No entanto, apesar da falta de sucesso comercial, os sensores piezoelétricos impressos oferecem algumas vantagens claras em relação aos seus equivalentes piezoresistivos. À medida que as técnicas de fabrico e a análise algorítmica de dados para extrair informações de medições de alta frequência melhoram, será que os sensores piezoelétricos estão finalmente perto da adoção comercial?
Características distintivas
Por serem impressos e flexíveis, os sensores piezoelétricos e piezoresistivos oferecem diversas vantagens em relação aos sensores de pressão inorgânicos. São leves e têm um custo de produção em larga escala acessível, facilitando a deteção de pressão com resolução espacial. Além disso, o seu formato de película fina permite a instalação em locais onde os sensores baseados em materiais rígidos teriam dificuldades.
No entanto, existem algumas diferenças importantes entre os tipos de sensores. Os sensores piezoresistivos são relativamente simples de fabricar: uma camada de "resistência sensível à força (FSR)" composta por partículas condutoras incorporadas numa matriz elastomérica fornece um caminho condutor dependente da pressão entre dois elétrodos empilhados verticalmente ou interdigitados. Estes sensores utilizam materiais de baixo custo, técnicas de fabrico simples e são relativamente fáceis de calibrar.
Em contraste, os sensores piezoelétricos impressos dependem de polímeros piezoelétricos, como o PVDF:TRFE, que solidificam em domínios cristalinos com dipolos. A aplicação de um campo elétrico alinha os dipolos destes domínios, produzindo um material piezoelétrico. Esta etapa adicional de fabrico, juntamente com um processo de calibração mais complexo, faz com que os sensores piezoresistivos continuem a ser a escolha dominante para os sensores de pressão impressos até à data.
No entanto, apesar destas desvantagens, os sensores piezoelétricos impressos apresentam algumas vantagens claras. Entre elas, está a capacidade de detetar vibrações de alta frequência, pois requerem muito menos deformação do que os materiais piezoresistivos, uma vez que não é necessário comprimir os elastómeros. Além disso, como os sensores piezoelétricos geram uma pequena voltagem em resposta à compressão, consomem muito pouca energia. De facto, se as medições e a subsequente comunicação sem fios forem relativamente pouco frequentes, os sensores piezoelétricos podem gerar energia suficiente para se alimentarem.
Aplicações promissoras
Embora os sensores piezoelétricos impressos tenham tido dificuldades até agora em penetrar no mercado, estão lentamente a ganhar terreno em aplicações que exigem a sua principal característica distintiva: a capacidade de detetar vibrações de alta frequência.
Uma das suas aplicações é a monitorização de condição, com o objetivo de possibilitar a manutenção preventiva. A instalação de sensores piezoelétricos de película fina em equipamentos industriais permite a deteção de vibrações, com alterações na amplitude e frequência que podem indicar a presença de peças desgastadas. Uma abordagem semelhante também pode ser aplicada a grandes estruturas, como pontes, túneis, etc., para fornecer alertas precoces de danos e potenciais colapsos.
Outra aplicação particularmente inovadora, desenvolvida pelo CEA-LITEN em França, utiliza dispositivos piezoelétricos impressos para a monitorização de baterias. Um atuador piezoelétrico impresso em película fina produz ondas ultrassónicas de alta frequência que se propagam através da bateria. Estas ondas são depois detetadas por um sensor piezoelétrico com uma arquitetura muito semelhante. O seguimento do tempo de trânsito das ondas e a sua dependência da frequência permite a monitorização em tempo real da densidade acústica e, portanto, do estado da bateria.
Um último exemplo é a utilização de sensores piezoelétricos para monitorização da pressão dos pneus, desenvolvida pela Joanneum Research na Áustria através da sua marca Pizoflex. Neste caso, a principal característica não é a capacidade de detetar vibrações de alta frequência, mas sim a capacidade de recolher energia. Um sensor de película fina é colocado no interior do pneu, e o seu peso mínimo impede que a roda fique desequilibrada. Recolhe energia suficiente para transmitir a leitura da pressão sem fios a cada 30 segundos, eliminando a necessidade de cablagem complexa num componente rotativo.
