Cerâmicas Eletrônicas: Usos e Propriedades

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3. CERÂMICAS ELETRÔNICAS: QUESTÕES E RESPOSTAS
Fonte:
3. Electronic Ceramics: Questions and Answers, p. 74-109, in: Introduction to Fine Ceramics, Edited by Noboru Ichinose, John Wiley & Sons Ltd., Chichester, New York, Brisbane, Toronto, Singapore, 1987.
	O capítulo 3 trata das cerâmicas eletrônicas. Dentre as cerâmicas eletrônicas, materiais magnéticos tais como ferritas e cerâmicas piesoelétricas serão abordadas em primeiro lugar. Ferritas são usadas em absorvedores de ondas de rádio, núcleos magnéticos para aceleradores, etc. Existem abundantes usos para cerâmicas piesoelétricas em dispositivos de ignição, transformadores, ressonadores, etc. A seguir, as cerâmicas usadas em semicondutores serão tratadas – de vários pontos de vista, incluindo usos como sensores de temperatura, gás, umidade, etc., bem como elementos de aquecimento e outros usos. Usos de cerâmicas óticas, alumina transparente, etc., têm se tornado comum, de modo que estes também serão mencionados.
3.1 – PODEM CERÂMICAS ABSORVER A ENERGIA DE RAIOS?
	Se o raio atingir uma linha de transmissão de energia elétrica, haverá um surto ("surge") de alta voltagem que destruirá o isolamento em transformadores, disjuntores ("circuit breakers"), e assemelhados, e resultará numa falha massiva de potência elétrica. O que protege o aparelho de potência em relação a este tipo de surto é o para-raio ("lightning arrester"). Um para-raio consiste de uma série intervalos (trechos, vãos, "gaps") com circuito elétrico instalado para descarga de surtos elétricos apenas e um elemento especial que suprime elevação de voltagem por meio de suas próprias propriedades voltagem-corrente. O para-raio mantém a voltagem normal no sistema de potência com uma série de trechos (intervalos, "gaps") de isolamento, age instantaneamente para suprimir o excesso de voltagem no caso de um surto, e suprime subidas anormais na voltagem de todo o sistema.
Figura 3.1 – O raio é aprisionado por cerâmica.
	O elemento especial que regula a voltagem e tem propriedades corrente-voltagem é uma cerâmica que absorve a energia do raio, e o material chamado SiC é usado para fabricá-lo. Este dispositivo SiC é feito por sinterização de partículas de SiC de cerca de 200 μm em tamanho com um ligante, e este produto mostra características não-lineares corrente-voltagem por causa dos contatos pontuais entre as partículas de SiC. Uma vez que estas características corrente-voltagem não-lineares não são devidas a nenhuma correlação com a lei de Ohm, V = IR, resulta a distinta situação não-ôhmica mostrada na Figura 3.2. Por causa disto, como mencionado acima, quando uma alta voltagem é aplicada através do dispositivo, o surto de corrente se escoa através do dispositivo, de maneira que a voltagem em ambos os lados da junção é suprimida até a voltagem determinada pela resistência da junção no tempo da corrente máxima. Recentemente (em 1987) um dispositivo alternativo em relação ao SiC tem sido considerado; ele é um dispositivo de ZnO, composto principalmente de óxido de zinco (ZnO). Neste dispositivo, partículas cristalinas de 10 μm estão circundadas por aproximadamente 0,1 μm de óxido de bismuto ou alguma outra fina camada de óxido de alta resistência, e estas camadas de contorno de grão formam estreitamente aderidas superfícies de contato tridimensionais que dão origem às características corrente-voltagem nitidamente não lineares. Com esta não linearidade, um dispositivo de 63 mm de diâmetro, 20 mm de espessura mostra uma extremamente baixa elevação de voltagem de 1,6 vezes com uma mudança em corrente de 8 dígitos, 10-3 para 105A. Por causa disto, dispositivos de ZnO têm uma excelente capacidade para surtos elétricos causados por raios; assim, o dispositivo pode ser pequeno em comparação com aquele feito de SiC, e um para-raio de um sétimo do tamanho é possível. 
Figura 3.2 – Características voltagem-corrente das junções de ZnO e de SiC.
	Mesmo na condição onde a voltagem do sistema é aplicada através do dispositivo, uma condição isolante pode ser mantida porque existe um baixo vazamento de corrente. Não há nenhuma necessidade para uma série de lacunas ("gaps"). Nestes caminhos, o para-raio de ZnO possui muitas excelentes propriedades, mas uma vez que a matéria-prima, o pó de ZnO, é usado maquiagem facial e pós de bebê, é difícil imaginar a partir da concepção atual (1987) comum as características do produto sinterizado .
	Um para-raio de ZnO é superior àqueles atuais (em 1987) compostos de uma série de lacunas de circuito elétrico instalado ("series-wired gap) e uma junção SiC, uma vez que a transmissão de corrente contínua é possível. Os métodos disponíveis para a transmissão da potência elétrica são transmissão em corrente alternada, que é atualmente (1987) usado, e transmissão em corrente contínua, que é boa para transmissão em longa distância, por causa da baixa perda de energia durante a transmissão. Existem planos para transmissão em corrente contínua no Japão. Uma série de lacuna com circuito elétrico instalado ("series-wired gap") não pode ser usado como um interceptor com corrente contínua, e portanto a emergência do para-raio de ZnO poderia significar muito.
3.2 – COMO CERÂMICAS PODEM ABSORVER ONDAS DE RÁDIO?
