Este proyecto tiene como objetivo desarrollar sensores piezoeléctricos lead-free basados en BaTiO3 (titanato de bario), mediante rutas de sinterización controladas, caracterización experimental y validación metrológica. Se integran técnicas de procesamiento de materiales, análisis eléctrico y modelado físico para obtener sensores cuantitativos y reproducibles.
El objetivo central del proyecto es desarrollar un proceso de manufactura trazable, reproducible y altamente controlado para la fabricación de sensores piezoeléctricos basados en BaTiO3 (titanato de bario), de tal manera que las propiedades finales del sensor sean estables, consistentes y repetibles entre lotes.
A diferencia de enfoques tradicionales donde el desempeño del BaTiO3 presenta alta variabilidad, este proyecto aborda el problema desde un control integral del proceso, cubriendo cada etapa:
- Selección, síntesis o adquisición del polvo de BaTiO3
- Control de composición y dopado
- Conformado mecánico (presión, geometría)
- Sinterización (perfil térmico, rampas, tiempos)
- Tratamientos posteriores (poling)
- Caracterización y validación metrológica
El resultado esperado es la obtención de sensores piezoeléctricos que no solo funcionen, sino que presenten comportamiento predecible y verificable, con evidencia clara de repetibilidad experimental.
Se busca que el BaTiO3 y los sensores fabricados cumplan con características clave como:
- Coeficiente piezoeléctrico (d33) reproducible entre muestras
- Bajas pérdidas dieléctricas (tan δ) para mayor eficiencia
- Alta linealidad en la relación fuerza–voltaje
- Estabilidad temporal (mínima deriva en el tiempo)
- Microestructura controlada (tamaño de grano uniforme y baja porosidad)
- Alta densificación (≥ 95%)
- Respuesta en frecuencia conocida y controlada (resonancias identificadas)
- Alto factor de calidad (Q-factor) en operación
- Baja histéresis y ruido en mediciones
- Curvas de calibración trazables con estimación de incertidumbre
Desarrollar e implementar un proceso integral, trazable y reproducible para la manufactura de sensores piezoeléctricos basados en BaTiO3, que permita obtener dispositivos con propiedades estables, comportamiento predecible y desempeño cuantificable, mediante el control detallado del procesamiento, la microestructura, la caracterización eléctrica y la validación metrológica.
- Optimización del material: Mejorar la respuesta piezoeléctrica (d33), linealidad y estabilidad.
- Control microestructural: Relacionar tamaño de grano y densificación con desempeño.
- Caracterización eléctrica: Medir permitividad, pérdidas y respuesta piezoeléctrica.
- Análisis de resonancia: Identificar modos de operación y ventanas de frecuencia útiles.
- Calibración del sensor: Generar curvas fuerza–voltaje con estimación de incertidumbre.
- Modelado predictivo: Validar modelos FEM para optimizar geometría y comportamiento.
Fase 0 - Estado del arte:
- Revisión técnica de piezoelectricidad en BaTiO3 y materiales PZT.
- Análisis de métodos de medición (d33, εr, tan δ) y buenas prácticas metrológicas.
- Identificación de brechas en reproducibilidad, trazabilidad y calibración de sensores.
Fase 1 - nivelación: diseño de experimentos & seguridad:
- Definición y validación del DOE considerando variables de procesamiento.
- Establecimiento de protocolos de seguridad para manejo de polvos cerámicos, hornos y fuentes de alto voltaje.
- Alineación del equipo en criterios experimentales, riesgos y uso de herramientas (Git y documentación).
Fase 2 - revisión de cálculos y memoria de manufactura:
- Revisión y ampliación de la memoria de cálculo para probetas (uniaxiales e isostáticas).
- Diseño conceptual del proceso de manufactura y del prototipo de sinterización.
- Definición del sistema de trazabilidad y codificación de muestras.
Fase 3 - investigación: cristal, dopaje y adhesivos:
- Estudio de la estructura cristalina del BaTiO3 y su relación con propiedades piezoeléctricas.
- Análisis de dopantes y su impacto en el desempeño del material.
- Evaluación de adhesivos y materiales auxiliares para integración del sensor.
- Documentación técnica de resultados experimentales y revisión de literatura aplicada.
Fase 4 - caracterización pzt existente & banco de resonancia:
- Análisis de sensores PZT comerciales como referencia experimental.
- Caracterización microestructural (SEM) y estructural (XRD).
- Diseño e implementación de un banco de pruebas para análisis de resonancia.
- Validación experimental del comportamiento dinámico y comparación con estándares comerciales.
Fase 5 - fabricación de probetas de BaTiO₃ (si el semestre lo permite):
- Adquisición y preparación de materias primas.
- Fabricación de probetas mediante compactación y sinterización controlada.
- Evaluación de densidad (método de Arquímedes) e inspección de calidad.
- Caracterización microestructural inicial (SEM/XRD).
- Documentación de resultados y consolidación del repositorio del proyecto.
Fase 6 - modelado físico-químico y análisis de datos:
- Modelado del proceso de sinterización y dopaje (difusión, energía de formación).
- Simulación FEM del comportamiento térmico y piezoeléctrico.
- Desarrollo de pipeline automatizado para análisis de datos experimentales.
- Optimización del DOE mediante métodos estadísticos (RSM).
- Correlación multivariable entre procesamiento, microestructura y propiedades finales.
- Gmsh
- Julia