Strutture laminari composite attive in torsione per il sensing di campi magnetici statici

Al fine di indurre un elemento prismatico laminare ad assumere e mantenere stati di vibrazione torsionale occorre agire dall’esterno con azioni tese ad allontanarlo dalla sua condizione iniziale di quiete e a fornirgli l’energia sufficiente a rimpiazzare quella dissipata. Cio` avviene in molteplici modi che in generale comportano l’accoppiamento a dispositivi trasduttori in grado di applicare all’elemento coppie torcenti dinamiche con meccanismi di attuazione che operano sfruttando fenomeni piezomagnetici, elettromagnetici, piezoelettrici. Le soluzioni realizzative che consentono tale accoppiamento sono diverse; una interessante riguarda la creazione delle condizioni di torsione agendo direttamente dalla superficie della lamina anzichè mediante l’applicazione di momenti torcenti alle sue estremità. E` proprio questo il caso dell’elemento che nel presente lavoro e` stato impiegato come lamina vibrante in torsione. Esso e` il risultato di un progetto, elaborato e realizzato presso il Laboratorio Sensori del Dipartimento di Fisica di Modena [1,2], che si avvale delle proprietà piezoelettriche di un materiale ferroelettrico (Titanato-Zirconato di Piombo – PZT), in forma di pasta, e delle potenzialità della tecnologia screen-printing. L’elemento vibrante e` una lamina ceramica di Allumina (96% di Al2O3), a sezione rettangolare costante e lunghezza molto maggiore delle altre due dimensioni, che viene indotta in torsione agendo direttamente dalla sua superficie su una porzione della quale è realizzato uno strato piezoelettrico munito di un adeguato sistema di elettrodi metallici mediante la tecnologia screen-printing. Tale tecnologia prevede il trasferimento ad un substrato isolante di materiale in forma di pasta o inchiostro mediante un processo meccanico di stampa attraverso uno schermo con aperture che definiscono il disegno geometrico del deposito. Il materiale è composto da una miscela di polveri inorganiche disperse in un materiale organico che conferisce all’insieme caratteristiche reologiche necessarie per conservare, durante il trasferimento, la forma finale che si intende conferire allo strato. In questo caso la miscela inorganica e` composta da due componenti: una, funzionale, costituita da grani submicrometrici di PZT e l’altra, legante, che consiste in una polvere micrometrica di Ossido di Piombo in proporzioni definite. Segue una fase di cottura in aria ad una temperatura massima compresa tra 800 e 1000oC (firing), secondo un determinato profilo termico, al compimento del quale risulta un film consolidato con la lamina stessa. Grazie alla flessibilità della tecnologia, la configurazione finale dello strato piezoelettrico è raggiunta con successive e parziali deposizioni e relativi trattamenti termici della pasta di PZT. In una fase intermedia del processo e` realizzato il sistema di elettrodi mediante il trasferimento alla superficie di un parziale deposito del materiale elettrodico, una pasta metallica in cui sono dispersi grani micrometrici di argento. In tal caso la specifica geometria delle aperture presenti nello schermo consente un deposito che, a seguito del processo di firing, risulta in un sistema di elettrodi complanari interdigitati. Con questa configurazione e` possibile imporre al materiale inter-elettrodico una polarizzazione complessiva parallela alla superficie della lamina sottoponendo lo strato ad un procedimento di prepolarizzazione (poling) mediante l’azione di un campo elettrico esterno. Lo strato e` scaldato ad una temperatura inferiore al punto di Curie del materiale e tra i suoi elettrodi e` applicata e mantenuta nel tempo una differenza di potenziale costante che viene rimossa al raggiungimento, per raffreddamento, della temperatura ambiente. Con questo procedimento la polarizzazione spontanea dei domini, presenti in ciascuno grano ferroelettrico, viene “recuperata” alla scala macroscopica riorientandosi lungo una direzione coincidente o prossima a quella del campo esterno lasciando così polarizzato lo strato.