	Ferritas são cerâmicas que podem absorver ondas de rádio. Absorção de ondas de rádio é absorção de energia eletromagnética; em outras palavras, é necessário que o material cause uma perda. Em geral, ‘bons materiais’ normalmente causam pouca perda de energia, mas neste caso é justo o contrário e a perda é posta em uso construtivo. Existem três tipos de perda eletromagnética em cerâmicas: (i) perda ôhmica em resistores, (ii) perda dielétrica em indutores e (iii) perda magnética em substâncias magnéticas. Entre as substâncias usadas para resistores de perda ôhmica se encontra a espuma poliestireno com pó de carbono dentro dele. A 100 MHz, a espessura é de cerca de 1,5 m, mas seu peso baixo e características de banda larga tornam-no útil para salas escuras de rádio. Materiais usados para perda dielétrica incluem materiais de óxido de titânio e bário que se encontra em fabricação tentativa (em 1987), mas ainda não foram ainda colocados em uso prático. Ferritas fazem uso da perda magnética. Ferritas mostram perdas em bandas que vão desde UHF até SHF e vale a pena notá-las como finos absorvedores de ondas de rádio. Elas têm aplicação prática na prevenção de linhas fantasmas em televisão. Com o contínuo crescimento de prédios altos em cidades, obstáculos que refletem ondas de rádio VHF usadas para sinais de televisão estão crescendo. Como um método preventivo, instalações de teste de ferritas absorvedoras de onda de rádio nas paredes externas de prédios têm sido executadas. Mas as ferritas usadas têm uma densidade relativa de 5 e uma espessura de 1 cm é necessária; portanto, quando 1 m2 for colocado representa um peso de 50 kg, que é considerável. Em consideração da real trabalhabilidade, o desenvolvimento de paredes absorventes do tipo parede de cortina está acontecendo (em 1987). Ladrilhos de ferrita de 10 cm x 10 cm x 1 cm são assentados em séries contínuas na direção do campo magnético e espaço vazio é deixado na direção do campo elétrico. No espaço vazio, podem ser arranjados parafusos e porcas que oferecem um meio prático de instalação.
Tabela 3.1 – Características de vários tipos de absorvedores.
	Frequência de absorção
	Absorvedor
	Espessura de absorvedor
	2000 MHz e abaixo
	Absorvedor de ferrita
	10mm ou mais inversamente proporcional à frequência
	De 4000 MHz até 8000 MHz
	Ferrita emborrachada
	10 mm ou mais inversamene proporcional à frequência
	8000 Hz e acima
	Borracha de carbono
	2-3 mm
	Entretanto, é lamentável que exista no presente (1987) nenum sucesso prático no uso de absorvedores de onda de rádio. Se um bom material com 10 vezes maior perda mgnética, uma espessura de 1 mm e um peso de 5 kg fosse encontrado e se o problema do custo fosse resolvido, as possibilidades para uso prático se tornariammaiores. De novo, embora eles não estejam atualmente em uso, existe um exemplo de um estudo para uma aplicação prática. Este é a investigação do uso dos absorvedores de onda de rádio como uma contra-medida ao congestionamento de sinal que se espera que seja causado pela Ponte Honshi, a mais larga ponte planejada para conectar as ilhas japonesas de Honshu e Shikoku. Com frequências na banda-X, cerca de 10 GHz, a instalação de uma ferrita emborrachada e de um carbono emborrachado numa espessura de cerca de 2mm a 3mm foi considerado possível. Ambos os materiais são macios e é possível fabricar unidades grandes. Entretanto, quando problemas de trabalhabilidade são considerados, verifica-se que eles não podem ser aplicados como tinta; portanto, uma atitude de espera e observação foi tomada uma vez que não havia mais nada com uma perda magnética tão grannde assim.
	Mas existem muitas outras aplicações para ferritas absorvedoras de ondas de rádio além daquelas em materiais de construção. Elas têm sido usadas durante um longo tempo nos atenuadores para prevenir vazamentos de alta frequência para fontes de potência de corrente contínua em osciladores de alta frequência. Embora eles não usem apenas ferritas, “matchers”(igualadores) de onda de rádio de banda ultra-larga que alarga a banda de frequências absorvidas são feitas com compósitos nos quais um material com perda condutiva é recoberto com ferrita. Também, existem usos para igualadores de carga (“load matching”) em guias de onda.
Figura 3.3 – Ondas de rádio sendo comidas pela “Ferrita”.
3.3 – EM QUE PARTES DE UM SYNCHROTRON AS FERRITAS PODEM SER 
 USADAS
	Ferritas são usadas ressonadores de aceleração de alta frequência e ímãs de “kicker” (reator [de reatância]) de síncrotons de próton. A parte desempenhada por ferritas em ressonadores de aceleração de alta frequência é fazendo um ressonador LC com alta impedância ressonante que causa alta voltagem de alta frequência para aceleração de próton. Além disso, ferritas às quais um campo magnético enviesado (“magnetic bias field”) é adicionado faz alinhamentos eletrônicos ao longo de larga faixa de frequências através de mudanças em L. Ímãs de “kicker” (reator) são magnetos de pulso que são usados para mudar o passo do feixe de próton e elas são usadas como núcleo magnéticos porque elas são capazes de realizar operações de alta velocidade.
	Um síncroton de próton é um acelerador gigante para física de alta energia e pesquisa física de partícula elementar. Aceleração de próton num síncroton é feita acelerando-se primeiro a partícula num acelerador linear e a seguir injetando-o incidentalmente dentro de um gigante anel de vácuo dentro do qual ele é acelerado num campo magnético criado por eletro-ímãs. A frequência de revolução é superior a 1 MHz e uma alta voltagem de alta frequência que é sincronizada com um múltiplo inteiro desta frequência é usada. Um ressonador LC que emprega uma indutância coaxial carregada por ferrita é usado para gerar esta voltagem. Uma vez que a frequência deve ser aumentada junto com a aceleração do próton, o ressonador aumenta sua frequência ajustada. Normalmente o ressonador para um acelerador de alta frequência é feito de grandes anéis de ferrita (diâmetro externo, 20 cm a 50 cm; diâmetro interno,10 cm a 30 cm; espessura, cerca de 2,5 cm), várias dezenas dos quais são dispostas coaxialmente em camadas. Figuras 3.4 e 3.5 mostram sua aparência e arranjo.
Figura 3.4 – Ressonador para um acelerador de alta frequência.
Figura 3.5 – Anéis de ferrita.
	A fim de satisfazer às condições de uso, o material de ferrita passa por várias melhorias. A qualidade da ferrita é determinada pela permissível amplitude de densidade de fluxo magnético, uma vez que a frequência da voltagem de aceleração é proporcional à frequência angular, a seção reta do núcleo de ferrita e a amplitude da densidade de fluxo.Além disso, existe uma necessidade para fazer a impedância ressonante tão alta quanto possível a fim de gerar uma voltagem de aceleração tão alta quanto possível usando uma corrente suprida pela saída de alta frequência. E é desejável que a permeabilidade magnética e o coeficiente de usinabilidade da ferrita seja grande. Para satisfazer estes requisitos, ferritas do sistema NiZn são excelentes, e a pesquisa para melhorar as características, uma com aditivos de Co foi desenvolvida.
