Tese-giuliano Pierri Estevam
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7/26/2019 Tese-giuliano Pierri Estevam
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Universidade Estadual Paulista
Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira
Departamento de Engenharia Eltrica
Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica
TESE DE DOUTORADO
PREPARO, CARACTERIZAO E APLICAO DO
COMPSITO PTCa (TITANATO DE CHUMBO
MODIFICADO COM CLCIO)/PEEK (POLITER TER
CETONA) COMO SENSOR DE RADIAO
GIULIANO PIERRE ESTEVAM
Ilha Solteira, Dezembro de 2008.
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GIULIANO PIERRE ESTEVAM
PREPARO, CARACTERIZAO E APLICAO DO
COMPSITO PTCa (TITANATO DE CHUMBO
MODIFICADO COM CLCIO)/PEEK (POLITER TER
CETONA) COMO SENSOR DE RADIAO
Tese de Doutorado submetida ao
Programa de Ps-Graduao em
Engenharia Eltrica da Faculdade de
Engenharia de Ilha Solteira UNESP,
como parte dos requisitos para a
obteno do ttulo de Doutor em
Engenharia Eltrica.
ORIENTADOR: Prof. Dr. Walter Katsumi Sakamoto
Ilha Solteira, Dezembro de 2008.
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FICHA CATALOGRFICA
Elaborada pela Seo Tcnica de Aquisio e Tratamento da Informao
Servio Tcnico de Biblioteca e Documentao da UNESP - Ilha Solteira.
Estevam, Giuliano Pierre.
E79p Preparo, caracterizao e aplicao do compsito PTCa (Titanato de chumbo
modificado com clcio)/PEEK (Politer ter cetona) como sensor de radiao /Giuliano Pierre Estevam. -- Ilha Solteira : [s.n.], 2008.
146 f. : il.
Tese (doutorado) - Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Engenharia
de Ilha Solteira, 2008
Orientador: Walter Katsumi Sakamoto
Bibliografia: p. 132-144
l. Compsitos polimricos. 2. Cristais ferroeltricos. 3. Transdutores.
4. Detectores.
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Dedicatria
Celia, Henry e Giulia
vocs que, do sentido as minhas conquistas e iluminam a minha vida.
Tornam-me pai, amigo e marido. Compartilham meus
sonhos, minhas alegrias e preocupaes.
Obrigado!
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Se eu vi mais longe, foi por estar de
p sobre ombros de gigantes.
Isaac Newton
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AGRADECIMENTOS
Ao Professor Walter Katsumi Sakamoto, um agradecimentoespecial. Pela sua competncia e disposio, estando sempre presente em todos osmomentos, no medindo esforos para que esse trabalho se concretizasse. Agradeoaos seus ensinamentos de valorizao do trabalho atravs daqueles que o avaliam.Agradeo, tambm, as suas frases, que levo sempre comigo: Quem l sabe!e Quem
guarda tem!. Muito obrigado Professor.
Aos meus pais, Estevam e Izadir, que ensinaram-me o valor deconscincia e dignidade. Sempre estiveram presentes nos momentos de maiordificuldade. Obrigado pai e me.
Aos meus sogros, Seu Joo e Dona Regina, pelo valoroso auxilio nos
momentos difceis que decorreram esse trabalho.Ao Professor Jos Antonio Malmonge, o Mal, pela valorosa
colaborao, troca de idias, sugestes e pelas conversas descontradas. Conhecemos-nos durante a realizao desse trabalho e nos tornamos amigos.
A Professora Darcy Kanda, pela relevante colaborao e amizade.
Ao Professor Aparecido Augusto Carvalho pelo valoroso auxilio,amizade e exemplo de conduta. Sempre solcito, sua participao foi de fundamentalimportncia para a realizao deste trabalho.
Ao Professor Washington Luiz de Barros Melo, por ter viabilizado eauxiliado nas medidas fotopiroeltricas realizadas em seu laboratrio na Embrapa emSo Carlos. Sua participao foi de grande relevncia para a realizao desse trabalho.
Ao meu amigo Rossano Gimenes, sua esposa Milady e sua filha ris.Alm de abrir as portas de seu lar nos recebendo com carinho e amizade, possibilitou autilizao dos equipamentos no Laboratrio de Cermicas da Universidade Federal deSo Carlos.
Ao Professor Mauro Henrique de Paula, por viabilizar a utilizao do
aparelho do raios-X do Hospital Universitrio da Universidade Federal do Mato Grossodo Sul em Campo Grande.
Ao Professor Ednilton Cavalcante, pela colaborao e seu bomhumor.
Ao meu amigo Wesley, Pela valorosa colaborao e inestimvelamizade. Espero poder fazer o mesmo por voc.
Ao Professor Luiz Francisco Malmonge, pelas sugestes naelaborao do texto.
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Ao Professor Marcelo Ornaghi Orlandi, pelo auxilio na interpretaodas medidas com raios X, pelas sugestes na elaborao do texto e pela amizade.
Ao professor Cludio Kitano, pelo auxlio nas medidasfotopiroeltricas.
Aos meus amigos Willian, Simone e Patrini.
Ao meu amigo Marco Antonio Fernandes Rodrigues, pelo valorosoauxilio na interpretao das medidas de raios-X.
Aos meus amigos Alberto e Wellington, pelo valoroso auxilio naconfeco das amostras, polarizao dos compsitos e pela amizade.
Ao ProfessorOsmar Spegiorin, diretor do colgio Lmen pelo apoioe compreenso, quando tive que me ausentar das aulas.
Ao Professor Nelson, coordenador dos cursos de Engenharia deTelecomunicaes e Mecatrnica do Unisalesiano, pelo apoio.
Aos tcnicos dos laboratrios Gilberto, Everaldo, Chaves, Elias eMario, pela relevncia e pronto atendimento nas necessidades urgentes.
Ao Grupo de Polmeros do Departamento de Fsica e Qumica daUnesp-Ilha Solteria.
Ao Departamento de Engenharia Eltrica da Unesp-Ilha Solteria, quepossibilitou a realizao deste trabalho.
Ao finalizar esse trabalho sinto-me devedor de muitos, os quais
sempre estiveram prontos a estender suas mos para me apoiar. Nestes momentos
sempre se corre o risco de esquecer nomes e, muitas vezes os mais importantes.
Entretanto, acredito, todos os meus credores sabem o quanto lhes sou grato.
Deus!
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RESUMO
Apresenta-se nesse trabalho a preparao, caracterizao e aplicao
de um compsito na forma de filme com trs concentraes diferentes de cermica,
objetivando observar seu comportamento quando submetido a radiao ionizante (raios
X) e no ionizante (infravermelho). Os compsitos so constitudos da cermica titanatode chumbo modificado com clcio (PTCa) imersa em uma matriz polimrica constituda
de politer ter cetona (PEEK). Os filmes foram obtidos por prensagem a quente. O
compsito foi caracterizado com a medida do coeficiente piezoeltrico (d33), variando a
concentrao de cermica, a temperatura de polarizao, a intensidade de campo
aplicado e o tempo de polarizao. Posteriormente, foi medido o coeficiente
piroeltrico, perda dieltrica e permissividade dieltrica, para as trs concentraes de
cermica proposta. Para a amostra com 60% de cermica foi determinado a figura de
mrito piroeltrica (FOM) e finalmente, nessa fase de caracterizao, foi determinado o
campo coercivo e a polarizao remanescente atravs da curva de histerese ferroeltrica.
Os resultados obtidos revelaram que a atividade piezo e piroeltrica do compsito so
compatveis com outros compsitos existentes e cermicas. Aps a caracterizao, o
compsito foi submetido radiao infravermelha prximo e radiao X na faixa de
ortovoltagem. Os resultados encontrados revelaram que o compsito responde na faixa
de radiao ionizante e no ionizante revelando uma opo interessante como sensor.
Palavras Chaves: Compsitos, ferroeltricos, transdutores e piroeltricos.
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ABSTRACT
The present work is regarding to preparation and characterization of a ceramic/polymer
composite film with three different ceramic loadings. The target was to observe the
composite behavior when ionizing (X-ray) and non-ionizing (infrared) radiations wasapplied on it. The composites were made of calcium modified lead titanate (PTCa)
ferroelectric ceramic immersed in poly(ether-ether-ketone) (PEEK) polymer matrix by
hot pressing the powders mixture. Characterization was made using the longitudinal
piezoelectric coefficient (d33) measurement as a function of ceramic content, poling
temperature, poling electric field and poling time. Pyroelectric coefficient, dielectric
permittivity and dielectric loss, coercive field and remanent polarization were also
measured. The pyroelectric figure of merit (FOM) for sample with 60 vol% of ceramic
was determined. The values of piezo and pyroelectric coefficient obtained for this
composite indicates that it is comparable with other composites reported in literature.
The application of the composite as thermal transducer for near infrared and X-ray
radiation showed a real possibility to use PTCa/PEEK composite film as radiation
detector in a wide range of energy.
Key words: composite, ferroelectric, sensors, thermal transducer, pyroelectric.
