Un sensore piezoelettrico è un dispositivo che misura la pressione o la deformazione utilizzando la piezoelettricità, un fenomeno in cui determinati materiali possono generare una corrente elettrica quando deformati. Quindi un sensore piezoelettrico può convertire la forza esercitata su di esso da compressione, impatto, accelerazione o vibrazione in un segnale elettrico la cui forza è proporzionale alla forza della forza. Esistono numerosi materiali naturali che dimostrano questo effetto, in particolare quarzo e tormalina. I materiali piezoelettrici possono anche essere sintetizzati industrialmente. I materiali piezoelettrici sintetici possono essere materiali monocristallini simili ai cristalli naturali ma con proprietà migliorate, come i cristalli di fosfato di gallio; materiali piezoceramici come il titanato di zirconato di piombo (PZT), che può essere prodotto a basso costo mediante sinterizzazione o riscaldamento di ingredienti in polvere in un forno; e polimeri come il fluoruro di polivinilidene (PVDF) che possono essere trasformati in film sottili e flessibili.
Il segnale elettrico generato dai sensori piezoelettrici diminuisce rapidamente dopo la prima applicazione della forza. Ciò significa che non sono adatti a misurare una forza statica; tuttavia, sono eccellenti per misurare forze di brevissima durata, come le forze di impatto. I sensori a cristallo singolo e piezoceramici sono molto rigidi e hanno una frequenza naturale molto elevata. La frequenza naturale di un sensore impone limitazioni al suo utilizzo, in quanto si verificheranno errori di misurazione quando la frequenza della vibrazione da misurare è vicina a quella del sensore. Tuttavia, l’elevata frequenza naturale di un sensore piezoelettrico consente di misurare con precisione frequenze molto elevate. Ciò significa che può essere utilizzato per rilevare modelli di vibrazione insoliti che potrebbero essere causati da difetti di materiali e componenti.
L’elevata rigidità dei sensori a cristallo singolo e piezoceramici significa che spesso hanno proprietà fisiche simili ai materiali, come l’acciaio, da cui sono realizzati strumenti e macchine. I sensori possono quindi essere incorporati in strumenti e macchinari come parte della loro struttura, in modo che possano essere costruiti con sensori integrati. Questo tipo di sensore piezoelettrico è anche molto robusto, essendo in grado di gestire forti forze di impatto e di operare efficacemente ad alte temperature, ed è utilizzato in molte applicazioni industriali per misurare la pressione e la deformazione sui materiali. Possono anche essere usati per misurare l’accelerazione: quando un oggetto accelera, esercita una forza nella direzione opposta che può essere misurata da un sensore.
I sensori piezoelettrici hanno una vasta gamma di altre applicazioni. Un’applicazione comune è nei microfoni, dove la forza esercitata dalle onde sonore viene convertita in segnali elettrici e registrata o amplificata. I materiali piezoelettrici flessibili e leggeri come il PVDF possono essere utilizzati in touch screen e touch pad e hanno anche applicazioni nella ricerca scientifica. Ad esempio, minuscoli sensori possono essere collegati a piccoli animali e persino insetti per monitorarne l’attività e il comportamento.