruebas cuantitativas de la completa reversibilidad de las deformaciones electro-elasto-mecánicas en cristales piezoeléctricos.

Durante las décadas siguientes, la piezoelectricidad siguió siendo una curiosidad de laboratorio, aunque fue una herramienta vital en el descubrimiento del polonio y el radio por Pierre y Marie Curie en 1898. Se realizaron más investigaciones para explorar y definir las estructuras cristalinas que exhibían piezoelectricidad. Esto culminó en 1910 con la publicación del Lehrbuch der Kristallphysik ( Libro de texto sobre física de cristales ) de Woldemar Voigt , ^{[ 17 ]} que describía las 20 clases de cristales naturales capaces de piezoelectricidad y definía rigurosamente las constantes piezoeléctricas mediante análisis tensorial .

La primera aplicación práctica de los dispositivos piezoeléctricos fue el sonar , desarrollado durante la Primera Guerra Mundial . El rendimiento superior de estos dispositivos, que operaban a frecuencias ultrasónicas, superó al oscilador de Fessenden . En Francia , en 1917, Paul Langevin y sus colaboradores desarrollaron un detector ultrasónico de submarinos . ^{[ 18 ]} El detector constaba de un transductor , hecho de finos cristales de cuarzo cuidadosamente pegados entre dos placas de acero, y un hidrófono para detectar el eco reflejado . Al emitir un pulso de alta frecuencia desde el transductor y medir el tiempo que tarda en oírse el eco de las ondas sonoras que rebotan en un objeto, se puede calcular la distancia a dicho objeto.

Los dispositivos piezoeléctricos encontraron aplicación en numerosos campos. Los cartuchos cerámicos para fonógrafos simplificaron el diseño de los reproductores, resultaron económicos y precisos, y facilitaron el mantenimiento y la fabricación de tocadiscos. El desarrollo del transductor ultrasónico permitió medir fácilmente la viscosidad y la elasticidad en fluidos y sólidos, lo que propició grandes avances en la investigación de materiales. Los reflectómetros ultrasónicos en el dominio del tiempo (que envían un pulso ultrasónico a través de un material y miden las reflexiones de las discontinuidades) permitieron detectar defectos en objetos de metal fundido y piedra, mejorando así la seguridad estructural.

Durante la Segunda Guerra Mundial , grupos de investigación independientes en Estados Unidos , la URSS y Japón descubrieron una nueva clase de materiales sintéticos, denominados ferroeléctricos , que presentaban constantes piezoeléctricas muchas veces superiores a las de los materiales naturales. Esto impulsó una intensa investigación para desarrollar materiales de titanato de bario y, posteriormente, de titanato de zirconato de plomo con propiedades específicas para aplicaciones particulares.

Un ejemplo significativo del uso de cristales piezoeléctricos fue desarrollado por los Laboratorios Bell Telephone . Tras la Primera Guerra Mundial, Frederick R. Lack, quien trabajaba en radiotelefonía en el departamento de ingeniería, desarrolló el cristal "AT cut", un cristal que funcionaba en un amplio rango de temperaturas. El cristal de Lack no requería los pesados ​​accesorios que utilizaban los cristales anteriores, lo que facilitó su uso en aeronaves. Este desarrollo permitió a las fuerzas aéreas aliadas realizar ataques masivos coordinados mediante la radio de aviación.

El desarrollo de dispositivos y materiales piezoeléctricos en Estados Unidos se mantuvo dentro de las empresas dedicadas a su desarrollo, principalmente debido a los inicios del sector durante la guerra y con el fin de asegurar patentes rentables. Los primeros materiales en desarrollarse fueron los cristales de cuarzo , el primer material piezoeléctrico explotado comercialmente, pero los científicos buscaban materiales de mayor rendimiento. A pesar de los avances en materiales y la maduración de los procesos de fabricación, el mercado estadounidense no creció tan rápidamente como el japonés. Sin muchas aplicaciones nuevas, el crecimiento de la industria piezoeléctrica estadounidense se vio afectado.

En contraste, los fabricantes japoneses compartieron su información, superando rápidamente los desafíos técnicos y de fabricación y creando nuevos mercados. En Japón, Issac Koga desarrolló un corte de cristal termoestable . Los esfuerzos japoneses en la investigación de materiales dieron como resultado materiales piezocerámicos competitivos con los de Estados Unidos, pero libres de costosas restricciones de patentes. Entre los principales avances japoneses en piezoelectricidad se incluyen nuevos diseños de filtros piezocerámicos para radios y televisores , zumbadores piezoeléctricos y transductores de audio que se pueden conectar directamente a circuitos electrónicos, y el encendedor piezoeléctrico , que genera chispas para sistemas de encendido de motores pequeños y encendedores de parrillas de gas, mediante la compresión de un disco cerámico. Los transductores ultrasónicos que transmiten ondas sonoras a través del aire existían desde hacía tiempo, pero su uso comercial a gran escala se produjo por primera vez en los primeros mandos a distancia de televisión. Estos transductores ahora se montan en varios modelos de automóviles como dispositivo de ecolocalización , ayudando al conductor a determinar la distancia del vehículo a cualquier objeto que pueda estar en su camino.