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SUMRIO
1.INTRODUO..............................................................................................................................11
2. REVISO BIBLIOGRFICA....................................................................................................... 15
3. ASPECTOS TERICOS ............................................................................................................... 22
3.1.FERROELETRICIDADE......................................................................................................................22
3.2.PIEZOELETRICIDADE .......................................................................................................................28
3.3.PIROELETRICIDADE.........................................................................................................................36
3.4COMPSITOS FERROELTRICOS ........................................................................................................38
3.5.CONECTIVIDADE ............................................................................................................................41
3.5.1. Conectividade 0-3....................................................................................................................... 41
3.5.2. Conectividade 1-3....................................................................................................................... 41
3.6.DETECO PIROELTRICA...............................................................................................................42
3.6.1. Detector piroeltrico ideal.......................................................................................................... 45
3.6.2. Detector piroeltrico no ideal ................................................................................................... 54
3.7.RADIAO INFRAVERMELHO E RADIAO X ................................................................................... 56
3.7.1. Radiao infravermelho.............................................................................................................. 57
3.7.2. Radiao X................................................................................................................................. 60
3.8.FOTOTRMICA ................................................................................................................................68
3.8.1. Teoria de Rosencwaig-Gersho .................................................................................................... 714. MATERIAL E MTODOS............................................................................................................ 79
4.1.PTCA E PEEK................................................................................................................................80
4.1.1. PTCa (Titanato de chumbo modificado com clcio).....................................................................80
4.1.2. PEEK (politer-ter cetona)........................................................................................................ 82
4.2.PREPARAO DO COMPSITO ..........................................................................................................83
4.3.POLARIZAO ................................................................................................................................87
4.3.1. Polarizao CC .......................................................................................................................... 88
4.3.2. Polarizao CA .......................................................................................................................... 904.4.COEFICIENTE PIEZOELTRICO LONGITUDINAL (D33) .......................................................................... 91
4.5.COEFICIENTE PIROELTRICO P(T) .................................................................................................... 93
4.6.PERMISSIVIDADE DIELTRICA ()E PERDA DIELTRICA ()............................................................94
5. RESULTADOS E DISCUSSO..................................................................................................... 97
5.1.HISTERESE FERROELTRICA ............................................................................................................97
5.2.COEFICIENTE PIEZOELTRICO LONGITUDIANAL (D33)......................................................................102
5.3.COEFICIENTE PIROELTRICO ......................................................................................................... 104
5.4.PERMISSIVIDADE DIELTRICA ()E PERDA DIELTRICA ()..........................................................1075.5.APLICAES DO COMPSITO PTCA/PEEK..................................................................................... 109
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5.5.1. Aplicao como sensor de incndio........................................................................................... 110
5.5.2. Aplicao como sensor fotopiroeltrico.....................................................................................111
5.5.3. Aplicao como sensor de radiao X na faixa de ortovoltagem................................................ 118
6. CONCLUSES ............................................................................................................................ 128
7. TRABALHOS FUTUROS............................................................................................................ 131
8. REFERNCIAS ........................................................................................................................... 132
9. PUBLICAES........................................................................................................................... 145
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Captulo I
Em cincia, no to importante descobrirnovas coisas, mas sim descobrir novas maneirasde pensar sobre as coisas antigas.
William Henry Bragg
1. In troduo
De acordo com Wada, a piezoeletricidade em polmeros sintticos e
biolgicos conhecida h muito tempo (WADA, 1982). A atividade piezoeltrica
desses polmeros baixa, limitando seus estudos ao interesse acadmico. Em 1969,Kawai demonstrou a existncia de significativa atividade piezo e piroeltrica em
polmeros sintticos, quando submetidos a campos eltricos de alta intensidade
(KAWAI,1969).
Devido a sua flexibilidade e maleabilidade os polmeros abriram uma
grande possibilidade de aplicaes at ento limitadas s cermicas piezoeltricas
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convencionais. A partir da, vrios trabalhos foram desenvolvidos, principalmente
objetivando o uso do material como sensor (DAS GUPTA, 1999, DIAS,1994).
Se a flexibilidade e a resistncia a choques mecnicos fazem dos
polmeros piezoeltricos um material mais apropriado que as cermicas, apesar da
menor atividade piezo e piroeltrica, sua alta perda dieltrica e a baixa figura de mrito
comprometem sua performance nas vrias aplicaes como sensores. Buscando
solucionar esse problema iniciaram-se os estudos em compsitos polmero/cermicos,
os quais procuram combinar as melhores qualidades dos dois materiais.
Apesar dos compsitos piezo e piroeltricos serem estudados j h
algum tempo, a grande possibilidade de aplicaes e o crescente interesse tecnolgico
para o desenvolvimento de sensores e atuadores, mantm o campo de pesquisa aberto
procura de novos materiais, com melhores qualidades.
Com o desenvolvimento da indstria eletrnica o campo de aplicao
dos compsitos piezo e piroeltricos tornou-se amplo. Circuitos amplificadores tm
permitido a utilizao de compsitos, com relativa baixa atividade piezo e piroeltrica,
como sensores. A indstria automotiva tem usado sensores piezoeltricos para
determinar a acelerao e para medir a fora de amortecimento em suspenses semi-
ativas. Na medicina, compsitos piezoeltricos so utilizados como transdutores
ultrasnicos. A gama de aplicaes dos materiais piezoeltricos vai de microfones e
hidrofones at sistemas de comunicao telefnica, enquanto os piroeltricos so
utilizados como detectores de radiao infravermelha, em mquinas copiadoras e alarme
contra incndio.
Nesse trabalho apresenta-se uma nova opo de compsito piezo e
piroeltrico preparado, caracterizado e aplicado como sensor de radiao. O compsito
resultado da disperso da cermica ferroeltrica titanato de chumbo modificado com
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clcio (PTCa), na forma de p, no polmero politer ter cetona (PEEK). O compsito
foi obtido, por prensagem a quente, na forma de filme com conectividade 0-3.
O compsito foi caracterizado atravs das medidas de constante
dieltrica e perda dieltrica, coeficiente piezoeltrico longitudinal (d33), histerese
ferroeltrica, coeficiente piroeltrico e figura de mrito piroeltrica. Os parmetros
envolvidos foram: campo de polarizao, temperatura de polarizao, tempo de
polarizao e contedo de cermica. Aps a caracterizao, o compsito foi utilizado
como sensor de radiao ionizante (raios X) e no ionizante (infravermelho prximo) e
utilizado como sensor em um dispositivo detector de incndio.
A seguir, descreve-se sinteticamente o contedo de cada captulo.
No captulo 2 apresentado uma reviso bibliogrfica; destacando as
propriedades dos materiais utilizados na fabricao do compsito e apresentando outros
compsitos utilizados como sensor piroeltrico.
No captulo 3 apresentado um tratamento resumido dos conceitos
tericos de ferroeletricidade, piezoeletricidade, piroeletricidade e conectividade 0-3,
bem como, um estudo sobre deteco piroeltrica e radiao infravermelho e radiao
X.
As caractersticas individuais de cada material utilizado na
composio do sensor proposto nesse trabalho, os procedimentos experimentais
relacionando o preparo da amostra, as tcnicas utilizadas e a caracterizao do
compsito so apresentados no captulo 4.
No captulo 5 so apresentados e discutidos os resultados obtidos nas
diversas medidas de caracterizao do compsito e os resultados obtidos nas aplicaes
do compsito como sensor de radiao.
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As concluses gerais desse trabalho so apresentadas no captulo 6.
No captulo 7 toma-se a liberdade de sugerir alguns trabalhos que podem dar
continuidade ao desenvolvimento e melhoria deste novo compsito, ampliando suas
aplicaes.
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Captulo I I
H poucos fatos em Cincia mais interessantesdo que aqueles que estabelecem a ligao entrecalor e eletricidade.
James Prescott Joule
2. Rev iso B ib liogrfi ca
O primeiro contato do homem com um material piroeltrico
provavelmente foi na Grcia antiga, pelo filsofo Theophastus no ano 300 a.c. Ele
descreveu sobre uma pedra, que provavelmente era turmalina, que atraa pequenospedaos de palha e madeira (LANG, 2005).
No sculo 18, a piroeletricidade foi usada extensivamente em
pesquisas experimentais relacionadas a eletricidade esttica. Isso contribuiu
significativamente para descoberta da piezoeletricidade pelos irmos Curie em 1880.
(LANG, 1965)
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Em 1921, Valasek pesquisou sobre as propriedades piro e
piezoeltricas do Sal de Rochelle, resultando na descoberta da ferroeletricidade.
Contudo somente em 1938 You Ta, sugeriu a aplicao do material piroeltrico, na
ocasio a turmalina, como sensor de radiao infravermelho.
Cooper, em 1962, apresentou detalhadamente o comportamento de
detectores de infravermelho utilizando Titanato de Brio (BaTiO3). A partir da os
detectores piroeltricos foram amplamente utilizados em industrias militares e
aplicaes mdicas .
A partir de 1967 outros materiais ganharam destaque na aplicao
como sensor piroeltrico: TGS (sulfato de triglicina), LiTaO3 (tantalato de ltio), SBN
(niobato de brio estrncio) e a cermica PZT (titanato zirconato de chumbo) que foi
utilizada pela primeira vez por Beerman. (BEERMAN, 1969).O PZT tem sido um dos
materiais ferroeltricos mais estudados nos ltimos anos, na forma de materiais
cermicos, filmes finos e em compsitos com polmeros diversos. A soluo slida do
PZT conhecida pelas excelentes propriedades piezoeltricas, dieltricas e piroeltricas,
destacando dessa forma sua utilizao como sensor piroeltrico (ARAJO, 1999).
Em 1971, Glass e seus colaboradores, descobriram atividade
piroeltrica e as propriedades pticas no polmero PVDF (polifluoreto de vinilideno) e o
utilizaram como sensor de radiao infravermelho .O PVDF se tornou uma material de
particular interesse cientfico e tecnolgico. Ele combina as caractersticas de um
plstico com as de um elemento piezoeltrico e piroeltrico e apresenta uma excelente
combinao de processabilidade e resistncia mecnica. Isso facilita sua produo em
larga escala conferindo-lhe algumas vantagens sobre os materiais cermicos
convencionais. O polmero PVDF, nos dias atuais, um dos mais utilizados em
pesquisas relacionadas com deteco piroeltrica. Campos, em 1997, apresentou um
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medidor de energia para laserpulsado utilizando o polmero PVDF como sensor de
radiao . Melo e seus colaboradores, em 2001, apresentaram um sistema
fotopiroeltrico para deteco de teor de palha no caf modo e torrado utilizando o
PVDF como sensor piroeltrico .
Em 1989, Furukawa apresentou um estudo comparativo das
propriedades piroeltricas entre o polmero PVDF, a cermica PZT e o compsito
PZT/PVDF. A partir dos resultados obtidos, praticamente se inicia uma nova fase na
pesquisa relacionada a materiais com insero dos compsitos ferroeltricos.
Abdullah, em 1990, objetivando descobrir novos compsitos com
propriedades piroeltricas misturou a cermica PZT com o copolmero de PVDF
P(VDF-TrFE) (poli(fluoreto de vinilideno trifluoretileno)), e constatou que o
compsito apresentou uma figura de mrito, que um importante parmetro para
determinar o desempenho de um sensor piroeltrico, maior que a da cermica PZT.