	Estas ferritas de grande escala para uso de alta potência são usadas no Fermi National Accelerator Laboratory (NAL) nos Estados Unidos da América, no High Energy Research Center (KEK) que foi construído no Tsukuba Academic City no Japão, etc.. Síncrotons de próton são instalações que requerem quantidades enormes de dinheiro para construção e operação e as ferritas usadas em aceleradores de alta frequência são materiais extremamente importantes para administrar eficiência e desempenho nesses aceleradores.
3.4 – PODEM AS FERRITAS SERVIR COMO MOLAS-MESTRES DE RELÓGIOS?
	Existe um magneto que tem uma forte força coerciva e baixo custo e é chamado um magneto de ferrita de Ba. Ele é largamente usado em núcleo magnéticos de pequenos motores. Quando um magneto de Ba for fabricado na forma mostrada na Figura 3.6 e for circundado por um núcleo de permalloy, o magneto se move tal como uma onda. O núcleo tem uma bobina enrolada ao redor dele, mas quando não existe nenhuma corrente fluindo através dele, o núcleo é o mesmo que uma peça simples de ferro e o magneto está em repouso tal como na Figura 3.6(a). A seguir, se uma corrente for conectada através da bobina, o núcleo se torna um eletro-ímã e os polos norte e sul são gerados nas partes que estão circundadas pelo magneto de Ba. Uma vez que cada braço do núcleo faceando os polos norte e sul do magneto mudou-se para se ajustar os polos norte e sul, a força repulsiva causa um rotação (sentido hrário) em direção aos polos opostos como mostrado na Figura 3.6(b). Na Figura 3.6(c), a rotação do magneto está terminada e a corrente da bobina está desligada; neste tempo o magneto se encontra em repouso como se ele estivesse na Figura 3.6(a). Pelo uso do balanço de magneto de ferrita de Ba desta maneira e fixando o ímã às partes de um relógio de pino chamadas paletas, os movimentos do relógio podem ser produzidos.
Figura 3.6 – Movimento de um magneto de ferrita.
Figura 3.7 – Estrutura de um sistema de “drive” (acionamento).
	A paleta é controlada por um pino de maneira que ela oscila num ângulo fixo (26o) apenas. Na ponta da paleta um rubi de paleta, que se engaja à roda de escape, é instalada. Uma oscilação da paleta envia o dente da roda de escape para a frente um passo circular. A rotaçào da roda de escape é desacelerada pelo trem do relógio que o transmite para as mão que indicam o tempo. Por outro lado, existe um entalhe na outra extremidade, que engaja o rubi de contato sobre a roda do balanço e ocorre uma recíproca troca de energia. A oscilação da paleta causa o rolo do escape de alavanca a girar. Desta maneira, os trabalhos da paleta movem as mãos em intervalos do padrão de tempo para o qual o relógio é ajustado, através da função do escape de alavanca.
	O constituinte principal deste magneto de ferrita de Ba é BaO(6Fe2O3 e uma vez que a estrutura cristalina é hexagonal e muito longa na direção do eixo-c, ela é acentuadamente anisotrópica. Baseado nisto, ela caracteristicamente tem uma grande força coerciva. No que é chamada ferrita de Ba anisotrópica, que é um arranjo paralelo de cristais ao longo do eixo-c, a máxima energia (BH)max se torna 3,6 a 4,1 MOe, e é largamente usada em lugares onde pequenos magnetos com forte força coerciva são necessários.
3.5 – POR QUE UM IGNITOR PIESOELÉTRICO NÃO POSSUI NENHUMA BATERIA?
	Existem dois tipos de dispositivos de ignição automáticos para aparelhos domésticos operados por gás, aquecedoes energizados por bateria e ignitor piesoelétrico. O tipo piesoelétrico não precisa de nenhuma bateria, não tem nenhum problema de quebra de filamento de aquecimentoe é largamente usado. Uma pequena versão é usada em acendedores de cigarro. Este dispositivo usa que é chamada cerâmica piesoelétrica e quando uma força é aplicada, a alta voltagem gerada é descarregada como uma descarga elétrica.
Figura 3.8 – A ação pieso-elétrica.
	Esta cerâmica pieso-elétrica é composta de cerâmica de zirconato-titanato de chumbo, Pb(Ti-Zr)O3, no qual uma propriedade piesoelétrica é gerada através de um processo de polarização. O dispositivo ignitor é cilindrico, com dimensões de 7 mm de diâmetro por 15 mm de comprimento, e dois deles são colocados com os polos positivos faceando um a outro numa montagem mostrada na Figura 3.9. Se esta bigorna for batida com um martelo, uma alta voltagem de várias dezenas de kV é gerada entre estes dois polos do ignitor. A polaridade do lado da alta voltagem é usualmente tornada positiva, de maneira que uma descarga elétrica ocorrerá mesmo em baixas voltagens.Quando S for a área de superfície da função e l for o comprimento, e existir uma força batedora F, a seguinte equação mostrará a voltagem de saída, V:
V = g33 (l / S) F
Aqui g33 é um coeficiente de voltagem de saída relacionado à espessura e à vibração. As unidades são V.m.N-1. Também se C for a capacitância do material piesoelétrico, a energia dispendida no tempo da descarga é (1/2)CV 2. Portanto, é necessário que C e V sejam grande a fim de facilitar a ignição. A razão para uma montagem com os polos positivos face a face no lado da alta voltagem como na Figura 3.9 é que C é aumentada pela junção paralela.
Figura 3.9 – Ignitor cerâmico piesoelétrico.
	Também, para fazer V maior, é vantajoso usar materiais com g33 grande. Também, uma característica requerida do material piesoelétrico é um baixo desenvolvimento de fadiga. Naturalmente, destruição mecânica a partir do martelo não é permissível. Uma cerâmica de PZT atualmente (1987) usada em ignitores é mecanicamente forte e raramente se quebra, mesmo sob um forte impacto. Entretanto pancadas repetidas causa um decréscimo na polarização e g33 se torna menor; portanto, a voltagem gerada é diminuída, e o material se torna inútil para ignitores. Sobre este ponto, entretanto, existem testes de confiabilidade, e 100 mil vezes pode ser garantido. Estas 100 mil vezes significam 30 vezes por dia durante 10 anos. Desta maneira, ignitores piesoelétricos podem ser usados semi-permanentemente sem serviço de manutenção técnica. 