La piezoelectricidad lineal es el efecto combinado de

• El comportamiento eléctrico lineal del material:

${\displaystyle \mathbf {D} ={\boldsymbol {\varepsilon }}\,\mathbf {E} \quad \implica }$${\displaystyle \quad D_{i}=\sum _{j}\varepsilon _{ij}\,E_{j}\;}$

donde D es la densidad de flujo eléctrico ^{[ 22 ] [ 23 ]} ( desplazamiento eléctrico ), ε es la permitividad (constante dieléctrica de cuerpo libre), E es la intensidad del campo eléctrico y${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {D} =0}$,${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =\mathbf {0} }$.

• Ley de Hooke para materiales elásticos lineales:

${\displaystyle {\boldsymbol {S}}={\mathsf {s}}\,{\boldsymbol {T}}\quad \implies \quad S_{ij}=\sum _{k,\ell }s_{ijk\ell }\,T_{k\ell }\;}$

donde S es la deformación linealizada , s es la compliancia en condiciones de cortocircuito, T es la tensión y

${\displaystyle \nabla \cdot {\boldsymbol {T}}=\mathbf {0} \,\,,\,{\boldsymbol {S}}={\frac {\nabla \mathbf {u} +\mathbf {u} \nabla }{2}},}$

donde u es el vector de desplazamiento .

Estas pueden combinarse en las llamadas ecuaciones acopladas , cuya forma de carga de deformación es: ^{[ 24 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}{\boldsymbol {S}}&={\mathsf {s}}\,{\boldsymbol {T}}+{\mathfrak {d}}^{t}\,\mathbf {E} \ &&\implica \quad S_{ij}=\sum _{k,\ell }s_{ijk\ell }\,T_{k\ell }+\sum _{k}d_{ijk}^{t}\,E_{k},\\[6pt]\mathbf {D} &={\mathfrak {d}}\,{\boldsymbol {T}}+{\boldsymbol {\varepsilon }}\,\mathbf {E} &&\implica \quad D_{i}=\sum _{j,k}d_{ijk}\,T_{jk}+\sum _{j}\varepsilon _{ij}\,E_{j},\end{aligned}}}$

dónde${\displaystyle {\mathfrak {d}}}$es el tensor piezoeléctrico y el superíndice t representa su transpuesta. Debido a la simetría de${\displaystyle {\mathfrak {d}}}$,${\displaystyle d_{ijk}^{t}=d_{kji}=d_{kij}}$.

En forma matricial,

${\displaystyle {\begin{aligned}\{S\}&=\left[s^{E}\right]\{T\}+[d^{\mathrm {t} }]\{E\},\\[6pt]\{D\}&=[d]\{T\}+\left[\varepsilon ^{T}\right]\{E\},\end{aligned}}}$

donde [ d ] es la matriz para el efecto piezoeléctrico directo y [ d ^t ] es la matriz para el efecto piezoeléctrico inverso. El superíndice E indica un campo eléctrico nulo o constante; el superíndice T indica un campo de tensión nulo o constante; y el superíndice t representa la transposición de una matriz .

Nótese que el tensor de tercer orden${\displaystyle {\mathfrak {d}}}$mapea vectores en matrices simétricas. No existen tensores no triviales invariantes a la rotación que posean esta propiedad, razón por la cual no existen materiales piezoeléctricos isotrópicos.

La carga de deformación para un material de la clase cristalina de 4 mm (C _4v ) (como una cerámica piezoeléctrica polarizada como el PZT tetragonal o el BaTiO ₃ ), así como la clase cristalina de 6 mm , también se puede escribir como (ANSI IEEE 176):

${\displaystyle {\begin{aligned}&{\begin{bmatrix}S_{1}\\S_{2}\\S_{3}\\S_{4}\\S_{5}\\S_{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}s_{11}^{E}&s_{12}^{E}&s_{13}^{E}&0&0&0\\s_{21}^{E}&s_{22}^{E}&s_{23}^{E}&0&0&0\\s_{31}^{E}&s_{32 }^{E}&s_{33}^{E}&0&0&0\\0&0&0&s_{44}^{E}&0&0\\0&0&0&0&s_{55}^{E}&0\\0&0&0&0&0&s_{66}^{E}=2\left(s_{11}^{E}-s_{12}^{E}\right)\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}T_{1}\\T_{2}\\T_{3}\\T_{4}\\T_{5}\\T_{6}\end{bm atrix}}+{\begin{bmatrix}0&0&d_{31}\\0&0&d_{32}\\0&0&d_{33}\\0&d_{24}&0\\d_{15}&0&0\\0&0&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}E_{1}\\E_{2}\\E_{3}\end{bmatrix}}\\[8pt]&{\begin{bmatrix}D_{1}\\D_{2}\\D_{3}\end{ bmatrix}}={\begin{bmatrix}0&0&0&0&d_{15}&0\\0&0&0&d_{24}&0&0\\d_{31}&d_{32}&d_{33}&0&0&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}T_{1}\\T_{2}\\T_{3}\\T_{4}\\T_{5}\\T_{6}\end{bmatrix}}+{\begin{bmatrix}{\varepsilon }_{11}&0&0\\0&{\varepsilon }_{22}&0\\0&0&{\varepsilon }_{33}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}E_{1}\\E_{2}\\E_{3}\end{bmatrix}}\end{aligned}}}$

donde la primera ecuación representa la relación para el efecto piezoeléctrico inverso y la segunda para el efecto piezoeléctrico directo. ^{[ 25 ]}