Sakamoto e seus colaboradores em 1998 propem a utilizao de um
novo compsito piroeltrico constitudo de PZT imerso na matriz polimrica de PU
(poliuretana). O compsito foi caracterizado e aplicado como sensor trmico
demonstrando ser uma alternativa interessante como sensor piroeltrico. A partir dessa
nova possibilidade de sensor piezo e piroeltrico, outros trabalhos foram publicados
destacando sua aplicao como sensor trmico. (SAKAMOTO et al., 1999,
SAKAMOTO et al., 2002, SAKAMOTO et al., 2004)
Em 1999, Das Gupta apresentou um estudo minucioso sobre
compsitos ferroeltricos, destacando suas propriedades piroeltricas e piezoeltricas.
Em seu trabalho Das Gupta comparou vrios compsitos com cermicas e polmeros
ferroeltricos consagrados, inclusive a cermica PTCa (titanato de chumbo modificado
com clcio) que utilizada no compsito desenvolvido nesse trabalho. Na Tabela 2.1
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apresenta-se alguns materiais e compsitos, com conectividade 0-3, comumente
utilizados e suas respectivas propriedades (DAS GUPTA, 1999).
Tab. 2.1: Propriedades piroeltricas e dieltricas de alguns materiais e compsitos com conectividade 0-3(DAS GUPTA, 1999).
COMPSITO CERMICA (VOL. %) (a) (p x 10-6C/m2K)(b)FOMP= (p/) x
10-6(C/m2K)(c)
BaTiO3/PVDF 20 20
TGS/PVDF 80 12 90 7,5
PZT/PVDF 50 90 10 0,11
PTCa/P(VDF-TrFE) 65 67 130 1,94
PTCa 220 380 1,73
PZT 1700 420 0,25
(a) permissividade dieltrica, (b) coeficiente piroeltrico e (c) figura de mrito piroeltrica
Em 2000, Marin-Franch e seus colaboradores apresentaram um novo
compsito constitudo da cermica PTCa imersa na matriz polimrica PEKK (politer
cetona cetona). O PEKK um termoplstico que tm recebido uma ateno especial de
muitos pesquisadores devido as sua elevada temperatura de transio vtrea, alta
resistncia, elasticidade e temperatura de fuso de 307 C . Em 2004 Franch e seus
colaboradores caracterizaram o compsito PTCa/PEKK e o utilizaram como sensor de
emisso acstica. Os resultados da caracterizao, apresentados na Tabela 2.2,
revelaram uma opo interessante, devido ao seu coeficiente piezoeltrico e sua figura
de mrito piroeltrica, para utilizao do compsito como sensor piezo e piroeltrico .
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Tab. 2.2: Propriedades do compsito PTCa/PEKK (MARIN-FRANCH,2004).MATERIAL (a)(1kHz) d33(b)(pC/N) p(c)(C/m2oC) FOMP(d)= p/
PTCa 209-230 68 350 1,52 1,67
PEKK 3 0 0 0
PTCa/PEKK 60%
cermica36 34 31 0,86
(a) permissividade dieltrica, (b) coeficiente piezoeltrico longitudinal (c) coeficiente piroeltrico e (d)figura de mrito piroeltrica
Lam e seus colaboradores, em 2003, caracterizaram o compsito 0-3
PMN-PT/P(VDF-TrFE) destacando suas propriedades dieltricas. O compsito foi
comparado com o copolmero P(VDF-TrFE) e apresentou maior coeficiente
piroeltrico.
Em 2004, Wang apresentou um novo compsito com conectividade 0-
3, fabricado a partir da mistura da cermica (Bi0,5Na0,5)0,94Ba0,06TiO3(titanato de brio
sdio bismuto) imersa na matriz polimrica de P(VDF-TrFE). A caracterizao
realizada por Wang se restringiu a permissividade dieltrica e lao de histerese, portanto
no apresentou dados suficientes para verificao da possibilidade de utilizao do
compsito como sensor piroeltrico.
Barranco, em 2005, props o compsito PSTM/PEKK (titanato de
chumbo modificado com magnsio e samrio imerso em uma matriz polimrica de
PEKK) e o caracterizou comparando com o compsito PTCa/PEKK, apresentado por
Martin-Franch em 2004. Na Tabela 1.3 apresenta-se os resultados obtidos. O compsito
PSTM/PEKK se revelou inferior ao PTCa/PEKK, sua figura de mrito, coeficiente
piroeltrico e coeficiente piezoeltrico so menores e a figura de mrito quatro vezes
menor.
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Tab. 2.3: Comparativo das propriedades trmicas e dieltricas entre os compsitos PSTM/PEKK ePTCa/PEKK (BARRANCO,2005).
COMPSITO (a)(1kHz) p(T)(b)(C/m2K)FOMP
(c)= p/
(C/m2K)
PSTM/PEKK 50/50 % VOL. 42 7 0,17
PTCa/PEKK 50/50 % VOL. 26 17 0,65
(a) permissividade dieltrica, (b) coeficiente piroeltrico longitudinal e (c) figura de mritopiroeltrica
Em 2006, Wu e seus colaboradores, objetivando fabricar um sensor
piroeltrico de alta performance, propem a utilizao de dois materiais cermicos: BST
(Titanato de brio estrncio) e PLT (titanato de chumbo e lantnio). O compsito, em
forma de filme fino, foi dopado com vidro a base de PbOB2O3. O compsito contendo
35% de vidro a base de PbOB2O3apresentou alto coeficiente piroeltrico (364 C/m2
K), alta constante dieltrica (490 a 1kHz) e considervel figura de mrito piroeltrica
(0,74).
Em 2007, Dietze apresentou um compsito polimrico/cermico em
forma de filme constitudo da cermica PZ21 (PZT) adicionada ao polmero PVDF-
TrFE. O compsito com concentrao de 20% de material cermico apresentou
coeficiente piroeltrico 92 C/m2 K e figura de mrito maior que a do PZT.
Em 2008, Malmonge e seus colaboradores apresentaram um
compsito ferroeltrico constitudo de PZT imerso na matriz polimrica de PHB poli-b-
(hidroxibutirato). A caracterizao realizada revelou que com baixa concentrao de
cermica (30 % vol.) o compsito apresentou atividade piezoeltrica que o habilitou a
ser usado como transdutor .
Sebald, em 2008, sugeriu uma nova aplicao para compsitos
piroeltricos, utilizando-os como conversores de energia. Vrios materiais e compsitos
foram utilizados nesse estudo, os que se destacaram foram o PVDF e a cermica PMN.
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Em seu trabalho Sebald investiga a possibilidade de fornecer energia dispositivos
eletrnicos, como por exemplo: computadores de mo, mp3, rdios FM em miniatura,
entre outros .
Em 2008, Wegener e Arlt, apresentaram um compsito fabricado a
partir da disperso da cermica PZT no polmero ferroeltrico PVDF-HFP
(poli(fluoreto vinilideno hexafluoropropileno)). No estudo realizado Wegener e Arlt
destacam as propriedades dieltricas e piezoeltricas do compsito PZT/P(VDF-HFP).
O coeficiente piezoeltrico encontrado igual a 11 pC/N, o que relativamente baixo
quando comparado a outros compsitos (PTCa/PEEK: 34 pC/N, medido durante a
realizao deste trabalho).
Satapathy e seus colaboradores, em 2008, propuseram um compsito
constitudo de LiT (tantalato de ltio) imersa na matriz polimrica de PVDF. Nesse
trabalho foram apresentadas, somente, as propriedades dieltricas. Para a freqncia de
1kHz a constante dieltrica () do compsito 45 e decresce com o aumento da
freqncia. A perda dieltrica (tg ), para 1kHz, igual a 0,1 e crescente com o
aumento da freqncia.
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Captulo I I I
Estudar as manifestaes da natureza trabalho que agrada a Deus. o mesmo queorar.
Leonardo da Vinci
3. Aspectos Tericos
3.1. Ferroeletric idade
O termo ferroeletricidade foi utilizado pela primeira vez por Vaselak
para acentuar a analogia entre as propriedades dieltricas do Sal de Rochelle e o
comportamento ferromagntico do ferro (VASELAK, 1921). Nos dias de hoje o
conceito de ferroeletricidade amplo e o termo ferro... se aplica a materiais que
submetidos a um campo, seja de natureza magntica, eltrica ou a combinao desses,
sofram alteraes em seus domnios apresentando propriedades ferromagnticas e
ferroeltricas, respectivamente.
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Os materiais ferroeltricos, assim como os ferromagnticos,
apresentam polarizao remanescente (Pr), polarizao de saturao (Ps), campo
coercivo (Ec) e temperatura de transio (temperatura de Curie). As magnitudes da P re
Ecso obtidas a partir da curva de polarizao versuscampo eltrico, denominada lao
de histerese, vide Figura 3.1.
Fig.3.1: Representao da curva de histerese ferroeltrica.
O grupo de materiais dieltricos conhecidos por ferroeltricos exibe
polarizao espontnea, isto , polarizao na ausncia de um campo eltrico. Apesar
dessa condio ser necessria, outros fatores relacionados simetria do material so de
fundamental importncia para a ferroeletricidade (FURUKAWA, 1989). A
ferroeletricidade do material est associada ausncia de um centro de simetria, dessa
forma os dipolos existentes no se anulam, portanto esses materiais exibem dipolos
eltricos permanentes. Na figura 3.2 apresenta-se uma estrutura tetragonal, com um
tomo central. Observa-se na Figura 3.2a que o tomo central ocupa uma posio
simtrica com relao aos demais tomos, nesse caso existe um eixo de simetria,
portanto o momento dipolo lquido nulo, logo o material no ferroeltrico. Na Figura
3.2b pode-se observar que o tomo central est ligeiramente deslocado da posio de
equilbrio, nesse caso o momento de dipolo lquido diferente de zero, portanto o
material possui propriedades ferroeltricas.
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Fig. 3.2: a) Estrutura tetragonal com tomo central no eixo de simetria; b) estrutura tetragonal com tomocentral deslocado em relao ao eixo de simetria.
A origem dos materiais ferroeltricos explicada a partir do titanato
de brio, um dos materiais ferroeltricos mais comuns. O titanato de brio foi
descoberto em 1943 e foi muito utilizado aps a Segunda Guerra Mundial devido a suas
propriedades dieltricas, piezoeltricas e ferroeltricas na temperatura ambiente
(BAUER, 1980). A Figura 3.3 apresenta uma clula unitria do titanato de brio, onde
observa-se o tomo do Ti4+ligeiramente deslocado da posio central.