	Na Tabela 3.2, as características de dois tipos de sistemas ignição são comparados. Em termos de pequenez, capacidade de ignição, conservação, etc., o sistema piesoelétrico é melhor.
Tabela 3.2 – Comparação de métodos de ignição piesoelétrica e de ignição por bateria.
3.6 – O QUE É UM TRANSFORMADOR CERÂMICO?
	Existe um transformador piesoelétrico que usa material do sistema titanato de chumbo. A razão de voltagem é da ordem de 300 a 500. Levando em consideração características elétricas e a fabricação, a forma é geralmente um bloco retangular fino. A estrutura é mostrada na Figura 3.11; longitudinalmente, metade do substrato de titanato de chumbo forma um par de terminais através da espessura do bloco, enquanto a face final da outra metade tem um outro terminal. A primeira é polarizada através da espessura, e a última é polarizada no sentido do comprimento. A parte polarizada através da espessura é chamada seção motriz e a outra é chamada seção de geração. 
Figura 3.10 – Transformadores piesoelétricos são menores e mais leves.
Figura 3.11 – Estrutura do transformador piesoelétrico.
	Se uma voltagem de alimentação com uma especificada freqüência ressonante determinada pelo comprimento, 2l , da seção motriz for suprida, ocorre uma vibração mecânica no sentido do comprimento por causa da eletro-estricção. Por causa desta vibração, uma fornecimento de alta voltagem pode ser obtido uma vez que uma carga elétrica é gerada na seção de geração por causa de um efeito piesoelétrico. Isto mostra que o processo de estabelecimento ocorre por meio de uma seqüência de conversão elétrica → mecânica → elétrica. A seguinte equação mostra a razão de estabelecimento, G∞, quando não existe nenhuma carga:
G∞ = (V2 / V1) = (4/π2) Qm k31 k33 (l / t)
Da equação acima, a razão de estabelecimento pode ser determinada a partir do coeficiente de acoplamento, o coeficiente de qualidade mecânica, e a forma da amostra. 
	Os materiais que atendem os requisitos para uso em transformadores piesoelétricos deveriam ter grandes coeficientes de acoplamento, eletromecânico, k31, k33, e um bom coeficiente de qualidade mecânica Qm de cerca de 400 a 1000. Além disto, uma vez que eles são usados sob condições próximas daquelas de alta amplitude de vibração com um grande sinal de alimentação, o deslocamento no ponto de tensão máxima é extremamente grande, e a fadiga mecânica causa uma deterioração da constante piesoelétrica. Portanto, materiais que têm pouca deterioração por fadiga mecânica são usados para transformadores piesoelétricos. 
	A função de estabelecimento ("set-up function") de um transformador piesoelétrico trabalha quer na freqüência do meio comprimento de onda ( modo λ/2) do dispositivo, quer naquela do comprimento de onda todo (modo λ), ou em sua vizinhança. Quando o comprimento do dispositivo, 2l, for 56mm, as freqüências são 30 kHz (modo λ/2)e 60kHz (modo λ). A correlação entre a voltagem de saída ("output voltage") e a freqüência neste caso é mostrada na Figura 3.12. Em geral, a razão de estabelecimento é maior para o modo λ do que para o modo λ/2, e com uma carga de 100MΩ, exibe valores de 250 a 300.
Figura 3.12 – Características de freqüência do transformador piesoelétrico. 
	A aplicação de transformadores piesoelétricos que estão sendo investigados (situação de 1987) incluem dispositivos de ignição contínua e geradores de alta voltagem para aparelho de televisão em preto e branco. O dispositivo de ignição que usa este transformador é capaz de descarga elétrica contínua, de modo que ignição é 100% confiável. Por causa disto, eles têm possibilidades como dispositivo de ignição para queimadores de óleo e outros dispositivos. Por outro lado, o uso de geradores de alta voltagem para aparelhos de televisão para melhoria que inclui a colocação de um varistor cerâmico do sistema ZnO no circuito retificador tem sido encontrado. 
3.7 – O QUE É O RESSONADOR PIESOELÉTRICO QUE FAZ DISTINÇÃO ENTRE 
 DOIS NÚMEROS NUM BILHETE DE TREM (SHINKANSEN)?
	No centro de vigilância central, pode-se observar as condições de operação do sistema todo em todas as linhas de trem a bilhete. Justo como os corredores de maratona têm seus números os trens são numerados também, e suas localizações são confirmadas usando um sistema de identificação eletromagnética indutiva do número de trem que é feito de um aparelho que indica o número do trem e um aparelho que discrimina dentre os números de trens que é estabelecido em cada estação. A razão (que é chamada um sistema de indução eletromagnética) é que o principal elemento no aparelho montado no trem usa um ressonador piesoelétrico. As ondas eletromagnéticas usadas são freqüências ressonantes da banda de onda média, 270 a 520 kHz, e se, por exemplo, estas freqüências forem tornadas correspondentes a cinco diferentes números, 0, 1, 2, 4 e 7, uma agregação destas freqüências pode expressar números decimais de 1 a 0. A identificação dos números pela agregação de freqüência é realizada por um acoplamento eletromagnético indutivo das bobinas baseadas na estação e no trem. Em outras palavras, quando as ondas de varredura ("sweep waves") f1 a f5 forem transmitidas via bobina (bobina de transmissão) do transmissor baseado na estação, indução eletromagnética na bobina baseada no trem dá origem às mesmas ondas de varredura. Quando o aparelho no trem tiver ressonadores piesoelétricos para justo f2 e f3, apenas as freqüências instantâneas f2 e f3 são induzidas no mesmo caminho na bobina receptora baseada na estação, detectada, processadae decodificada. 
Figura 3.13 – Trem Shinkansen.
Figura 3.14 – Esquema do reconhecimento do número e princípios do aparelho de identificação.
	Ressonadores cerâmicos piesoelétricos usados para tais propósitos são requeridos para desempenhar-se satisfatoriamente sob condições severas tais como exposição aos elementos, vibração e choque. As características de temperatura e de durabilidade necessárias para freqüências ressonantes e diretamente relacionadas aos erros de identificação de número são especialmente severas, da ordem de ± 0,2% num período de dez anos. 
