Un trasduttore piezoelettrico è un dispositivo che trasforma un tipo di energia in un altro sfruttando le proprietà piezoelettriche di alcuni cristalli o altri materiali. Quando un materiale piezoelettrico è sottoposto a sollecitazione o forza, genera un potenziale elettrico o una tensione proporzionale all’entità della forza. Ciò rende questo tipo di trasduttore ideale come convertitore di energia meccanica o forza in potenziale elettrico.
L’elevata sensibilità dei trasduttori piezoelettrici li rende utili nei microfoni, dove convertono la pressione sonora in tensione elettrica, nelle bilance di precisione, negli accelerometri e rilevatori di movimento, e come generatori e rilevatori di ultrasuoni. Sono inoltre utilizzati nei controlli non distruttivi, nella generazione di alte tensioni e in molte altre applicazioni che richiedono il rilevamento preciso del movimento o della forza.
L’effetto piezoelettrico funziona anche al contrario, in quanto una tensione applicata a un materiale piezoelettrico farà piegare, allungare o deformare in altro modo quel materiale. Questa deformazione è solitamente molto leggera e proporzionale alla tensione applicata, quindi l’effetto inverso offre un metodo di movimento di precisione sulla microscala. Un trasduttore può quindi essere utilizzato come attuatore per l’esatta regolazione di strumenti ottici fini, laser e microscopi a forza atomica.
Questi dispositivi possono essere utilizzati sia come sensori che come attuatori, quindi sono indicati come trasduttori, un termine applicato a qualsiasi dispositivo in grado di convertire una forma di energia in un’altra. Di conseguenza, sia i sensori piezoelettrici che gli attuatori piezoelettrici rientrano in questa voce. Il sensore trasforma l’energia meccanica in potenziale elettrico e l’attuatore converte l’energia elettrica in forza meccanica o movimento.
La tensione generata dai trasduttori piezoelettrici può essere piuttosto elevata, spesso dell’ordine di migliaia di volt, ma è breve, manifestandosi solo quando il materiale è inizialmente deformato. Questo li rende utili negli accendisigari elettronici e negli accenditori a pulsante per cucine a gas e griglie. In queste applicazioni, premendo un pulsante si attiva un piccolo martello a molla, che colpisce un materiale piezoelettrico e genera una tensione sufficiente a far saltare un arco elettrico tra gli elettrodi esposti dell’accenditore.
Originariamente pensato per essere una proprietà solo di tipi specifici di cristalli come quarzo e topazio, i progressi nella scienza dei materiali hanno portato alla creazione di polimeri e ceramiche che mostrano anche proprietà piezoelettriche. In effetti, il materiale piezoelettrico più comune attualmente in uso è il titanato di zirconato di piombo ceramico artificiale, noto come PZT. Questo materiale ha la capacità di fornire il doppio della tensione del quarzo sotto una data forza.
Questi trasduttori sono semplici, affidabili e molto robusti, quindi trovano ampio utilizzo nell’industria, nella medicina e nel lavoro aerospaziale. Non sono influenzati dai campi elettromagnetici esterni e quindi possono essere utilizzati in applicazioni in cui i sensori elettronici potrebbero guastarsi. Sono stabili in un ampio intervallo di temperature, ma possono essere influenzati da un uso prolungato a causa delle alte temperature.