(a)
Ba Ba
Ba
OBa
Ba
O
O
O
Ti
(b)
Fig. 3.3: Clula unitria de titanato de brio a) em perspectiva isomtrica e b) vista lateral de uma das
faces, evidenciando o deslocamento do centro da face.
A polarizao espontnea uma conseqncia do posicionamento dos
ons Ba2+, Ti4+e O2-dentro da clula unitria, que possui uma simetria tetragonal (um
cubo que foi ligeiramente alongando em uma direo). O momento de dipolo resulta
dos deslocamentos relativos dos ons O2-e Ti4+das suas posies simtricas, como est
representado na Figura 3.3. Os ons O
2-
esto localizados prximos, porm ligeiramente
-
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abaixo, dos centros de cada uma das seis faces, enquanto que o on Ti4+est deslocado
para cima do centro da clula unitria. Dessa forma, um momento dipolo inico
permanente est associado com cada clula unitria.
Uma caracterstica importante dos materiais ferroeltricos est
associada temperatura. Submetendo um material ferroeltrico a uma determinada
temperatura, denominada temperatura de transformao ferroeltrica ou Temperatura de
Curie (Tc), o material deixa de ser ferroeltrico e passa a ser paraeltrico. O termo
paraeltrico uma analogia ao que ocorre com os materiais ferromagnticos (KITTEL,
1996). Na fase paraeltrica, os dipolos encontram-se orientados aleatoriamente, no
havendo polarizao lquida, sendo que na fase ferroeltrica o mesmo apresenta
polarizao espontnea (Pe).
A distino entre polarizao espontnea (Pe), que se processa
espontaneamente no material e a polarizao remanescente (P r), est associada ao
campo eltrico aplicado. Experimentalmente, Pr definido como a interseco do lao
de histerese com o eixo das ordenadas e a Pe a extrapolao linear do campo eltrico
de saturao para o campo eltrico nulo (DIASet al.,1993).
Na Figura 3.4 apresenta-se a curva da polarizao espontnea Pe, em
funo da temperatura. Nela observa-se o decaimento gradual da polarizao com o
aumento da temperatura e o decaimento rpido prximo temperatura de Curie
(FURUKAWA,1989).
Tc T
Pe ferroeltrico paraeltrico
Fig. 3.4: Polarizao espontnea em funo da temperatura.
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A temperatura Curie relaciona-se com a constante dieltrica ", do
material atravs da lei de Curie-Weiss, que apresentada na equao 3.1 a seguir:
cTTC
= [3.1]
sendo C a constante de Curie, T a temperatura do material e Tca temperatura de Curie.
Na Figura 3.5 apresenta-se o comportamento da constante dieltrica
em funo da temperatura, de acordo com a lei de Curie-Weiss.
Tc T
"
Fig. 3.5: Constante dieltrica de um material ferroeltrico em funo da temperatura acima do ponto deCurie.
Devido a polarizao espontnea o material ferroeltrico apresenta
uma densidade de carga superficial #, que contribui para a existncia de um campo
eltrico de despolarizao Ed, conforme apresentado na Figura 3.6.
+-
+
-
+-
+
-
+-
+
-
+-
+
-
+-
+
-
+-
+
-
+-
+
-
+-
+
-
+-
+
-
Pe Ed
+#
-#
Fig. 3.6: Densidade de carga superficial associada polarizao espontnea, Pe.
O efeito do campo de despolarizao minimizado quando o material
se divide em regies de polaridade oposta, essas regies so denominadas domnios
ferroeltricos. Os domnios so regies em que os dipolos se alinham na mesma direo
e em direes diferentes dos domnios adjacentes. A polarizao lquida depende da
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quantidade de domnios em oposio, existentes (KITELL, 1996). Na Figura 3.7
apresenta-se uma estrutura cristalina onde existem vrios domnios, nesse caso devido a
distribuio de cargas na superfcie o campo eltrico de despolarizao nulo.
+-
+-
-+
-+
+-
+-
-+
-+
-+
-+
+-
+-
-+
-+
+-
+-
+-
+-
Ed = 0
Fig. 3.7: Formao dos domnios.
A polarizao de cada regio tem uma determinada direo que pode
variar de domnio para domnio.
Associado a ferroeletricidade tm-se os fenmenos da
piezoeletricidade e piroeletricidade. A piezoeletricidade em geral descreve o
acoplamento entre a polarizao e o estado mecnico do material (tenso/deformao),
enquanto a piroeletricidade descreve o acoplamento entre a polarizao e as
propriedades trmicas do material (CADY, 1946). Embora todo material ferroeltrico
apresente atividade piezoeltrica, nem todo material piezoeltrico ferroeltrico. Com
relao piroeletricidade pode-se afirmar que todo material piroeltrico tambm
piezoeltrico, enquanto que nem todo piezoeltrico piroeltrico (DAS-GUPTA,1999).
Cristais slidos so divididos em 32 classes, das quais 21 no
apresentam centro de simetria em suas estruturas. Das 21 classes, 20 correspondem a
materiais piezoeltricos. Essa propriedade caracterstica de um grupo de materiais que
possuem estruturas cristalinas complexas com baixo grau de simetria (CALLISTER,
2002), essa classe de materiais pode ser subdividida em materiais que possuem e
materiais que no possuem polarizao permanente. Os que apresentam polarizao
permanente (10 classes) so denominados piroeltricos.
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Um cristal apresenta atividade piroeltrica se na clula unitria se
processa um momento de dipolo, o que significa que o centro de carga positiva
diferente do centro de carga negativa. Esses materiais respondem a energia trmica
atravs da mudana da polarizao instantnea (SAKAMOTOet al.,1999).
Na Figura 3.8 apresenta-se a classificao da estrutura cristalina,
destacando a diviso entre materiais piezoeltrico, piroeltrico e ferroeltrico
(MOSELEYet al.,1996).
slidos cristalinos(32 classes de cristal)
Com centro de simetria(11 classes de cristal)
piezoeltrico(20 classes de cristal)
Sem centro de simetria(21 classes de cristal)
No polar(10 classes de cristal)
Polar piroeltrico(10 classes de cristal)
ferroeltrico Noferroeltrico
No piezoeltrico(1 classe de cristal)
Fig. 3.8: Classificao das estruturas cristalinas.
3.2. Piezoeletricid ade
A piezoeletricidade ou efeito piezoeltrico ocorre quando um cristal
sujeito a uma tenso mecnica responde com sinal eltrico ou inversamente, uma
deformao mecnica quando sujeito a um campo eltrico (STANDARD...,1987).
Nos materiais piezoeltricos as propriedades elsticas e eltricas esto
relacionadas, ou seja, os parmetros mecnicos e eltricos esto interligados. A tenso
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X, e a deformao x, so utilizadas para representar as propriedades mecnicas,
enquanto o campo eltrico E, e o deslocamento eltrico D, as propriedade eltricas.
Na equao 3.2 apresenta-se a relao entre o campo eltrico e
deslocamento eltrico para um dieltrico de constante dieltrica ", no piezoeltrico,
sem estar sujeito a tenses mecnicas.
ED = [3.2]
A relao mecnica para o mesmo material, para um campo eltrico
nulo e sob a ao de uma tenso mecnica dada pela equao 3.3:
Xsx = [3.3]
Sendo s definido como a constante elstica do material.
De acordo com Smits, para um meio piezoeltrico, a interao entre as
variveis eltricas e mecnicas pode ser descrita, pelas equaes 3.4 e 3.5 (SMITS,
1976):
EdXsx E += [3.4]
EXdD X+= [3.5]
Na equao 3.4 representa-se o efeito piezoeltrico inverso e a
equao 3.5 representa o efeito piezoeltrico direto (DIAS, 1994). A tenso X e campo
eltrico E foram escolhidas como variveis independentes, enquanto a deformao x e
deslocamento eltrico D so variveis dependentes; sE a flexibilidade a campo eltrico
constate, "X a permissividade a tenso mecnica constante e d a constante
piezoeltrica. Os subscritos indicam a grandeza fsica que mantida constante.
As constantes piezoeltricas so tensores de terceira ordem (aijk), pois
relacionam um tensor de segunda ordem como a deformao x ijou a tenso Xij a um
vetor de campo eltrico externo Ekou a um vetor deslocamento eltrico Dk.
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As equaes 3.4 e 3.5 podem ser escritas na forma matricial como
apresentado na equao 3.6:
=
X
E
sd
d
x
D
E
X
[3.6]
A relao matricial apresentada na equao 3.6 pode ser posta de forma alternativa
utilizando X e D, x e D, ou x e E como variveis dependentes, como prope Smits; nas
equaes 3.7, 3.8 e 3.9 (SMITS,1976).
=
E
x
e
ec
D
Xx
tE
[3.7]
=
D
x
h
hc
E
Xx
tD
[3.8]
=
D
X
g
gs
E
xx
tD
[3.9]
sendo c a constante de rigidez elstica, e, he gos coeficientes piezoeltricos tensoriais,
e $definido como o inverso da permissividade, o ndice t indica a matriz transposta.
A definio das constantes d, e, he g so apresentadas nas equaes
3.10, 3.11, 3.12 e 3.13 (WADA,1982)
XE E
x
X
Dd
=
= [3.10]
XD Dx
XEg
=
=
[3.11]
xE E
x
x
De
=
=
[3.12]
xD D
X
x
Eh
=
=
[3.13]
-
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Devido simetria das variveis tensoriais (xij= xji) e da conveno de
eixos utilizada na Figura 3.9, o tensor deformao pode ser escrito como tensor de
primeira ordem, conforme apresentado na Tabela 1.1.
x (1)
y (2)
z (3)
4
5
6
Fig. 3.9: Conveno de eixos. Direo da espessura (3), direes laterais (1 e 2) e direes rotacionais(4,5 e 6).
Tab.3.1: Apresentao do tensor deformao compactado em tensor de primeira ordem (DIAS,1994).
