¿Qué es un actuador piezoeléctrico?

El actuador piezoeléctrico es una forma de sistema electromecánico de microcontrol. Se basa en el efecto piezoeléctrico con algunos cristales de modo que, cuando se aplica un campo eléctrico al cristal, crea tensión mecánica en su red estructural que puede traducirse en movimiento a escala micrométrica o nanométrica. Los tipos de actuadores pueden variar desde sistemas industriales pesados ​​que funcionan con fuerza neumática o hidráulica hasta pequeños actuadores piezoeléctricos, que tienen un rango de movimiento muy limitado pero controlado con precisión. Un actuador piezoeléctrico típico generará movimiento longitudinal cuando se aplique fuerza eléctrica a la unidad de un eje u otro enlace mecánico con un rango de desplazamiento de alrededor de 4 a 17 micras (0,0002 a 0,0007 pulgadas). Este tipo de sistema de actuador a menudo se incorpora en un medidor de deformación también conocido como extensómetro, que se utiliza para medir niveles muy finos de contracción y expansión en materiales y superficies.

Existen tres tipos generales de diseños de actuadores piezoeléctricos o esquemas de movimiento que determinan la gama única de piezas de actuadores piezoeléctricos que conforman el movimiento mecánico del dispositivo. Estos son actuadores cilíndricos, bimorfos y unimórficos o multicapa, y cada uno también tiene una designación de modo que depende del tipo de coeficiente piezoeléctrico para el esfuerzo mecánico que se induce. Un actuador multicapa de 33 modos está diseñado para generar movimiento a lo largo de la trayectoria del campo eléctrico aplicado, mientras que un actuador cilíndrico de 31 modos exhibe movimiento perpendicular a la fuerza eléctrica. Un actuador de 15 modos utiliza tensión de corte en el cristal para la fuerza diagonal, pero no son tan comunes como otros tipos de actuadores piezoeléctricos, ya que la tensión de corte es una reacción cristalina más compleja que es difícil de controlar y para la cual fabricar sistemas.

El propósito para el cual se usa un actuador piezoeléctrico generalmente se basa en el hecho de que puede tener una respuesta mecánica a la fuerza eléctrica en un marco de tiempo de fracción de segundo, así como no generar interferencia electromagnética significativa en su funcionamiento. Esto incluye el uso común de los componentes en los láseres sintonizables y varios sensores ópticos adaptativos, así como el control a nivel micro de las válvulas donde el caudal de combustible es crítico para la cantidad de empuje generado, como en los sistemas de inyección de combustible y los controles de aviónica. El actuador piezoeléctrico también tiene muchos usos en el campo de la medicina, donde está integrado en microbombas para procedimientos como diálisis y dispensadores automáticos de medicamentos o dispensadores de gotas. Los ámbitos de investigación también dependen del actuador piezoeléctrico, como donde es un componente esencial del microscopio de fuerza atómica (AFM) en el campo de la nanotecnología.

Otros campos de investigación avanzados que utilizan el actuador piezoeléctrico incluyen el mecanizado de precisión, los controles de astronomía para telescopios, la investigación biotecnológica, así como la ingeniería de semiconductores y la fabricación de circuitos integrados. Algunos de estos campos requieren un actuador piezoeléctrico que pueda controlar los rangos de movimiento hasta el nivel de 2 micras (0,0001 pulgadas) en un período de tiempo de menos de 0,001 segundos. El actuador piezoeléctrico es un dispositivo óptimo para tales aplicaciones también porque tiene varias características únicas, incluido un consumo de energía muy bajo, no genera campos magnéticos y puede funcionar a temperaturas criogénicas. Sin embargo, probablemente la mayor característica útil del dispositivo es que es un dispositivo de estado sólido que no requiere engranajes ni cojinetes, por lo que puede funcionar repetidamente hasta miles de millones de veces sin mostrar evidencia de degradación del rendimiento.