Aunque las ecuaciones anteriores son la forma más utilizada en la literatura, es necesario hacer algunos comentarios sobre la notación. Generalmente, D y E son vectores , es decir, tensores cartesianos de rango 1; y la permitividad ε es un tensor cartesiano de rango 2. La deformación y la tensión son, en principio, también tensores de rango 2. Pero, convencionalmente, dado que la deformación y la tensión son tensores simétricos, el subíndice de la deformación y la tensión se puede reetiquetar de la siguiente manera: 11  →  1; 22  →  2; 33  →  3; 23  →  4; 13  →  5; 12  →  6. (Diferentes autores pueden usar convenciones distintas en la literatura. Por ejemplo, algunos usan 12  →  4; 23  →  5; 31  →  6 en su lugar). Por eso S y T parecen tener la "forma vectorial" de seis componentes. En consecuencia, s parece ser una matriz de 6x6 en lugar de un tensor de rango 3. Esta notación renombrada se suele llamar notación de Voigt . Si los componentes de deformación por cizallamiento S ₄ , S ₅ , S ₆ son componentes tensoriales o deformaciones de ingeniería es otra cuestión. En la ecuación anterior, deben ser deformaciones de ingeniería para que el coeficiente 6,6 de la matriz de compliancia se escriba como se muestra, es decir, 2( s ^E ₁₁  − s ^E ₁₂ ). Las deformaciones de cizallamiento de ingeniería son el doble del valor del cizallamiento tensorial correspondiente, como S ₆ = 2 S ₁₂ y así sucesivamente. Esto también significa que s ₆₆ = ⁠ 1 / G ₁₂ ⁠ , donde G ₁₂ es el módulo de cizallamiento .     

En total, hay cuatro coeficientes piezoeléctricos, d _ij , e _ij , g _ij , y h _ij definidos de la siguiente manera:

${\displaystyle {\begin{aligned}d_{ij}&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial D_{i}}{\partial T_{j}}}\right)^{E}&&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial S_{j}}{\partial E_{i}}}\right)^{T}\\[6pt]e_{ij}&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial D_{i}}{\partial S_{j}}}\right)^{E}&&=-\left({\frac {\partial T_{j}}{\partial E_{i}}}\right)^{S}\\[6pt]g_{ij}&=-\left({\frac {\partial E_{i}}{\partial T_{j}}}\right)^{D}&&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial S_{j}}{\partial D_{i}}}\right)^{T}\\[6pt]h_{ij}&=-\left({\frac {\partial E_{i}}{\partial S_{j}}}\right)^{D}&&=-\left({\frac {\partial T_{j}}{\partial D_{i}}}\right)^{S}\end{aligned}}}$

donde el primer conjunto de cuatro términos corresponde al efecto piezoeléctrico directo y el segundo conjunto de cuatro términos corresponde al efecto piezoeléctrico inverso. La igualdad entre el tensor piezoeléctrico directo y la transpuesta del tensor piezoeléctrico inverso se origina en las relaciones de Maxwell de la termodinámica. ^{[ 26 ]} Para aquellos cristales piezoeléctricos para los cuales la polarización es del tipo inducido por el campo cristalino, se ha desarrollado un formalismo que permite el cálculo de los coeficientes piezoeléctricos d _ij a partir de constantes de red electrostáticas o constantes de Madelung de orden superior . ^{[ 19 ]}

• Langasita (La₃Ga₅SiO₁₄ ₎ – un _cristal análogo _al cuarzo 
• Ortofosfato de galio (GaPO₄ ₎ –  un cristal análogo al cuarzo
• Niobato de litio (LiNbO ₃ )
• tantalato de litio (LiTaO ₃ )
• Cuarzo
• Berlinita (AlPO₄ ₎ –  un mineral fosfático raro que es estructuralmente idéntico al cuarzo
• Sal Rochelle
• Topacio  : la piezoelectricidad en el topacio probablemente se deba al ordenamiento de los grupos (F,OH) en su red cristalina, que de otro modo sería centrosimétrica: bipiramidal ortorrómbica (mmm). El topacio presenta propiedades ópticas anómalas, que se atribuyen a dicho ordenamiento. ^{[ 29 ]}
• Minerales del grupo de la turmalina
• El titanato de plomo (PbTiO ₃ )  – aunque se encuentra en la naturaleza como el mineral macedonita, ^{[ 30 ] [ 31 ]} se sintetiza para investigación y aplicaciones.