	Foram encontrados o atendimento a estes requisitos exigidos para o desenvolvimento de novo material, e um material piesoelétrico do sistema PbTiO3-PbZrO3-Pb(Sb,Nb)0,5O3 com aditivo de MnO2. Este material tem um Qm de 2000 a 4000, e seu coeficiente de temperatura é de 5ppm/oC desde -40oC até 60oC.
	Além disto, a fim de confirmar a estabilidade ao longo de um grande período de tempo, foi necessário determinar a faixa de variação por meio de um envelhecimento acelerado em alta temperatura e o resultante coeficiente de aceleração. Os resultados dos testes das taxas de variação para a freqüência ressonante e a resistência ressonante em 100 amostras a 100oC durante 2200 horas deram os dados com uma média de 0,06%. Mesmo considerando um coeficiente de aceleração de 10 vezes o valor, confirmação de uma suficientemente lenta taxa de variação de 0,1% é possível. 
Figura 3.15 – Características de freqüência ressonante e de temperatura. (a) Novo material. (b) Produto até hoje (1987). 
3.8 – QUE TIPOS DE CERÂMICAS SÃO USADOS NOS DETETORES
 ULTRASSONOGRÁFICOS?
	Dispositivos ultrassônicos faz uso das reverberações a partir de pulsos ultrassônicos. Enquanto pulsos ultrassônicos são propagados no corpo vivo, os diferentes tecidos dos órgãos, ou tecidos doentes, alteram o som em variados graus, e a partir destes tipos de contornos retornam ecos. Durante a geração do pulso, os ecos são detectados um por um e exibidos num “CRT” ou em algum outro aparelho. A partir desta tela de exibição (“display”), a distância ao alvo das ondas pode ser determinado por meio das mudanças na velocidade das ondas transmitidas e o tempo decorrido entre a emissão e o seu retorno. Uma vez que se usa um pulso dirigido, a direção do alvo pode ser também determinada. Além disto, pelo uso de pulso dirigido com um movimento de varredura, os pulsos paralelos geram uma imagem ultrassonográfica bidimensional. Esta varredura, que é realizada eletronicamente, é chamada varredura eletrônica, e são usadas varreduras eletrônicas tanto linear quanto vetorial.
Figura 3.16 – Detetor ultrassonográfico revelando a vovó do Chapeuzinho Vermelho no ventre do Lobo.
	Uma vez que o material para a sonda ultrassônica deste varredor eletrônico (“electronic scanner”) é a fonte para a geração de ondas ultrassônicas e ao mesmo tempo converte as vibrações ultrassônicas captadas de fora para dentro em forma de sinais eletrônicos, é usado um PZT ou uma cerâmica piesoelétrica tri-componencial. Como mostrado na Figura 3.17, a sonda ultrassônica é composta de muitos transdutores do tipo tira com larguras de 1 mm ou menos (cerâmica piesoelétrica que executa a conversão elétrica → mecânica → elétrica), um absorvedor (fundo [“backing”] de material de carga [“load”]) para absorver as ondas ultrassônicas inúteis irradiadas a partir dos lados traseiros dos transdutores, e um recobrimento fino na superfície dos transdutores para a sua proteção e para o ajuste de impedância entre o corpo (“body”) e as ondas ultrassônicas. A cerâmica piesoelétricas trabalha no transdutor para controlar as características da sonda e para melhorar a qualidade da imagem ultrassonográfica. 
Figura 3.17 – Estrutura da sonda ultrassonográfica.
	Uma vez que a freqüência de ondas ultrassônicas depende da espessura do substrato eletrônico, e uma vez que, se a largura das tiras for aumentada, a variação ao longo da largura estimula uma vibração simultânea através da espessura, a razão da largura para a espessura deve ser limitada a 1,0 ou menor a fim de assegurar uma vibração eficiente através da espessura. Por outro lado, com o progresso no uso de freqüências maiores a partir de 2 a 3 MHz para 5 MHz, os osciladores se tornam finos e estreitos, e a dificuldade de fabricação é um problema. Por causa disto, uma sonda de 5MHz com um comprimento de 200 mm que faz uso de uma cerâmica do sistema PbTiO3 que tem uma grande anisotropia de coeficiente de acoplamento eletromecânico (kt >> k31) tem sido desenvolvido. A vibração induzida através da largura é pequena, e mesmo que a razão da sua largura para a sua espessura seja grande, seu uso é viável.
Figura 3.18 – Largura ótima de transdutor em forma de tira versus freqüência.
3.9 – EXISTEM CERÂMICAS QUE AGEM COMO SUBSTITUTOS PARA
 TERMÔMETROS?
	Existe um semicondutor chamado termistor. Termistor é uma abreviação de “resistor termicamente sensível” (“thermally sensitive resistor”) e termistores têm um grande coeficiente negativo de temperatura; com o aumento da temperatura a resistência da cerâmica é radicalmente diminuída. Os constituintes de termistores são óxidos de níquel (Ni), cobalto (Co), manganês (Mn), etc. A correlação entre a resistência e a temperatura é expressa como se segue:
R = Ro exp[(1/T) – (1/To)]B				(1)
onde R é a resistência do termistor à temperatura T (K), Ro a resistência do termistor à temperatura To(K) e B é a energia de ativação do semicondutor dividida pela constante de Boltzmann, geralmente chamada constante do termistor. Quanto maior for o valor de B, tanto maior será a proporção da mudança na resistência do termistor para a mudança na temperatura. Os materiais usados geralmente têm valores de B de 2000 a 6000K.
	O coeficiente de temperatura de um termistor (a propriedade usada por ele) é dada pela seguinte equação:
α = (1/R)(dR/dT) = -(B/ T2)				(2)
Num termistor no qual B = 3400K, o valor de α a 25oC é de -0,04, que mostra um valor negativo de cerca de 4% por oC. Este valor é 10 vezes aquele dos metais mais padrões (comuns), e se pode ver que a variação resistência versus temperatura é extremamente grande. Além disto, pode ser visto a partir da equação (2) que o coeficiente de temperatura não é uniforme como aquele dos metais, e uma vez que ele é inversamente proporcional ao quadrado da temperatura absoluta, ele é pequeno em altas temperaturas e grande em baixas temperaturas. Por causa disto, termistores são adequados para uso em temperaturas de 300oC ou menores (Tabela 3.3).
Tabela 3.3 – Coeficientes de temperatura de metais e termistores.