Tenses normais Tenses de corte
ij 11 22 33 23=32 13=31 12=21
Xixj xx yy zz yz xz xy
ndice contrado 1 2 3 4 5 6
As constantes piezoeltricas so convertidas em tensores de segunda
ordem com o primeiro ndice indicando a direo do campo aplicado (de 1 a 3),
enquanto que o segundo indica a direo da deformao (de 1 a 6). Portanto, a equao
na forma matricial 3.6, pode ser reescrita de uma forma completa. Considerando uma
cermica ferroeltrica com estrutura peroviskita polarizada na direo 3, ou seja, ao
longo da espessura, a equao 3.6 na forma completa fica (STANDARD..., 1987):
+
=
3
2
1
15
15
33
31
31
6
5
4
3
2
1
E66
E
44
E44
E33
E31
E13
E13
E11
E12
E13
E12
E11
6
5
4
3
2
1
E
E
E
000 00d
0d0
d00
d00
d00
XX
X
X
X
X
s000000s0000
00s000
000sss
000sss
000sss
xx
x
x
x
x
[3.14]
-
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32
+
=
3
2
1
X33
X11
X11
6
5
4
3
2
1
333131
15
15
3
2
1
E
E
E
00
00
00
X
X
X
X
X
X
000ddd
00d000
0d0000
D
D
D
[3.15]
As equaes [3.14] e [3.15] podem ser agrupadas numa equao
matricial como se segue:
=
3
2
1
6
5
4
3
2
1
x33333131
x1115
x1115
E66
15E44
15E44
33E33
E13
E13
31E13
E11
E12
31E13
E12
E11
3
2
1
6
5
4
3
2
1
E
E
E
X
X
X
X
X
X
00000ddd
0000d000
000d0000
000s00000
00d0s0000
0d000s000
d00000sss
d00000sss
d00000sss
D
D
D
x
x
x
x
x
x
[3.16]
Sendo E12E11
E66 ss2s = .
Deste modo pode-se verificar que em uma cermica ferroeltrica tm-
se cinco constantes elsticas independentes, duas permissividades dieltricas e trs
constantes piezoeltricas. As constantes piezoeltricas que aparecem nas equaes 3.4 a
3.9 no so independentes (DAS-GUPTA,1999).
gesd XE == [3.17]
XD
dhsg
== [3.18]
hdce XE == [3.19]
XD
egch
== [3.20]
( ) 1D,ED,E sc = [3.21]
tExX ddc= [3.22]
-
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XtDE
ddss
= [3.23]
sendo as variveis matrizes e as operaes, operaes matriciais. Desta forma pode-se
concluir que um material piezoeltrico totalmente caracterizado a partir do momento
que as matrizes sE, "Xe d, envolvidas nas equaes 3.6, 3.14 ou 3.15 so conhecidas.
Um importante parmetro em uma amostra piezoeltrica o
coeficiente de acoplamento eletromecnico k2, que pode ser entendido como a
habilidade do material piezoeltrico em converter energia eltrica em mecnica ou vice-
versa:
inversoEfeitototaleltricaenergia
mecnicaemconvertidaeltricaenergiak
ou
diretoEfeitototalmecnicaenergia
eltricaemconvertidamecnicaenergiak
2
2
=
=
[3.24]
Essa grandeza fsica um tensor e, portanto depende das direes da tenso e do campo
eltrico. No caso das cermicas piezoeltricas os fatores de acoplamento podem ser
definidos como se apresenta nas equaes a seguir (MOULSONet al.,1990):
X11
E33
1515
s
dk
=
[3.25]
X33
E33
3333
s
dk
=
[3.26]
X33
E11
1531
s
dk
=
[3.27]
D33
x3
33t
c
ek
=
[3.28]
( ) X33E12E11
31p
ss
2
dk
+
=
[3.29]
-
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Sendo que ktreferente ao modo de vibrao longitudinal (na espessura da amostra) e kp
o fator de acoplamento radial. Na Tabela 3.2 apresenta-se os correspondentes modos
de vibrao.
Tab. 3.2: Modos de vibrao tpicos das cermicas piezoeltricas (GALLEGO-JUREZ,1989)
FORMA DA AMOSTRADIREO DE
EXCITAO
DIREO DE
VIBRAO
COEFICIENTE DE
ACOPLAMENTO
1
2
3
k33
3
2
1 k31
1
23
kp
3
2
1 kt
3
2
1 Toro 3-1 k15
Os coeficientes piezoeltricos, dij, so determinados a partir da razo
entre a quantidade de carga eltrica gerada por unidade de rea e a fora aplicada por
unidade de rea, como apresentado na equao 3.30:
aplicadoeltricocampo
deformao
aplicadafora
aargcdequantidaded == [3.30]
A partir da equao matricial 3.14 verifica-se a presena de trs
coeficientes: d33, d31e d15. O coeficiente d33 utilizado quando a fora aplicada est na
direo 3 (fig. 3.9) e aplicada na mesma direo da superfcie de medida de carga (fig.
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3.10-a), o coeficiente d31 medido quando a carga medida na superfcie 3, mas a fora
aplicada perpendicularmente direo de polarizao (fig. 3.10-b) e o coeficiente d 15
indica que a carga medida nos eletrodos colocados perpendicularmente aos eletrodos
de polarizao e que a tenso mecnica aplicada de toro (fig. 3.10-c). A unidade de
medida dos coeficientes piezoeltricos dij, no sistema internacional de unidades
expressa em C/N (Coulomb por Newton).
importante ressaltar que inversamente, os coeficientes dij
representam tambm a deformao mecnica produzida pelo campo eltrico aplicado,
efeito inverso, pois o coeficiente piezoeltrico o mesmo em ambos os casos dado que
dij=dji.
F
F
P Q+
-
(a)
F
FP
Q+
-
(b)
FF
P
Q+
-
(c)
Fig. 3.10: Denominao dos coeficientes piezoeltricos (STANDARD...,1987).
Na equao matricial 3.9 apresentado o coeficiente de diferena de
potencial, gij. Esse coeficiente obtido a partir da razo entre a tenso eltrica
desenvolvida e a tenso mecnica aplicada, como apresentado na equao 3.31.
aplicadaeltricatenso
dadesenvolvideformao
aplicadamecnciatenso
dadesenvolvieltricatensog ==
[3.31]
A diferena de potencial obtida por meio da relao existente entre o
campo eltrico e a espessura da amostra. Da mesma forma que o coeficiente
piezoeltrico o coeficiente de diferena de potencial apresenta-se como g33, g31e g15. O
g33indica o quanto o campo eltrico ou a tenso mecnica esto aplicados segundo o
eixo de polarizao, o g31indica que a presso aplicada perpendicularmente ao eixo de
rotao e que a diferena de potencial surge no mesmo eletrodo de g33e o g15implica
-
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que a tenso aplicada de toro e que o campo eltrico resultante perpendicular ao
eixo de polarizao. A unidade de medida dos coeficientes gij expressa em V/N, no
sistema internacional.Os coeficientes g33, g31e g15,a partir da equao 3.18, podem ser
escritos por (STANDARD...,1987):
X33
3333
dg
=
[3.32]
X33
3131
dg
=
[3.33]
X11
1515
dg
=
[3.34]
A partir dos coeficientes d e g define-se um importante parmetro para
caracterizao de um sensor piezoeltrico. Essa grandeza denominada figura de mrito
piezoeltrica (FOMh) e determinada por:
hhh gdFOM = [3.35]
Considerando um polmero ferroeltrico com uma estrutura tetragonal, pode-se definir
as constantes piezoeltricas hidrostticas dhe gh, que so determinadas pelas equaes
3.36 e 3.37 (DAS-GUPTA,1999).
3133h d2dd += [3.36]
3133h g2gg += [3.37]
3.3. Piro eletrici dade
Alguns materiais possuem um eixo, na rede cristalina, ao longo do
qual existe um momento de dipolo eltrico permanente. A presena destes momentos
implica que as superfcies perpendiculares ao eixo deveriam estar eletricamente
carregadas. Contudo, a presena desta carga no pode ser observada, pois ela se
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neutraliza devido a interaes com cargas errantes, tambm denominadas cargas livres,
conforme representado na Figura 3.11 (LANG,2005).
+ + + + + + + + + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
+
-
+
-
+
-eP
++
+
+
--
--
ons
dipolos
Fig. 3.11: Cargas livres atradas pelas cargas superficiais.
Em alguns destes materiais a presena do momento de dipolo pode ser
detectada pela aplicao de um campo eltrico externo de alta intensidade, que pode
reverter sua direo. As cargas errantes no podem se redistribuir rapidamente, tal que a
mudana na carga superficial produzida pode ser medida (LUDLOWet al.,1967). Esses
materiais so denominados piroeltricos e podem ser divididos em dois grupos:
piroeltricos lineares, cuja polarizao espontnea no pode ser revertida a partir da
aplicao de um campo eltrico e os ferroeltricos, cuja polarizao pode ser revertida
mediante a aplicao de um campo eltrico (HADNI,1981).
Submetendo-se o material piroeltrico a uma variao de temperatura
constante a rede de dipolos reorienta-se. Como as cargas errantes no podem se
redistribuir rapidamente e a mudana na densidade de carga superficial pode ser
observada, esse fenmeno foi denominado por Brewster de piroeletricidade
(BREWSTER, 1824). Em um material piroeltrico pode-se determinar o coeficiente
piroeltrico, que definido pela variao da polarizao espontnea quando o material
submetido a variao uniforme de temperatura. Na equao 3.38 apresenta-se
matematicamente o coeficiente piroeltrico, p(T) (LANG,2005).
dTdP)T(p e= [3.38]
-
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A partir do coeficiente piroeltrico pode-se definir um importante
parmetro para avaliar as possibilidades de utilizao do material como sensor
piroeltrico, esse parmetro denominado figura de mrito piroeltrica (FOMp). A
figura de mrito piroeltrica determinada pela razo entre o coeficiente piroeltrico e a
permissividade dieltrica do material (), como se observa na equao 3.39 (DAS-
GUPTA,1999).
=
pFOMp [3.39]
Com o avano das pesquisas na rea de materiais e principalmente na
utilizao de compsitos constitudos por material cermico imerso em uma matriz
polimrica ganha repercusso a utilizao desses compsitos como sensor de
temperatura. Trabalhos publicados por Bauer et al.(1997), Sakamoto et al.(1999) e Akai
et al. (2006) entre outros, apresentam estudos sobre a utilizao de compsitos e
copolmeros como sensores piroeltricos.