Las cerámicas con granos orientados aleatoriamente deben ser ferroeléctricas para exhibir piezoelectricidad. ^{[ 32 ]} La aparición de crecimiento anormal de grano (AGG) en cerámicas piezoeléctricas policristalinas sinterizadas tiene efectos perjudiciales sobre el rendimiento piezoeléctrico en dichos sistemas y debe evitarse, ya que la microestructura en las piezocerámicas que exhiben AGG tiende a consistir en unos pocos granos alargados anormalmente grandes en una matriz de granos más finos orientados aleatoriamente. La piezoelectricidad macroscópica es posible en materiales piezoeléctricos no ferroeléctricos policristalinos texturizados, como AlN y ZnO. Las familias de cerámicas con estructuras de perovskita , bronce de tungsteno y relacionadas exhiben piezoelectricidad:

• El titanato de zirconato de plomo ( Pb [ Zr _x Ti _{1− x} ] O ₃ con 0  ≤ x ≤ 1) , más conocido como PZT, es la cerámica piezoeléctrica más común en uso hoy en día.    
• Niobato de potasio (KNbO ₃ ) ^{[ 33 ]}
• tungstato de sodio (Na ₂ WO ₃ )
• Ba ₂ NaNb ₅ O ₅
• Pb ₂ KNb ₅ O ₁₅
• Óxido de zinc (ZnO)  – Estructura de wurtzita . Si bien los monocristales de ZnO son piezoeléctricos y piroeléctricos, el ZnO policristalino (cerámico) con granos orientados aleatoriamente no presenta efectos piezoeléctricos ni piroeléctricos. Al no ser ferroeléctrico, el ZnO policristalino no puede polarizarse como el titanato de bario o el PZT. Las cerámicas y las películas delgadas policristalinas de ZnO pueden exhibir piezoelectricidad y piroelectricidad macroscópicas solo si están texturizadas (los granos están orientados preferentemente), de manera que las respuestas piezoeléctricas y piroeléctricas de todos los granos individuales no se cancelen. Esto se logra fácilmente en películas delgadas policristalinas. ^{[ 25 ]}

• Niobato de sodio y potasio ((K,Na)NbO₃ ₎ . Este material también se conoce como NKN o KNN. En 2004, un grupo de investigadores japoneses liderado por Yasuyoshi Saito descubrió una composición de niobato de sodio y potasio con propiedades cercanas a las del PZT, incluyendo una alta T_{_C} . ^{[ 34 ]} Se ha demostrado que ciertas composiciones de este material conservan un alto factor de calidad mecánica ( Q_{_m} ≈  900) con niveles de vibración crecientes, mientras que el factor de calidad mecánica del PZT duro se degrada en tales condiciones. Este hecho convierte al NKN en un sustituto prometedor para aplicaciones de resonancia de alta potencia, como los transformadores piezoeléctricos. ^{[ 35 ]}
• Ferrita de bismuto (BiFeO ₃ )  : un candidato prometedor para la sustitución de las cerámicas a base de plomo.
• Niobato de sodio (NaNbO ₃ )
• Titanato de bario (BaTiO ₃ )  – El titanato de bario fue la primera cerámica piezoeléctrica descubierta.
• Titanato de bismuto (Bi ₄ Ti ₃ O ₁₂ )
• titanato de bismuto y sodio (NaBi(TiO ₃ ) ₂ )

La fabricación de piezocerámicas sin plomo plantea múltiples desafíos, desde el punto de vista ambiental y su capacidad para replicar las propiedades de sus contrapartes basadas en plomo. Al eliminar el componente de plomo de la piezocerámica, el riesgo de toxicidad para los humanos disminuye, pero la minería y extracción de los materiales pueden ser perjudiciales para el medio ambiente. ^{[ 36 ]} El análisis del perfil ambiental del PZT frente al niobato de sodio y potasio (NKN o KNN) muestra que, en los cuatro indicadores considerados (consumo de energía primaria, huella toxicológica, eco-indicador 99 y emisiones de gases de efecto invernadero aguas arriba de entrada-salida), el KNN es en realidad más perjudicial para el medio ambiente. La mayoría de las preocupaciones con el KNN, específicamente su componente Nb ₂ O ₅ , se encuentran en la fase inicial de su ciclo de vida antes de que llegue a los fabricantes. Dado que los impactos nocivos se concentran en estas fases iniciales, se pueden tomar algunas medidas para minimizar los efectos. Devolver la tierra lo más cerca posible de su forma original después de la minería de Nb ₂ O ₅ mediante la deconstrucción de presas o el reemplazo de un acopio de suelo utilizable son ayudas conocidas para cualquier evento de extracción. Para minimizar los efectos en la calidad del aire, aún se requieren modelos y simulaciones para comprender plenamente los métodos de mitigación necesarios. La extracción de componentes piezocerámicos sin plomo no ha alcanzado una escala significativa hasta el momento, pero según los primeros análisis, los expertos recomiendan precaución en lo que respecta a los efectos ambientales.