	Além de terem um grande coeficiente de temperatura, características especiais de termistores incluem uma comparativamente alta resistividade, e assim a magnitude da mudança da resistência baseada em temperatura é grande, e um grande sinal pode ser obtido. 
	Os usos de termistores estão divididos nas áreas de correção e medição de temperatura, e para o tipo destinado à medição a estabilidade é igual ou menor a 0,2% ou durante o primeiro ano e este valor decresce com o tempo para criar estabilidade extrema. Também, no ponto da sensibilidade, eles são usados em termômetros ultra-sensíveis capazes de medição entre 1/100oC e 1000oC, e em alguns casos tão baixo quanto 1/10000oC. A faixa de aplicações de termistores é muito ampla: sua saída pode ser detectada electricamente, de modo que eles são usados no controle de temperatura e sistemas de administração.
	Nos anos recentes (referência a 1987), o controle da exaustão de automóveis tornou-se mais restritivo, de modo que sensores de temperatura para a detecção da subida da temperatura associada com a pós-queima dos sistemas exaustos de veículos que usam componentes catalíticos e reatores térmicos têm se tornado necessários. As temperaturas nas quais os sensores automotivos são usados tornam a estabilidade em temperaturas de 1000oC e acima necessária; portanto, materiaisque são diferentes daqueles dos termistores padrões (comuns), que estão limitados a até cerca de 300oC, estão sendo desenvolvidos. Como mostrado na Tabela 3.3, materiais que têm coeficientes de temperatura, o valor de B, tão grande quanto 15000 a 18000K incluem sistemas Y2O3, Sistemas CaO, sistermas CoO-Al2O3, etc.
	O mecanismo de condução destes materiais pode ser dividido em dois tipos, iônico e eletrônico. ZrO2 com aditivos de CaO, MgO e Y2O3, que é chamado zircônia estabilizada, é muito frequentemente usado. Os requisitos para termistores de alta temperatura são mais severos do que aqueles para termistores para todos os fins, no sentido de que são requeridas não apenas as características de coeficiente de temperatura, mas também a estabilidade para prevenir variações elementares, a ausência de transformações cristalinas, etc. 
Figura 3.19 – Cerâmicas termistoras podem ser usadas em lugar de termômetros.
3.10 – O QUE SÃO CERÂMICAS QUE DETECTAM LUZ INFRAVERMELHA?
	Titanato de chumbo é uma cerâmica que pode detectar luz infravermelha. O método de medição usado com este material baseia-se na lei de Wen: um corpo irradia uma bastante larga faixa de comprimentos de onda de luz em correspondência com a temperatura; o comprimento de onda máximo é inversamente proporcional à temperatura absoluta T, e a radiação total é proporcional a T4. Com efeito, o método de detecção da quantidade de radiação infravermelha usa um ligeiro aumento na temperatura causado por sensibilidade à energia associada com a luz infravermelha irradiada.
	Cerâmica de titanato de chumbo é um constituinte das cerâmicas piesoelétricas chamadas PZT e é uma substância ferroelétrica de estrutura perovskita do mesmo tipo que o titanato de bário, mas não tem havido nenhuma oportunidade para uso por si só. Isto é porque da grande anisotropia dos cristais de titanato de chumbo causa problema, tornando a sinterização muito difícil e tornando a obtenção de uma cerâmica de alta qualidade muito difícil Entretanto, nos anos recentes, tecnologia de sinterização tem avançado, e foi feita uma pesquisa por aditivos de maneira que cerâmicas satisfatoriamente duráveis podem ser obtidas. Uma vez que titanato de chumbo é uma substância ferroelétrica, polarização espontânea ocorre abaixo da temperatura Curie de 490oC. Entretanto, uma vez que esta polarização espontânea depende da temperatura, a carga superficial gerada por ela varia concordantemente; portanto, mudanças na temperatura podem ser detectadas por variações na voltagem. O dispositivo de detecção é feito com cerâmica de titanato de chumbo polarizado de 20 a 30 μm de espessura, com terminais feitos evaporando NiCr ou AuCr. Condutores de saída são acoplados aos terminais; uma resistência de alimentação é criada por uma transformação de impedância de circuito “FET” (“field effect transistor”, transistor de efeito de campo), e amplificado.
Figura 3.20 – Sensor cerâmico de luz infravermelha.
	As boas coisas sobre este detector são que, ao contrário de um termistor, ele não faz uso de mudanças de resistência (ele detecta por meios de variações de voltagem) e não é necessário um pulso de voltagem (que poderia ser uma fonte de ruído). A voltagem, ou uma corrente elétrica devida a este tipo de efeito piroelétrico, é extremamente baixa e a resistência do dispositivo deve ser 1012Ω ou maior para detecção efetiva de radiação infravermelha. Além disto, o dispositivo trabalha com um dispositivo medidor de capacidade, mesmo com sua voltagem de baixa freqüência que é próxima de uma corrente contínua. Se ele for operado com carga suficientemente baixa, detecção de alta velocidade e características de pulso excelentes podem ser facilmente obtidas. 
	Usando comprimentos de onda com vários micrômetros, em outras palavras o espectro de infravermelho distante, extensas aplicações a partir de medições oceânicass e terrestres por satélites e aeronaves para aplicações industriais tais como transformadores de linhas de potência e alarmes anti-furto, para aplicações médicas tais como medições de pele sem toque, para medição de gases poluentes tais como CO e SO2, etc..
	Na Tabela 3.4, as propçriedades de vários materiais piroelétricos são mostradas. Pode ser visto que as propriedades de cerâmicas de titanato de chumbo são excelentes. 
Tabela 3.4 – Características dos materiais piroelétricos.
	Cerâmicas piroelétricas de titanato de chumbo com pequenas quantidades de MnO e La2O3 adicionadas é um material com uma excelente temperatura Curie, constante dielétrica, excelente perda dielétrica, coeficiente de piroelétrico, etc. junto com excelente usinabilidade e efeitos posteriores de longa duração. Boa usinabilidade é especialmente necessária na fabricação de detectores piroelétricos, uma vez que processos de fabricação incluem a fabricação de um “wafer” de cerâmica de titanato de chumbo com uma espessura de cerca de 20 a 30 μm e um processo de polarização envolvendo a aplicação de um campo elétrico de 100 kV/cm a 200oC. Também, dependendo da mistura dos aditivos, esta cerâmica pode ter facilmente alta resistência e baixa condutibilidade térmica, e além disto existem outros aspectos excelentes tais como nenhuma clivagem em monocristais, etc. Quando ele é usado como um sensor de temperatura como um otimizado circuito de medição, é possível medir flutuações de temperatura até 10-5 oC, e o desenvolvimento de materiais ferroelétricos com pontos Curie na faixa de temperatura normal tornará possível largas aplicações.
