O que é um atuador piezoelétrico?

O atuador piezoelétrico é uma forma de sistema eletromecânico de microcontrole. Ele se baseia no efeito piezoelétrico de alguns cristais, de modo que, quando um campo elétrico é aplicado ao cristal, ele cria tensão mecânica em sua estrutura estrutural que pode ser traduzida em movimento em escala de micrômetro ou nanômetro. Os tipos de atuadores podem variar de sistemas industriais pesados ​​alimentados por força pneumática ou hidráulica até pequenos atuadores piezoelétricos, que possuem uma amplitude de movimento muito limitada, mas controlada com precisão. Um atuador piezoelétrico típico gera movimento longitudinal quando força elétrica é aplicada à unidade de um eixo ou outra ligação mecânica com uma faixa de deslocamento de cerca de 4 a 17 mícrons (0,0002 a 0,0007 polegadas). Esse tipo de sistema de atuador é frequentemente incorporado a um extensômetro, também conhecido como extensômetro, usado para medir níveis muito finos de contração e expansão em materiais e superfícies.

Existem três tipos gerais de projetos ou esquemas de movimento de atuadores piezoelétricos que determinam a gama exclusiva de peças de atuadores piezoelétricos que compõem o movimento mecânico do dispositivo. Estes são atuadores cilíndricos, bimorfos e unimorfos ou multicamadas, e cada um também possui uma designação de modo que depende do tipo de coeficiente piezoelétrico para tensão mecânica induzida. Um atuador de 33 modos multicamadas é projetado para gerar movimento ao longo do caminho do campo elétrico aplicado, enquanto um atuador cilíndrico de 31 modos exibe movimento perpendicular à força elétrica. Um atuador de modo 15 utiliza tensão de cisalhamento no cristal para a força diagonal, mas eles não são tão comuns quanto outros tipos de atuador piezoelétrico, pois a tensão de cisalhamento é uma reação de cristal mais complexa, difícil de controlar e para a qual fabricar sistemas.

O objetivo para o qual um atuador piezoelétrico é usado geralmente é baseado no fato de que pode ter uma resposta mecânica à força elétrica em um período de fração de segundo, além de não gerar interferência eletromagnética significativa em sua operação. Isso inclui o uso comum dos componentes em lasers ajustáveis ​​e vários sensores ópticos adaptáveis, bem como o controle de nível micro de válvulas onde a taxa de fluxo de combustível é crítica para a quantidade de impulso gerado, como em sistemas de injeção de combustível e controles aviônicos. O atuador piezoelétrico também tem muitos usos no campo da medicina, onde é incorporado em microbombas para procedimentos como diálise e dispensadores automáticos de medicamentos ou dispensadores de gotículas. As arenas de pesquisa também dependem do atuador piezoelétrico, como onde é um componente essencial do microscópio de força atômica (AFM) no campo da nanotecnologia.

Outros campos avançados de pesquisa que utilizam o atuador piezoelétrico incluem usinagem de precisão, controles de astronomia para telescópios, pesquisa em biotecnologia, além de engenharia de semicondutores e fabricação de circuitos integrados. Alguns desses campos requerem um atuador piezoelétrico que pode controlar as faixas de movimento até o nível de 2 mícrons (0,0001 polegadas) em um período de tempo inferior a 0,001 segundos. O atuador piezoelétrico também é um dispositivo ideal para tais aplicações, pois possui várias características únicas, incluindo consumo de energia muito baixo, não gera campos magnéticos e pode operar em temperaturas criogênicas. Provavelmente, a maior característica útil do dispositivo, no entanto, é que ele é um dispositivo de estado sólido que não requer engrenagens ou rolamentos, para que possa ser operado repetidamente até bilhões de vezes sem mostrar evidências de degradação do desempenho.