La fabricación de piezocerámicas sin plomo se enfrenta al desafío de mantener el rendimiento y la estabilidad de sus contrapartes con plomo. En general, el principal desafío de fabricación es crear los " límites de fase morfotrópicos (MPB)" que proporcionan a los materiales sus propiedades piezoeléctricas estables sin introducir los "límites de fase polimórficos (PPB)" que disminuyen la estabilidad térmica del material. ^{[ 37 ]} Se crean nuevos límites de fase variando las concentraciones de aditivos de modo que las temperaturas de transición de fase converjan a temperatura ambiente. La introducción del MPB mejora las propiedades piezoeléctricas, pero si se introduce un PPB, el material se ve afectado negativamente por la temperatura. Se está investigando para controlar el tipo de límites de fase que se introducen mediante ingeniería de fases, transiciones de fase difusas, ingeniería de dominios y modificación química.

Se puede crear un potencial piezoeléctrico en cualquier cristal semiconductor masivo o nanoestructurado con simetría no central, como los materiales de los grupos III - V y II - VI , debido a la polarización de iones bajo tensión y deformación aplicadas. Esta propiedad es común a las estructuras cristalinas de zincblenda y wurtzita . En primera aproximación, solo hay un coeficiente piezoeléctrico independiente en zincblenda , llamado e ₁₄ , acoplado a los componentes de cizallamiento de la deformación. En wurtzita , en cambio, hay tres coeficientes piezoeléctricos independientes: e ₃₁ , e ₃₃ y e _15. Los semiconductores donde se observa la piezoelectricidad más fuerte son aquellos que se encuentran comúnmente en la estructura de wurtzita , es decir, GaN , InN , AlN y ZnO (véase piezotrónica ).

Desde 2006, también ha habido varios informes de fuertes efectos piezoeléctricos no lineales en semiconductores polares . ^{[ 38 ]} En general, se reconoce que tales efectos son al menos importantes, si no del mismo orden de magnitud que la aproximación de primer orden.

La respuesta piezoeléctrica de los polímeros no es tan alta como la de las cerámicas; sin embargo, los polímeros poseen propiedades que las cerámicas no tienen. En las últimas décadas, se han estudiado y aplicado polímeros piezoeléctricos no tóxicos debido a su flexibilidad y menor impedancia acústica . ^{[ 39 ]} Otras propiedades que hacen que estos materiales sean importantes incluyen su biocompatibilidad , biodegradabilidad , bajo costo y bajo consumo de energía en comparación con otros materiales piezoeléctricos (cerámicas, etc.). ^{[ 40 ]}

Los polímeros piezoeléctricos se pueden clasificar en polímeros a granel, polímeros cargados con huecos ("piezoelectretos") y compuestos poliméricos. La respuesta piezoeléctrica observada en los polímeros a granel se debe principalmente a su estructura molecular. Existen dos tipos de polímeros a granel: amorfos y semicristalinos . Ejemplos de polímeros semicristalinos son el fluoruro de polivinilideno (PVDF) y sus copolímeros , las poliamidas y el parileno-C . Los polímeros no cristalinos, como la poliimida y el cloruro de polivinilideno (PVDC), se incluyen dentro de los polímeros amorfos a granel. Los polímeros cargados con huecos exhiben el efecto piezoeléctrico debido a la carga inducida por la polarización de una película polimérica porosa. Bajo un campo eléctrico, se forman cargas en la superficie de los huecos, creando dipolos. Las respuestas eléctricas pueden ser causadas por cualquier deformación de estos huecos. El efecto piezoeléctrico también se puede observar en compuestos poliméricos mediante la integración de partículas cerámicas piezoeléctricas en una película polimérica. Un polímero no tiene que ser piezoactivo para ser un material eficaz para un compuesto polimérico. ^{[ 40 ]} En este caso, un material podría estar compuesto por una matriz inerte con un componente piezoactivo separado.

El PVDF presenta una piezoelectricidad varias veces mayor que la del cuarzo. La respuesta piezoeléctrica observada en el PVDF es de aproximadamente 20–30 pC/N. Esto es un orden de 5–50 veces menor que la del titanato de zirconato de plomo (PZT), una cerámica piezoeléctrica. ^{[ 39 ] [ 40 ]} La estabilidad térmica del efecto piezoeléctrico de los polímeros de la familia PVDF (es decir, copolímero de fluoruro de vinilideno y politrifluoroetileno) alcanza los 125  °C. Algunas aplicaciones del PVDF son sensores de presión, hidrófonos y sensores de ondas de choque. ^{[ 39 ]}

Debido a su flexibilidad, los compuestos piezoeléctricos se han propuesto como recolectores de energía y nanogeneradores. En 2018, Zhu et al. informaron que  se podía obtener una respuesta piezoeléctrica de aproximadamente 17 pC/N a partir de un nanocompuesto de PDMS/PZT con una porosidad del 60 %. ^{[ 41 ]} En 2017 se informó sobre otro nanocompuesto de PDMS, en el que se integró BaTiO ₃ en PDMS para crear un nanogenerador transparente y elástico para el monitoreo fisiológico autoalimentado. ^{[ 42 ]}  En 2016, se introdujeron moléculas polares en una espuma de poliuretano en la que se informaron altas respuestas de hasta 244 pC/N. ^{[ 43 ]}