3.4 Com ps ito s ferr oeltr icos
Materiais compsitos so constitudos de uma fase predominante
denominada matriz, que pode ser um polmero, metal ou vidro e uma fase secundria
que pode ser uma cermica, por exemplo. A utilizao de materiais compsitos vem
sendo empregada h alguns anos, principalmente na rea militar, espacial e aeronutica.
A existncia de piezoeletricidade em certos polmeros conhecida h
muito tempo, conforme descreve Wada (1982). Entretanto a atividade piezoeltrica
nesses polmeros baixa, limitando sua utilizao a interesses cientficos.
Os polmeros ganham espao comercial a partir do trabalho publicado
por Kawai (1969), que demonstrou a existncia de polmeros sintticos apresentando
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significativa atividade piezo e piroeltrica, quando submetidos a campos eltricos de
alta intensidade. Devido a sua flexibilidade e maleabilidade os polmeros abriram uma
grande possibilidade de aplicaes at ento limitadas s cermicas piezoeltricas. A
partir da vrios trabalhos foram apresentados, visando principalmente utilizao do
material como sensor.
A flexibilidade e a resistncia mecnica fazem dos polmeros
piezoeltricos materiais com melhor desempenho que as cermicas, apesar de
apresentarem menor atividade piezo e piroeltrica, mas sua alta perda dieltrica e baixa
figura de mrito comprometem seu desempenho como sensor. Neste contexto iniciam-
se os estudos em compsitos constitudos de polmeros e cermicas, que tem como
objetivo combinar as melhores caractersticas dos dois materiais. importante ressaltar
que o desempenho do compsito no depende apenas das caractersticas individuais de
cada fase. Nesse contexto, Newnham apresenta o conceito de conectividade, que foi
utilizado para descrever a relao interfacial entre as fases, que so de grande
importncia para o controle do padro de fluxo eltrico, assim como das propriedades
mecnicas e trmicas dos compsitos (NEWNHAMet al.,1978).
Em um compsito cermico/polimrico a cermica dispersa em um
meio polimrico. As partculas de cermica podem tocar-se ou no. O mesmo pode
ocorrer com a matriz polimrica. Espacialmente cada fase pode ser conectada em zero,
uma, duas ou trs dimenses (DAS-GUPTA, 1999). Em um sistema de duas fases
podem-se ter dez diferentes combinaes, as quais so usualmente representadas por
dois dgitos, sendo o primeiro o material disperso e o segundo a matriz: 0-0, 0-1, 0-2, 0-
3, 1-1, 1-2, 1-3, 2-2, 2-3, e 3-3 que esto representadas na Figura 3.12. Por exemplo, em
um compsito 0-3 cermico/polimrico, tm-se as partculas da fase cermica dispersas
em uma matriz polimrica com conexo nas trs dimenses. Outro importante tipo de
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conexo o sistema 1-3, a fase cermica alongada (pilares, grandes gros ou fibras) e
distribuda na matriz polimrica, conforme apresentado Figura 3.12. Essa conexo em
geral apresenta elevado desempenho das propriedades eltricas, mas sua manufatura
gera custos elevados (DAS-GUPTA,1999).
matriz
cermica
z
y
x
Fig. 3.12:Possibilidades de conectividade em um sistema difsico (NEWNHAMet al.,1978).
A classificao de conectividade apresentada por Newnham no
especifica a direo, nem lugar onde ocorre a conectividade e nos casos de compsitos
ferroeltricos no especifica a direo do vetor polarizao. Neste caso para compsitos
constitudos de duas fases, sistema bifsico, emprega-se o conceito de conectividade
srie e paralelo, conforme apresentado na Figura 3.13 (DIASet al.,1996).
VETORPOLARIZAO
CONECTIVIDADEPARALELA
CONECTIVIDADESRIE
MATRIZ
CER MICA
Fig. 3.13: Conectividade srie e paralela (DIASet al.,1996).
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3.5. Con ectiv idade
3.5.1. Conectivid ade 0-3
As conectividades 0-3 e 1-3 (sendo o primeiro dgito a conectividade
entre o material de carga e o segundo a conectividade da matriz) so as mais
comumente estudadas, embora por diferentes motivos. Das duas, a conectividade 0-3
mais popularmente utilizada, pois sua fabricao simples e de baixo custo. Por isso
compsitos com conectividade 0-3 foram um dos primeiros a serem produzidos
(FURUKAWAet al.,1976).
Compsitos piezeltricos cermico/polimrico com conectividade 0-3
so constitudos de um material cermico imerso em uma matriz polimrica auto
conectada nas trs dimenses. Sendo o polmero utilizado, termoplstico, o compsito
0-3 pode ser preparado atravs do agrupamento do material cermico ao polmero
aquecido at sua temperatura de fuso (DIASet al.,1996). Outro mtodo utilizado a
adio do p cermico ao polmero dissolvido em solvente adequado. Aps a mistura o
solvente se evapora e o compsito pode ser moldado em forma de filme por prensagem
a quente.
Durante o processo de mistura podem ocorrer alguns problemas
relacionados com a distribuio do p cermico na matriz polimrica e com bolhas de ar
aprisionadas. Esses problemas podem interferir na polarizao do compsito e nas
propriedades eltricas do compsito.
3.5.2. Conectivid ade 1-3
Compsitos com conectividade 1-3 apresentam em geral alto
desempenho em termos de propriedades piezoeltricas e em contra partida, alto custo de
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fabricao (SAVAKUSet al.,1980). Compsitos 1-3 consistem de estruturas cermicas
alongadas regularmente espaadas, com a matriz polimrica orientada ao longo do eixo
perpendicular a superfcie do filme. Nestes compsitos os gros cermicos devem ser
grandes e alinhados paralelamente a matriz polimrica, pois devem tocar os eletrodos
nas duas faces do compsito. Segundo Auld, estes compsitos apresentam problemas de
heterogeneidade devido a distribuio irregular dos pilares, o que ocasiona ressonncia
e degradam a performance do compsito na utilizao como transdutor ultra-snico
(AULDet al.,1984).
A conectividade 1-3 obtida a partir da organizao dos fios
cermicos num molde que preenchido pela matriz polimrica. O bloco pode ser
seccionado de forma a se obter filme de espessura adequada. Este tipo de conectividade
favorece a polarizao do compsito, pois a fase cermica est em contato com os
eletrodos nas duas faces do material, se comportando como cermica densa (SMITH,
1989).
Outro mtodo empregado a injeo de material cermico em pasta
dentro de um molde de plstico. O molde levado ao forno obtendo-se um molde de
cermica densificada. Este molde ento preenchido pela matriz polimrica, obtendo-se
dessa forma compsitos com conectividade 1-3 de baixo custo.
3.6. Deteco piroeltr ica
Materiais piroeltricos respondem s mudanas na radiao incidente,
e uma vez atingido o equilbrio trmico e eltrico, o fluxo incidente no produz
variaes na sua temperatura, portanto no h sinal eltrico de sada.
Um detector piroeltrico consiste basicamente de uma fina camada de
material piroeltrico polarizado, com eletrodos evaporados sobre sua superfcie na
direo normal a orientao dos dipolos. Ao absorver a radiao incidente, a
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temperatura do material piroeltrico sofre alterao e sua polarizao varia diretamente
com a variao de temperatura e com o coeficiente piroeltrico do material. A variao
da polarizao aparece como cargas eltricas atravs das placas do detector. Essa carga
responsvel pela gerao de um sinal eltrico proporcional potncia de entrada da
radiao incidente (PUTLEY,1981).
Para que as cargas superficiais geradas, devido ao efeito piroeltrico,
no sejam neutralizadas por cargas errantes, a radiao incidente deve ser modulada ou
pulsada, pois os detectores piroeltricos respondem proporcionalmente taxa de
variao da temperatura, diferentemente de outros detectores trmicos que apresentam
resposta proporcional variao de temperatura. Esta caracterstica faz com que o
detector piroeltrico seja mais rpido que outros detectores trmicos, como os
termistores ou os termopares (LIU, 1978).
You Ta, em 1938, citado por Ludlow, sugeriu que se a mudana de
temperatura do detector piroeltrico fosse causada pela absoro de raios infravermelho,
um tipo de detector trmico poderia ser obtido (TA, 1938 apud LUDLOW, 1967). Isso
deu origem utilizao dos materiais piroeltricos na deteco de outros tipos de
radiao, tal como o raios X. Trabalhos posteriormente apresentados, Chynoweth, em
1956, e Cooper, em 1962, mostraram que o efeito piroeltrico um dos mtodos mais
importantes para detectar radiao trmica temperatura ambiente.
Lang, em 1965, construiu um termmetro piroeltrico para medir
mudanas de temperatura da ordem de 10-6a 10-30C, utilizando titanato de brio. Para
atenuar as flutuaes de temperatura foi utilizada uma cmara de material de baixa
difusividade e um grande dissipador trmico .
Blackburn e Wright, em 1970, propuseram uma anlise mais rigorosa
do comportamento trmico de um elemento piroeltrico, sujeito a radiao modulada,
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usando equaes de difuso, pois at ento a anlise era realizada a partir das
propriedades trmicas mdias de seu modelo concentrado (aquecimento uniforme).
Em 1972, Van der Ziel e Liu, relacionaram a teoria da difuso trmica
com a resposta do detector, mostrando que a resposta radiao modulada difere de
forma insignificante dos resultados obtidos a partir do modelo concentrado, se a face do
detector possuir baixa emissividade trmica.
Os materiais comumente empregados para fabricao de detectores
piroeltricos so o TGS (Sulfato de Triglicina), material utilizado por Putley em 1972
para apresentar a aplicao do efeito piroeltrico em dispositivos de deteco de
radiao trmica (PUTLEY, 1972), LiTaO3 (Tantalato de ltio) e o PZT (Titanato
zirconato de chumbo), alm de alguns polmeros com propriedades piroeltricas.
Na sua essncia o detector piroeltrico pode ser comparado a um
capacitor cujo dieltrico entre as placas um material piroeltrico, devidamente
polarizado. Ao ser submetido a uma variao de temperatura, o material piroeltrico
produz uma carga no capacitor, gerando uma diferena de potencial entre as placas do
mesmo, quando em circuito aberto. Ao fechar o circuito, ou seja, quando conectado a
um circuito externo, ocorre um fluxo de carga, que proporcional taxa de variao da
temperatura. O fluxo de corrente cessa quando a temperatura do material se estabilizada.
