Especialistas de la Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología de Moscú (MISIS) desarrollaron un nuevo tipo de sensores de vibración para los dispositivos de diagnóstico del estado de edificios, puentes y naves espaciales.
Los resultados, publicados en la revista Sensors, explican que la singularidad de los sensores consiste en el empleo del cristal de niobato de litio que no contiene plomo (a diferencia de la cerámica piezoeléctrica usada ahora por los fabricantes de sensores similares).
Según informó el investigador del departamento de Ciencia de Materiales Semiconductores y Dieléctricos de la MISIS, Iliá Kubásov, esto permitiría a los fabricantes trabajar para el mercado europeo, implementar la directiva RoHS impuesta en la Unión Europea y que prevé un paulatino abandono del uso de plomo.
«Los sensores de vibración pueden emplearse en los dispositivos de diagnóstico del estado de edificios y puentes, ya que permiten detectar a tiempo cualesquiera vibraciones peligrosas para tomar medidas y evacuar a las personas”, explicó el especialista.
“También podrán usarse en las naves espaciales y sistemas de vigilancia, en los que permiten mejorar el control en las zonas de acceso restringido o en la frontera estatal», detalló Kubásov a Sputnik.
El principio de funcionamiento de los sensores está basado en un efecto piezoeléctrico: el elemento piezoeléctrico sometido a vibración se deforma y envía una señal eléctrica que tratan y analizan unos equipos especiales.
Hasta ahora los fabricantes de sensores se enfrentaban a una serie de problemas por el uso del piezoelemento a base de titanato zircanato de plomo (PZT), que pierde sensibilidad cuando cambia la temperatura.
En adelante, estos problemas se podrán solucionar, según los investigadores, ya que el niobato de litio (LiNbO3), material monocristalino, no contiene granos pequeños como la PZT-cerámica, mientras sus propiedades son estables en un muy amplio rango de temperaturas.
El niobato de litio es conocido desde mediados del siglo XX y se emplea ampliamente en la óptica del láser, pero poco intentaron usarlo en los sensores de vibración por sus propiedades piezoeléctricas bastante débiles (unas 10 veces peores que PZT).
Los especialistas de la MISIS consiguieron elevar la sensibilidad del niobato de litio a las vibraciones externas gracias al desarrollo de la llamada “estructura bidominio”.
«Mediante los tratamientos térmicos especiales modificamos las propiedades del cristal de tal manera que su mitad exterior sea una reflexión especular de la mitad inferior. La vibración externa hace que las señales de estos dominios (se llaman los dominios ferroeléctricos) se suman y la sensibilidad del sensor aumenta notablemente», explicó Kubásov.
El proceso de obtener los cristales bidominio fue desarrollado en el departamento de Ciencia de Materiales de Semiconductores y Dieléctricos de la MISIS y está protegido por la patente. Según los científicos, el coste de fabricación del material no es mucho mayor que de la PZT-cerámica.
El desarrollo del nuevo tipo de sensores sobre la base de los transformadores piezoeléctricos monocristalinos permitirá reducir la aceleración mínima detectada por los dispositivos similares hasta 10?? g (una diezmillonésima de aceleración en caída libre) y ampliará notablemente el rango de temperaturas operacional.