La mayoría de los materiales exhiben al menos respuestas piezoeléctricas débiles. Ejemplos triviales incluyen la sacarosa (azúcar de mesa), el ADN y las proteínas virales, incluidas las de los bacteriófagos . ^{[ 44 ] [ 45 ]} Se ha informado de un actuador basado en fibras de madera ( fibras de celulosa ). ^{[ 40 ]} Las respuestas D ₃₃ para el polipropileno celular son de alrededor de 200 pC/N. Algunas aplicaciones del polipropileno celular son teclados musicales, micrófonos y sistemas de ecolocalización basados ​​en ultrasonido. ^{[ 39 ]} Recientemente, un solo aminoácido, la β-glicina, mostró una alta respuesta piezoeléctrica de 178 pm V ⁻¹ en comparación con otros materiales biológicos. ^{[ 46 ]}

Los líquidos iónicos fueron identificados recientemente como el primer líquido piezoeléctrico. ^{[ 47 ]}

La piezoelectricidad directa de algunas sustancias, como el cuarzo, puede generar diferencias de potencial de miles de voltios.

• La aplicación más conocida es el encendedor eléctrico : al presionar el botón, un martillo accionado por resorte golpea un cristal piezoeléctrico, generando una corriente eléctrica de alto voltaje que fluye a través de un pequeño espacio , calentando e incendiando así el gas. Los encendedores portátiles que se utilizan para encender las estufas de gas funcionan de la misma manera, y muchos tipos de quemadores de gas ahora incorporan sistemas de encendido piezoeléctricos.
• Una idea similar está siendo investigada por DARPA en Estados Unidos en un proyecto llamado recolección de energía , que incluye un intento de alimentar equipos de campo de batalla mediante generadores piezoeléctricos integrados en las botas de los soldados . Sin embargo, estas fuentes de recolección de energía, por asociación, afectan al cuerpo. El esfuerzo de DARPA por aprovechar 1-2  vatios del impacto continuo del calzado al caminar fue abandonado debido a la impracticabilidad y la incomodidad derivada del gasto energético adicional de la persona que usa los zapatos. Otras ideas de recolección de energía incluyen Crowd Farm , que recolecta la energía de los movimientos humanos en estaciones de tren u otros lugares públicos ^{[ 48 ] [ 49 ]} , y convertir una pista de baile para generar electricidad. ^{[ 50 ]} Las vibraciones de la maquinaria industrial también pueden ser recolectadas por materiales piezoeléctricos para cargar baterías para suministros de respaldo o para alimentar microprocesadores de baja potencia y radios inalámbricas. ^{[ 51 ] [ 52 ]}
• Un transformador piezoeléctrico es un tipo de multiplicador de voltaje de CA. A diferencia de un transformador convencional, que utiliza acoplamiento magnético entre la entrada y la salida, el transformador piezoeléctrico utiliza acoplamiento acústico . Se aplica un voltaje de entrada a través de un segmento corto de una barra de material piezocerámico como PZT , creando una tensión alterna en la barra por el efecto piezoeléctrico inverso y provocando que toda la barra vibre. La frecuencia de vibración se elige como la frecuencia de resonancia del bloque, típicamente en el rango de 100 kilohercios a 1 megahercio. Luego, se genera un voltaje de salida más alto en otra sección de la barra por el efecto piezoeléctrico. Se han demostrado relaciones de elevación de más de 1000:1. Una característica adicional de este transformador es que, al operarlo por encima de su frecuencia de resonancia, puede comportarse como una carga inductiva , lo cual es útil en circuitos que requieren un arranque suave controlado. ^{[ 53 ]} Estos dispositivos pueden usarse en inversores CC-CA para alimentar lámparas fluorescentes de cátodo frío . Los transformadores piezoeléctricos son algunas de las fuentes de alto voltaje más compactas.  

El principio de funcionamiento de un sensor piezoeléctrico se basa en que una dimensión física, transformada en fuerza, actúa sobre dos caras opuestas del elemento sensor. Según el diseño del sensor, se pueden utilizar diferentes modos de aplicación de la carga al elemento piezoeléctrico: longitudinal, transversal y de cizallamiento.

La detección de variaciones de presión en forma de sonido es la aplicación más común de los sensores, por ejemplo, los micrófonos piezoeléctricos (las ondas sonoras deforman el material piezoeléctrico, creando un voltaje variable) y las pastillas piezoeléctricas para guitarras electroacústicas . Un sensor piezoeléctrico fijado al cuerpo de un instrumento se conoce como micrófono de contacto .

Los sensores piezoeléctricos se utilizan especialmente con sonido de alta frecuencia en transductores ultrasónicos para imágenes médicas y también para ensayos no destructivos (END) industriales.

En muchas técnicas de detección, el sensor puede funcionar tanto como sensor como actuador; a menudo se prefiere el término transductor cuando el dispositivo cumple esta doble función, pero la mayoría de los dispositivos piezoeléctricos poseen esta propiedad de reversibilidad, se utilicen o no. Los transductores ultrasónicos, por ejemplo, pueden inyectar ondas ultrasónicas en el cuerpo, recibir la onda reflejada y convertirla en una señal eléctrica (un voltaje). La mayoría de los transductores de ultrasonido médicos son piezoeléctricos.