3.11 – QUE TIPOS DE ELEMENTOS AQUECEDORES CERÂMICOS EXISTEM?
	Existem aquecedores cerãmicos de carbeto de silício, siliceto de molibdênio, cromita de lantânio e zircônia. De vez que carboneto de silício decompõe-se e sublima-se na pressão padrão (1 atm), ele não tem ponto de amolecimento. Sua temperatura de decomposição é 2400oC. Siliceto de molibdênio, cuja fórmula química é MoSi2, tem uma muito boa resistência à oxidação, e seu ponto de fusão é 2030oC. Por outro lado, o ponto de fusão da zircônia é 2690oC e aquele da cromita de lantânio é 2490oC. Desta maneira, a maioria das cerâmicas usadas para geração de calor tem altos pontos de fusão, e isto porque quanto maior for a temperatura de fusão, tanto maior será a máxima temperatura de uso. Zircônia, especialmente, pode ser usada com segurança até 2000oC. 
	Entretanto, um alto ponto de fusão não é o único requisito para um material ser usado como um elemento de aquecimento; as condições também incluem ele ter uma apropriada resistividade para converter eletricidade em calor. Se uma voltagem for aplicada a uma substância tendo uma determinada resistência, sabe-se comumente que energia proporcional ao quadrado da corrente que passa através da substância será convertida em calor e isto é chamado calor Joule. Este é o calor funcional do elemento de aquecimento; mas a fim de gerá-lo, a resistividade deve ser de vários Ωcm ou menor. Por outro lado, a resistividade peculiar a uma dada substância tem certas características de temperatura, e estas caracterizam a maneira na qual ela é usada para geração de calor. Uma vez que SiC tem características de temperatura positivas desde cerca de 600oC para cima, ele é caracterizado por um fácil controle de temperatura. Siliceto de molibdênio tem características de temperatura positivos desde a temperatura ambiente para cima, e seu coeficiente de temperatura é pequeno e igual a 0,0048. A resistividade da cromita de lantânio é 0,14 Ωcm a 500oC, mas ela decresce até 0,11 Ωcm a 1800oC. O caso da zircônia é especialmente notável. Sua resistividade é extremamente grande e igual a 107 Ωcm a 500oC, mas decresce até 180 Ωcm acima de 1000oC, 1,9Ωcm a 1500oC e 0,4Ωcm a 2000oC. Embora a maioria destes elementos de aquecimento se tornem bastante bons condutores a 1000oC ou numa temperatura superior a esta, zircônia pode ser usada em ultra-altas temperaturas onde é impossível usar outros elementos de aquecimento, porque ela mantém uma baixa resistência acima de 2000oC. Entretanto, existe um aspectoinconveniente. Uma vez que ela tem uma alta resistência abaixo de 1000oC, ela não funciona como um aquecedor, e é necessário o preaquecimento com um outro elemento aquecedor até a temperatura na qual ela mostra condutividade .
Figura 3.21 – Temperaturas máximas para uso estável de vários elementos aquecedores.
	A fim de melhorar as características anti-oxidantes, resistência à corrosão e resistência mecânica destes elementos de aquecimento cerâmicos, aditivos e substituições parciais têm sido tentadas. Por exemplo, na vizinhança de 1190oC zircônia passa por uma transformação reversível monoclínica = tetragonal, e uma vez que um fenômeno colapsante é causado, estudo de fases semi-estáveis feitos com CaO, MgO, Y2O3, etc., tem sido feito. Em cromita de lantânio, uma substituição parcial de Ca e La abaixa a resistividade, e uma corrente elétrica passará através dela desde a temperatura ambiente para cima.
Figura 3.22 – Temperatura versus características de resistência elétrica de vários elementos de aquecimento.
3.12 – QUE CARGA ELÉTRICA PODE SER ARMAZENADA EM CERÂMICAS?
	Quando uma voltagem for aplicada através de dois eletrodos paralelos em ar, pode-se supor que não haverá nenhuma carga polarizada no ar, e a seguinte equação dá a capacitância:
Co = 8,854 x 102 x (A/d) (F/m)
onde A (m2) é a área das placas e d (m) é o espaço entre elas.
	A seguir, quando o espaço for substituído por um material tendo permissividade ε, a capacitância cresce até εCo. A partir disto segue-se que a capacitância é proporcional à área das placas e à permissividade, mas é inversamente proporcional à separação das placas. Portanto, na extensão em que a permissividade e a área da superfície do material dielétrico se tornarem maiores, e o material for tornado fino, tanto maior se tornará a capacitância.
Figura 3.23 – Em dois condomínios do mesmo tamanho o número (volume) de pessoas que podem viver lá é menor naquele cujas paredes são mais grossas. 
	Por outro lado, a microestrutura da cerâmica é composta de cristalitos e contornos de grão. Um condensador BL é um condensador de capacitância grande que torna positivo o uso desta característica de cerâmicas. BL é uma abreviatura de “boundary layer” (camada limite).
A estrutura deste condensador é mostrada na Figura 3.24(a) e um circuito equivalente esquemático é mostrado na Figura 3.24(b). Os cristalitos são semicondutores e sua resistividade é 10o até 103 Ωcm, enquanto os contornos de grão são isolantes e formam uma camada dielétrica extremamente fina de cerca de 0,3 a 2μm de espessura.
Figura 3.24 – Microestrutura e seu circuito equivalente.