O desempenho de um detector piroeltrico determinado pela sua
resposta a uma radiao incidente modulada. Geralmente na caracterizao do detector
utiliza-se modulao senoidal. Cooper, em 1962 foi o primeiro a realizar uma anlise
minuciosa do comportamento de um detector piroeltrico submetido a uma radiao.
Em seu trabalho, Cooper mostra que utilizando-se um bom sensor piroeltrico o
desempenho do sensor ser prximo ao de um detector trmico ideal. Sendo a mnima
potncia detectvel limitada por fatores de rudo, em particular rudo de temperatura.
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Para obter um modelo idealizado, Cooper considerou o aquecimento uniforme do
sensor, resolvendo equaes de transmisso de calor e impondo condies iniciais e de
contorno apropriadas. Na resoluo da equao de transmisso de calor foi considerada
apenas a transmisso por radiao (COOPER,1962).
3.6.1. Detect o r p iroeltr ic o ideal
Um detector piroeltrico no somente transduz radiao, mas tambm
rudos. Em um caso ideal no h outra forma de transmisso de calor, exceto por
irradiao e o rudo presente devido a flutuao da temperatura. Os detectores ideais
so suficientemente finos de forma a se poder desprezar gradientes de temperatura,
devido difuso trmica (LIU,1978).
De acordo com Liu tem-se duas configuraes para o detector
piroeltrico: configurao eletrodo face, onde o eletrodo utilizado como superfcie
receptora e a configurao eletrodo extremidade, onde o eixo de orientao situa-se no
plano da superfcie receptora (LIU, 1978). importante salientar que a principal
diferena entre as configuraes a impedncia eltrica (PUTLEY,1981). Em geral a
configurao eletrodo face a mais utilizada. Na Figura 3.14 apresenta-se ambas as
configuraes.
A
radiao
A
radiao
(a) (b)
Fig. 3.14: Configurao dos eletrodos nos detectores piroeltricos. (a) Configurao eletrodo face. (b)Configurao eletrodo extremidade (LIU,1978).
Ao ser exposto a uma radiao modulada, de freqncia , a
temperatura do detector ser modulada, tambm com freqncia . A variao de
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temperatura depender da frao da radiao incidente absorvida, , da capacidade
trmica do detector, H, e da condutncia trmica mdia, GR, do detector ao meio onde
ele se encontra (CARVALHO,1987).
A partir da Lei de Stefan-Boltzmann, se a placa est a uma
temperatura T+T, o fluxo de calor do detector para sua vizinhanas TGR , sendo
GRdado por:
3R T4G = [3.40]
sendo a constante de Stefan-Boltzmann. Como na maioria dos casos existiro outras
contribuies para a condutividade trmica, GR o valor limite para o qual a
condutncia real tende para circunstncias ideais (CARVALHO,1987).
A capacidade trmica, H do detector determinada a partir da equao
3.41
dAcH v = [3.41]
sendo cvo calor especfico a volume constante, A a rea da superfcie do detector e d a
espessura do detector.
Ao ser exposto a uma radiao modulada de freqncia , a potncia
incidente do feixe sobre o detector dada pela equao:
tj0i ePPP
+= [3.42]
As propriedades trmicas do detector ideal so descritas pela equao
3.43, a seguir (LIU,1978),
iR PTGdt
TdH =+
[3.43]
cuja soluo utilizada para determinar a temperatura do detector.
Resolvendo a equao 3.43 em regime estacionrio tem-se que
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tj
R
i eHjG
P)t,(T
+
= [3.43]
com amplitude
]HG[
PT222
R
i
+=
[3.44]
e defasagem
=
RG
Htgarc [3.45]
Devido ao efeito piroeltrico a diferena de temperatura T(,t) d
origem a uma quantidade de carga superficial Q(,t) nos eletrodos do detector. A
quantidade de carga determinada pela equao:
)t,(T)T(pA)t,(PA)t,(Q == [3.46]
O surgimento da carga superficial produz uma diferena de potencial
entre a placas em circuito aberto dada por:
dC
)t,(QA)t,(V
= [3.47]
sendo Cda capacitncia do detector piroeltrico que determinada por:
d
AkC od = [3.48]
sendo k a constante dieltrica e oa permissividade dieltrica no vcuo.
Levando a equao 3.48 na equao 3.47, tem-se
ok
A)t,(Td)T(p)t,(V
= [3.49]
O desempenho do detector piroeltrico determinado em termos da
potncia mnima da radiao que ele pode medir. Esta potncia mnima determinada
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em funo da responsividade e dos rudos gerados pelo detector e pelo seu circuito pr-
amplificador (LIU,1978).
3.6.1.1. Respons ivid ade de corrent e (CARVAL HO,1987)
Define-se responsividade de corrente como a relao entre a corrente
eficaz (rms) gerada pelo detector e a potncia eficaz (rms) da radiao incidente, como
pode ser observada na equao :
rms
rmsi P
IR = [3.50]
portanto
2T
2R
i1G
A)T(pR
+
=
[3.51]
sendo Ta constante de tempo trmica, que obtida pela equao:
RT G/H= [3.52]
Graficamente a responsividade de corrente em funo da freqncia
representada na Figura 3.14.
=1/T log
log Ri
Fig. 3.14: Responsividade de corrente em funo da freqncia.
Para freqncia >>1/T, a equao 3.51 se reduz a:
dc
)T(pR
vi
= [3.53]
-
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3.6.1.2. Respon siv id ade da tenso (CARVALHO,1987)
Representando-se o detector piroeltrico como um capacitor Cd em
paralelo com uma resistncia Rd, a carga alternada nos eletrodos ser equivalente a uma
fonte de corrente id em paralelo com a capacitncia. Conectando-se o detector
piroeltrico a um amplificador, cuja impedncia de entrada representada por uma
capacitncia CA em paralelo com uma resistncia RA, o sinal de tenso observado
igual a tenso produzida pela carga Q(,t). A Figura 3.15 representa o circuito eltrico
constitudo pelo detector piroeltrico e o amplificador.
idCd Rd CARA
V
detector amplificador
Fig. 3.15: Circuito eltrico equivalente do detector piroeltrico e amplificador.
Associando as resistncias Rde RAem paralelo tem-se uma resistncia
equivalente R. Fazendo o mesmo com as capacitncias envolvidas no circuito tem-se
uma capacitncia equivalente C. Desta forma o circuito equivalente representado na
Figura 3.15 fica reduzido a uma resistncia R em paralelo com a capacitncia C, como
representado na Figura 3.16.
Fig. 3.16: Circuito eltrico equivalente do detector piroeltrico e amplificador
A partir do circuito da Figura 3.16 tem-se que a tenso V obtida por:
ZiV d= [3.54]
sendo Z a impedncia equivalente do circuito, que dada por:
-
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50
1
)Cj1(RZ
22E +
= [3.55]
cujo mdulo apresentado na equao :
22E1
RZ
+=
[3.56]
sendo CRE = , a constante de tempo eltrica.
Portanto a tenso V determinada por
22E
d1
RiV
+=
[3.57]A responsividade de tenso definida pela relao entre a tenso de sada V e a
potncia de radiao P, portanto:
P
VRV= [3.58]
ou seja a responsividade de tenso determinada por
2E
22T
2R
V11GRA)T(pR
++=
[3.59]
para >>1/Te >>1/E, a equao 3.59 reduzida para (LIU,1978,CARVALHO,
1987):
CH
A)T(pRV
= [3.60]
O grfico a seguir, Figura 3.17, representa o
comportamento da responsividade de tenso em funo da freqncia.
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51
=1/T log
log RV
=1/E
Fig. 3.17: Responsividade de tenso em funo da freqncia.
3.6.1.3. Princ ipai s f on tes d e rudo
Como foi escrito anteriormente a eficincia de um detector
piroeltrico estimada em termos da mnima potncia incidente detectvel. Segundo
Cooper e posteriormente destacado por Liu e Carvalho em trabalhos separados, essa
mnima potncia detectvel depende da responsividade e do rudo gerado no detector e
seu amplificador (COOPER,1962, LIU,1978,CARVALHO,1987).
Nessa seo faz-se uma breve descrio das principais fontes de rudo
envolvidas no processo de deteco piroeltrica.
i) Rudo trmico ou de radiao
A Figura 3.18 apresenta de forma simplificada o circuito equivalente
trmico que ilustra um elemento piroeltrico de condutncia trmica G e capacidade
trmica H, acoplado a um dissipador de grandes dimenses de temperatura T. Devido ao
contato entre o elemento piroeltrico e o dissipador a temperatura do detector tender a
T.
radiao
elementopiroeltrico
Dissipadorde calor
Fig. 3.18: Circuito equivalente trmico. (LUDLOW,1967)
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No instante em que o equilbrio trmico for estabelecido o fluxo de
potncia mdia entre o elemento piroeltrico e o dissipador ser nulo. Sendo a radiao
incidente no elemento piroeltrico modulada de freqncia , haver um espectro de
flutuao cujo valor eficaz dado por (CARVALHO,1987):
GT4P 2T = [3.61]
sendo PTa variao de potncia trmica entre o corpo e o dissipador, constante de
Boltzmann e G valor mnimo que a condutncia trmica GRpode assumir.
Considerando-se o detector envolvido por um corpo negro o valor
mnimo que G pode assumir igual GR.
A tenso de rudo de temperatura produzida por PT dada por:
= TVTP
RV [3.62]
ii) Rudo dieltrico
O detector dieltrico comporta-se como um capacitor de capacitncia
C com perda dieltrica tg, levando a uma condutncia equivalente igual a tgC (TA,
1938), a tenso de rudo gerada na condutncia dada por:
=tgC
T4VD [3.63]
iii) Rudo do amplificador
O rudo atribudo ao amplificador pode ser representado por uma
combinao de uma fonte de tenso VA, em srie com a entrada, e por uma fonte de
corrente iA, em paralelo com a entrada, como representado na figura 3.19. A fonte de
tenso representa as fontes de rudo que so independentes dos circuitos conectados na
entrada do amplificador e as fontes de corrente representam as fontes de rudo que
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dependem da impedncia dos circuitos conectados na entrada do amplificador
(WHATMORE,1986).
DETECTOR
AMPLIFICADOR
iD ZD iA ZA
VA
Fig. 3.19: Circuito equivalente de rudo do detector com o amplificador.