Además de las mencionadas anteriormente, existen diversas aplicaciones de sensores y transductores, entre las que se incluyen:

• Los elementos piezoeléctricos también se utilizan en la detección y generación de ondas de sonar.
• Los materiales piezoeléctricos se utilizan en la detección de inclinación de un solo eje y de doble eje. ^{[ 55 ]}
• Monitorización de potencia en aplicaciones de alta potencia (por ejemplo, tratamientos médicos, sonoquímica y procesamiento industrial).
• Las microbalanzas piezoeléctricas se utilizan como sensores químicos y biológicos de gran sensibilidad.
• En ocasiones, los materiales piezoeléctricos se utilizan en galgas extensométricas . Sin embargo, lo más común es utilizar un elemento con efecto piezorresistivo .
• En el instrumento penetrómetro de la sonda Huygens se utilizó un transductor piezoeléctrico .
• Los transductores piezoeléctricos se utilizan en las almohadillas electrónicas de batería para detectar el impacto de las baquetas del baterista y para detectar los movimientos musculares en la aceleromiografía médica .
• Los sistemas de gestión del motor de los automóviles utilizan transductores piezoeléctricos para detectar el golpeteo del motor (sensor de detonación, KS) a determinadas frecuencias en hercios. Un transductor piezoeléctrico también se utiliza en los sistemas de inyección de combustible para medir la presión absoluta del colector (sensor MAP) y determinar la carga del motor, y, en última instancia, el tiempo de activación de los inyectores de combustible (en milisegundos).
• Los sensores piezoeléctricos ultrasónicos se utilizan en la detección de emisiones acústicas en las pruebas de emisión acústica .
• Los transductores piezoeléctricos pueden utilizarse en caudalímetros ultrasónicos de tiempo de tránsito .

Como los campos eléctricos muy altos corresponden a cambios mínimos en el ancho del cristal, este ancho se puede cambiar con una precisión mejor que μm , lo que convierte a los cristales piezoeléctricos en la herramienta más importante para posicionar objetos con extrema precisión, de ahí su uso en actuadores . ^{[ 56 ]} Las cerámicas multicapa, que utilizan capas más delgadas que 100 μm , permiten alcanzar campos eléctricos altos con un voltaje inferior a 150 V. Estas cerámicas se utilizan en dos tipos de actuadores: actuadores piezoeléctricos directos y actuadores piezoeléctricos amplificados . Mientras que el recorrido del actuador directo es generalmente inferior a 100 μm , los actuadores piezoeléctricos amplificados pueden alcanzar recorridos de milímetros.

• Altavoces : El voltaje se convierte en movimiento mecánico de un diafragma metálico.
• La limpieza ultrasónica suele utilizar elementos piezoeléctricos para producir ondas sonoras intensas en el líquido.
• Motores piezoeléctricos : Los elementos piezoeléctricos aplican una fuerza direccional a un eje , provocando su rotación. Debido a las distancias extremadamente pequeñas que implica, el motor piezoeléctrico se considera un sustituto de alta precisión para el motor paso a paso .
• Los elementos piezoeléctricos se pueden utilizar en la alineación de espejos láser , donde su capacidad para mover una gran masa (el soporte del espejo) a distancias microscópicas se aprovecha para alinear electrónicamente algunos espejos láser. Al controlar con precisión la distancia entre los espejos, la electrónica del láser puede mantener con exactitud las condiciones ópticas dentro de la cavidad láser para optimizar la salida del haz.
• Una aplicación relacionada es el modulador acustoóptico , un dispositivo que dispersa la luz al interactuar con ondas sonoras generadas por elementos piezoeléctricos en un cristal. Esto resulta útil para ajustar con precisión la frecuencia de un láser.
• Los microscopios de fuerza atómica y los microscopios de efecto túnel emplean piezoelectricidad inversa para mantener la aguja sensora cerca de la muestra. ^{[ 57 ]}
• Impresoras de inyección de tinta : En muchas impresoras de inyección de tinta, se utilizan cristales piezoeléctricos para impulsar la expulsión de la tinta desde el cabezal de impresión hacia el papel.
• Motores diésel : Los motores diésel common rail de alto rendimiento utilizan inyectores de combustible piezoeléctricos , desarrollados inicialmente por Robert Bosch GmbH , en lugar de los dispositivos de válvula solenoide más comunes .
• Control activo de vibraciones mediante actuadores amplificados.
• Obturadores de rayos X.
• Plataformas XY para microescaneo utilizadas en cámaras infrarrojas.
• Mover al paciente con precisión dentro de escáneres de TC y RM activos donde la fuerte radiación o el magnetismo impiden el uso de motores eléctricos. ^{[ 58 ]}
• En radios antiguas o de baja potencia, a veces se utilizan auriculares de cristal .
• El ultrasonido focalizado de alta intensidad para el calentamiento localizado o la creación de una cavitación localizada puede lograrse, por ejemplo, en el cuerpo del paciente o en un proceso químico industrial.
• Pantalla braille actualizable . Un pequeño cristal se expande al aplicarle una corriente eléctrica que mueve una palanca para elevar las celdas braille individuales.
• Actuador piezoeléctrico. Un solo cristal o varios cristales se expanden al aplicarles un voltaje para mover y controlar un mecanismo o sistema. ^{[ 56 ]}
• Los actuadores piezoeléctricos se utilizan para el posicionamiento servo de precisión en unidades de disco duro. ^{[ 59 ] [ 60 ]}

Las propiedades piezoeléctricas del cuarzo son útiles como patrón de frecuencia .

• Los relojes de cuarzo emplean un oscilador de cristal que utiliza una combinación de piezoelectricidad directa e inversa para generar una serie regular de pulsos eléctricos que marcan el tiempo. El cristal de cuarzo (como cualquier material elástico ) tiene una frecuencia natural definida con precisión (determinada por su forma y tamaño) a la que oscila preferentemente , y esta frecuencia se utiliza para estabilizar la frecuencia de un voltaje periódico aplicado al cristal.
• El mismo principio se utiliza en algunos transmisores y receptores de radio , y en ordenadores , donde genera un pulso de reloj . Ambos suelen emplear un multiplicador de frecuencia para alcanzar rangos de gigahercios.

Los tipos de motores piezoeléctricos incluyen:

• El motor ultrasónico utilizado para el autoenfoque en las cámaras réflex
• Motores de oruga para movimiento lineal
• Motores rectangulares de cuatro cuadrantes con alta densidad de potencia (2,5 W /cm³ ⁾ y velocidad que oscila entre 10 nm/s y 800 mm/s.   
• Motor piezoeléctrico paso a paso, que utiliza el efecto de deslizamiento intermitente .

A excepción del motor paso a paso de deslizamiento intermitente, todos estos motores funcionan según el mismo principio. Impulsados ​​por modos de vibración ortogonales duales con una diferencia de fase de 90°, el punto de contacto entre dos superficies vibra en una trayectoria elíptica , generando una fuerza de fricción entre ellas. Generalmente, una superficie permanece fija, lo que provoca el movimiento de la otra. En la mayoría de los motores piezoeléctricos, el cristal piezoeléctrico se excita mediante una señal sinusoidal a la frecuencia de resonancia del motor. Gracias al efecto de resonancia, se puede utilizar un voltaje mucho menor para producir una amplitud de vibración elevada.

Un motor de deslizamiento intermitente funciona mediante la inercia de una masa y la fricción de una abrazadera. Estos motores pueden ser muy pequeños. Algunos se utilizan para el desplazamiento del sensor de la cámara, lo que permite una función antivibración.

Diversos equipos de investigadores han estado estudiando formas de reducir las vibraciones en los materiales mediante la incorporación de elementos piezoeléctricos. Cuando el material se dobla debido a una vibración en una dirección, el sistema de reducción de vibraciones responde a la flexión y envía energía eléctrica al elemento piezoeléctrico para que se doble en la dirección opuesta. También se han estudiado aplicaciones en estructuras flexibles, como láminas y placas, durante casi tres décadas. ^{[ 61 ]}

La piezocirugía ^{[ 62 ]} es una técnica mínimamente invasiva que busca cortar un tejido objetivo con poco daño a los tejidos vecinos. Por ejemplo, Hoigne et al. ^{[ 63 ]} utiliza frecuencias en el rango de 25 a 29  kHz, lo que provoca microvibraciones de 60 a 210  μm. Tiene la capacidad de cortar tejido mineralizado sin cortar tejido neurovascular ni otros tejidos blandos, manteniendo así un área de trabajo libre de sangre, mejor visibilidad y mayor precisión. ^{[ 64 ]}

En 2019, Pernas-Salomón y Shmuel desarrollaron un método de homogeneización dinámica mediante el cual fueron los primeros en demostrar que los compuestos piezoeléctricos exhiben un acoplamiento efectivo entre el momento lineal y el campo eléctrico, al que denominaron acoplamiento electromomento. ^{[ 65 ]} Debido a que los materiales piezoeléctricos homogéneos no exhiben este acoplamiento, dichos compuestos pertenecen a la clase de metamateriales : medios artificiales diseñados para mostrar propiedades efectivas extraordinarias, en magnitud o en tipo. ^{[ 66 ]} El acoplamiento electromomento es análogo al acoplamiento de Willis en compuestos elásticos, que acopla el momento lineal a la deformación y fue descubierto por JR Willis. ^{[ 67 ] [ 68 ] [ 69 ]} La parte local de estos acoplamientos, como el acoplamiento piezoeléctrico, surge de simetrías rotas. ^{[ 70 ] [ 71 ]} Los metamateriales piezoeléctricos con acoplamiento electro-momento ofrecen un mecanismo para la manipulación de ondas similar al acoplamiento de Willis: imparten un desplazamiento de fase dependiente de la dirección que permite la conformación del frente de onda, con la ventaja añadida de la sintonización eléctrica. ^{[ 70 ]}