De acordo com Putley, iApode ser substituda por uma fonte de tenso
equivalente VA, que determinada por (PUTLEY,1972):
2E
2
AA
1
iRV
+=
[3.64]
iv) Rudo Johnson
Devido a agitao trmica dos eltrons no interior de uma resistncia
tem-se um rudo denominado rudo Johnson. A tenso de rudo Johnson est associada a
resistncia R apresentada na Figura 3.16, sendo seu valor dada por (WHATMORE,
1986):
RBT4VJ = [3.65]
sendo B a largura de faixa de freqncia.
3.6.1.4. Potnc ia eq u ivalen te d e rudo
A sensibilidade de detector piroeltrico geralmente determinada pela
sua potncia equivalente de rudo, NEP. Esta a potncia incidente necessria para
gerar um sinal igual tenso eficaz de rudo, ou seja:
V
N
R
VNEP
= [3.66]
-
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sendo RVa responsividade de tenso e VNo valor eficaz da tenso total de rudo, que
determinada pela equao :
2D
2A
2J
2TN VVVVV +++= [3.67]
supondo que as fontes de rudos sejam independentes.
Contudo, com o objetivo de considerar uma figura de mrito que
aumente em vez de diminuir com a melhora do desempenho do detector define-se a
detectividade como sendo o inverso da potncia equivalente de rudo, equao 3.68.
NEP
1D=
[3.68]
Com um refinamento adicional o desempenho do detector piroeltrico
tambm pode ser avaliado atravs de sua detectividade normalizada, definida na
equao 3.69 (BEERMAN,1969):
NEP
AD* = [3.69]
sendo A a rea do detector.
A principal razo para utilizao da detectividade
normalizada que se o rudo dieltrico for dominante (o que usual) o NEP
proporcional a A1/2tal que D* dependente da rea e pode ser utilizado para comparar
detectores com reas diferentes (BEERMAN,1969).
3.6.2. Detec to r p ir oeltr ic o no ideal
Na prtica a performance de um detector piroeltrico comprometida
por alguns fatores, como por exemplo, o tipo de material piroeltrico utilizado, o
mtodo de montagem do detector, o amplificador, a forma como foi encapsulado, as
contribuies do eletrodo frontal e do substrato (backing) (CHYNOWTETH,1956).
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A energia da radiao absorvida pode ser dissipada no somente por
radiao, mas tambm por conduo e conveco. A eficincia depende do eletrodo
frontal e do material piroeltrico utilizado no detector.
Liu e Long em 1978 apresentaram o esquema de um detector
piroeltrico no ideal constitudo de quatro camadas, vide Figura 3.20. A primeira
camada metlica e enegrecida, a segunda camada o elemento piroeltrico, a terceira
camada o substrato e a quarta camada o dissipador de calor .
1 camada
RADIAO
2 camada
3 camada
4 camada
Fig. 3.20: Diagrama esquemtico da configurao de detector piroeltrico no ideal.
Supondo que o elemento piroeltrico e sua camada enegrecida sejam
planos e que suas dimenses laterais e o dimetro do feixe incidente da radiao sejam
muito maiores que as espessuras, pode-se utilizar a teoria unidimensional da conduo
de calor. Nestas condies, a variao de temperatura na camada correspondente ao
detector piroeltrico, dada por (LIU; LONG,1978):
)t,z(TzC
K)t,z(T
t ii2i
2
V
iii
i
=
[3.70]
i=1,2,3
sendo K a condutividade trmica, CVo calor especfico a volume constante e i a camada
correspondente.
A responsividade de corrente do detector piroeltrico dada por:
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Mv
,i Rbc
)T(pR
= [3.71]
sendo RMa responsividade de corrente normalizada e b a espessura do detector. (LIU;
LONG,1978).
3.7. Rad iao in fr av ermelho e Rad iao X
Nesta seo, faz-se um breve estudo sobre a radiao infravermelho e
a radiao X no que tange os aspectos tericos fundamentais e a deteco dessas bandas
do espectro eletromagntico. Na Figura 3.21 apresenta-se o espectro eletromagntico
onde se observa a faixa de freqncia e comprimento de onda para radiao
infravermelha e radiao X.
Fig. 3.21: Espectro eletromagntico.
Antes de se entrar no estudo dos detectores e sua caracterizao, deve-
se situar alguns aspectos tericos importantes da radiao infravermelha e da radiao
X. No caso do infravermelho, existem algumas lacunas, onde a atmosfera terrestre
permite a passagem de grande parte da radiao infravermelha incidente. Este fato
motivador para o estudo proposto. Para radiao X, destaca-se sua aplicao,
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principalmente na rea mdica, onde utiliza os raios X na faixa de diagnstico e na faixa
de ortovoltagem.
3.7.1. Rad iao in frave rmelh o
No ano de 1800 William Herschel, astrnomo ingls, procurou
descobrir a partir de um experimento que decompunha a luz solar por intermdio de um
prisma, qual das cores do arco-ris um termmetro era mais sensvel. Herschel
observou que todas as cores aqueciam o termmetro, mas quando se aproximava da cor
vermelha o aquecimento era mais evidente. Observou ainda que o termmetro aquecia-
se mais quando exposto a parte escura que ia alm do extremo vermelho do espectro. A
experincia de Herschel revelou a existncia do que hoje se conhece como faixa do
infravermelho do espectro eletromagntico. importante salientar que o termmetro foi
o primeiro sensor utilizado na investigao dessa radiao eletromagntica. (HUDSON,
1975)
Fig. 3.22.: Experimento pioneiro realizado por William Herschel, que levou ao que hoje se conhece porinfravermelho (BOSCHETTI,1998).
Em 1929, Nobili, como citado por Hudson, desenvolveu o primeiro
termopar fundamentado na descoberta do efeito termoeltrico (NOBILI, 1929 apud
HUDSON, 1975). E em 1933 Melloni, como citado por Hudson, construiu a primeira
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termopilha associando vrios termopares em srie e com isso obteve um dispositivo
mais sensvel que o melhor termmetro da poca. (NOBILI, 1929 apud. HUDSON,
1975)
Langley em 1880, citado por Hudson, com o objetivo de estudar os
efeitos da energia solar na temperatura da Terra desenvolveu um detector que tinha sua
resistncia eltrica modificada de acordo com sua temperatura. Assim foi desenvolvido
o primeiro bolmetro, com sensibilidade 30 vezes maior que a termopilha.(LANGLEY,
1880 apud. HUDSON, 1975)
Em 1917, Case, citado por Hudson, introduziu o primeiro detector
quntico sensvel radiao infravermelha. Neste detector os ftons incidentes
interagem diretamente com a estrutura eletrnica do detector. Este tipo de detector teve
grande avano durante e depois da segunda guerra mundial, resultando em dispositivos
sensveis a toda banda de infravermelho do espectro eletromagntico(CASE, 1917 apud
HUDSON,1975).
Em 1938, Ta e posteriormente Chynowteth em 1956, Cooper em 1962
Ludlow 1967, utilizaram a radiao infravermelha para estudar o efeito piroeltrico.
Praticamente deu-se incio a utilizao de detectores piroeltricos na deteco de
radiao infravermelha. Ludlow, em seu trabalho apresentou uma cmara, Figura 3.23,
onde o elemento piroeltrico era depositado e acoplado a um amplificador. Essa cmara
mais tarde foi denominada cmara piroeltrica (LUDLOW1967).
Fig. 3.23: Diagrama esquemtico de um detector piroeltrico (LUDLOW1967).
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Beerman, em 1967, fez um estudo comparativo entre vrios materiais,
com objetivo de avaliar seus desempenhos na deteco de radiao infravermelha. Entre
os materiais utilizados destacou-se o sulfato de triglicerina, TGS .
Em 1972 Putley e seu colaboradores destacaram a possibilidade de
utilizao do efeito piroeltrico para a deteco de imagens trmicas. Dois sistemas
foram utilizados para efeito de comparao. No primeiro foi utilizado uma cmara
piroeltrica com TGS como elemento piroeltrico. No segundo foi utilizado um
dispositivo semelhante ao tubo de imagem de uma televiso, denominado pyroelectric
vidicon .
Em 1981, Hadni destacou vrias aplicaes para os detectores
piroeltricos, entre elas a deteco do infravermelho. Hadni em suas experincias, assim
como Putley utilizou o pyroelectric vidicon .
Em 1986, Coufal utilizou o copolmero PVDF como detector
piroeltrico para ondas trmicas. Resultados interessantes foram encontrados e o PVDF
apresentado como excelente detector para aplicaes fototrmicas .
Hussain e seus colaboradores, em 1995, apresentaram um estudo de
aplicao do detector piroeltrico no monitoramento e deteco de trfego veicular. O
estudo revela a possibilidade de utilizao do detector piroeltrico em temperatura
ambiente .
Em 1999, Sakamoto e seus colaboradores analisaram a responsividade
de tenso em funo da freqncia de um detector piroeltrico. O detector utilizado era
constitudo de um compsito obtido a partir da mistura de material cermico, PZT e de
um polmero PU (poliuretana). O trabalho apresenta a possibilidade de utilizao de
compsitos como detector piroeltrico .
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Devido a sua flexibilidade, resistncia mecnica e atividade
piroeltrica os compsitos ferroeltricos tornaram-se uma opo interessante na
deteco de radiao (STADLOBERet al.,2006).
3.7.2. Rad iao X
Em 1895, Roentgen, acidentalmente, descobriu os raios X quando
fazia experincias com raios catdicos, que eram produzidos em um tubo de vidro,
evacuado, com dois eletrodos. Os raios catdicos (eltrons) movimentavam-se do
eletrodo negativo (catodo) para o eletrodo positivo (anodo) ou ainda para as paredes do
tubo. Certa ocasio Roentgen observou um brilho em uma pea de vidro que estava bem
prximo do tubo. Mesmo quando colocava um anteparo enegrecido entre a pea e o
tubo o brilho continuava existindo. Roentgen atribuiu o surgimento desse brilho a uma
radiao desconhecida, que era penetrante o suficiente para atravessar anteparos
enegrecidos. Roentgen ficou entusiasmado com sua descoberta e em menos de um ms
registrou em filme a imagem da mo de sua esposa. Esta seria a primeira radiografia de
um ser humano. A Figura 3.24 apresenta o equipamento desenvolvido e