	Os materiais básicos de um condensador BL são titanato de bário (BaTiO3) e titanato de estrôncio (SrTiO3). Estas substâncias são chamadas “ferroelétricas” e sua permissividade é dependente da temperatura e se encontram no máximo numa temperatura conhecida como ponto Curie, o ponto de transição de fase. Adição de elétrons com diferentes valências a esta substância gera elétrons livres que são facilmente movidos num campo elétrico. Além disto, se for sinterizado numa atmosfera redutora, deficiências de oxigênio são geradas e a resistência é diminuída. Óxidos metálicos tais como MnO2, Bi2O3, CuO, Ti2O3, Sb2O3, etc.. são aplicados à superfície de cerâmica semicondutoras obtidas desta maneira, e o desejado isolamento é criado nos espaços entre os cristalitos por difusão térmica. Se esta camada de contorno de grão for tonada mais fina, será obtido um aumento na capacitância; portanto, crescimento de grão é facilitado e os cristalitos de 100 a 120μm de diâmetro serão obtidos. No sistema de BaTiO3 obtido desta maneira, a capacitância é de 0,1 a 0,5 μF/cm2, tg δ 5%, e IR 500 MΩ/cm2. Para o sistema SrTiO3, os valores são 0,08 μF/cm2, tg δ 1% ou menor e IR 500 a 1000 MΩ/cm2. 
	Estes condensadores BL são excelentes condensadores que combinam uma freqüência de dispersão central de 1 GHz aproximadamente com alta permissividade. Estes condensadores desempenham-se com notável eficiência como capacitores “by-passagem” de banda larga em circuito emissores de relés de transmissão “super-multiplex FDM” de 12 MHz, e com vários tipos de melhorias são usados em várias maneiras como capacitores de “by-passagem” de banda larga até a faixa de vários GHz (gigahertz).
	Com as suas características que se destacam este condensador BL não apenas contribuiu para a melhoria dos dispositivos pelo seu uso, mas também imprimiu uma grande influência ao desenvolvimento de peças eletrônicas cerâmicas. Este é o uso positivo da microestrutura de cerâmicas (cristalitos e contornos de grão), que é exatamente oposto do pensamento que lhe antecedeu e que guiou-se por tentativas para chegar perto de estruturas de monocristal. O varistor de ZnO discutido na Seção 3.1 faz uso desta idéia.
3.13 – O QUE SÃO CERÂMICAS ELETRO-ÓTICAS? COMO ELAS SÃO USADAS?
	Os pesquisadores na Sandia Laboratories nos Estados Unidos da América estiveram tentando durante durante algum tempo prensar a quente titanato-zirconato de chumbo, Pb(Zr,Ti)O3, uma cerâmica que tinha se tornado bem conhecida havia pouco tempo, na qual uma substituição parcial do Pb tinha sido realizada. Por volta de 1968, Hartling e colaboradores verificaram que mesmo embora a forma desta cerâmica substituída por Bi fosse policristalina, ela mostrou uma alta condutividade ótica, e eles verificaram também que as características óticas eram dependentes da direção de polarização. Ao mesmo tempo em que eles continuaram aumentando a condutividade ótica, eles verificaram resultados semelhantes com outras substituições. Além disto, em 1971, eles verificaram que (Pb, La)(Zr,Ti)O3, que é chamada cerâmica PLZT e Pb(Zr,Ti)O3 com aditivo de lantânio, mostraram extremamente baixa dispersão, alta condutividade ótica, e anisotropia ótica num campo elétrico. Desta maneira, cerâmicas piesoelétricas translucentes, que tinha até então estavam limitadas a monocristais, ganhou lugar dentre os materiais eletro-óticos, e agora (1987) t em grande potencial como um material para dispositivos com funções eletro-óticas.
	Quando íons Pb2+ de cerâmicas piesoelétricas translucentes, Pb(Zr,Ti)O3, forem parcialmente substituídos por íons La3+ a fórmula química muda de acordo com as vacâncias da rede que são produzidas na estrutura tipo perovskita. Embora não completamente confirmada no presente (1987), a seguinte é normalmente usada:
[Pb1-xLax][(ZryTiz)1-(x/4)]O3 (y+z = 1)
PLZTx/y/z é comumente escrito para expressar a composição PLZT.
	A uniformidade química e a redução de poros residuais são necessárias a fim de melhorar a condutividade ótica de cerâmicas. Até agora (1987), os métodos para a fabricação de PLZT que tem sido reportado são os seguintes: (i) prensagem a quente, (ii) sinterização numa atmosfera de PbO, (iii) prensagem isostática a quente, e (ix) sinterização multi-estágio. Dentre estes métodos, prensagem a quente num aparelho tal como aquele mostrado no Capítulo 1, Figura 1.18, é geralmente usado. Em geral, ele é obtido por prensagem a quente durante várias horas a 1000 – 1300oC sob uma pressão de 200 a 600 kg/cm2. 
Figura 3.25 – Princípio e estrutura de lentes anticlarão ("antiglare"). (a) Esquema fundamental. (b) Estrutura.
	Existem muitos tipos de propostas para aplicações de cerâmicas piesoelétricas translucentes em dispositivos eletro-óticos, quase todos eles fazendo uso de PLZT. Aparelho PLZT de estocagem e exibição de imagens (filmes) incluem os usos tanto no modo de refração dupla quanto no modo de espalhamento de luz. Do primeiro modo, Ferpic e Ferpic tipo estricção de viés (“bias-striction-type Ferpic) foram propostos por pesquisadores na Bell Laboratories. Do segundo modo, Cerampic foi proposto por Sandia Laboratories. Estas são mostradas na Figura 3.26. Além disto, memória ótica, tela de exibição (“display”), “shutters” óticos, etc. são campos nos quais PLZT tem aplicações. Exemplos de aplicações de “shutters” óticos incluem “shutters” para estereocâmaras de microscópioeletrônico de varredura, moduladores óticos, estéreo-televisão médica, muitos tipos de dispositivos industriais, controles de luz em monitores de soldagem, e observação estéreo do fundo do mar para desenvolvimento marinho. Uma nova aplicação de PLZT é o microfone (“speaker”) piesoelétrico transparente. Ele tem eletrodos transparentes cobrindo ambas as superfícies de uma fina folha de cerâmicas piesoelétricas transparentes, e ele pode ser usado para pequeno aparelho portátil tal como calculadores e relógios eletrônicos por causa da sua transparências.
Figura 3.26 – Princípios e estrutura de Ferpic e seu método de exibição ("display").
3.14 – QUE TIPOS DE CERÂMICAS PODEM DETETAR GÁS?
	Em geral para os sensores de gás usados para detectar vazamentos de gás, as saídas elétricas diretas são adequadas, e elas são classificadas em dois tipos: o método do semicondutor e o método da queima por contato. No método do semicondutor (usualmente um semicondutor de óxido tipo-n) uma alta temperatura é mantida por um aquecedor, e quando ele entra em contato com um gás combustível, usa-se a variação (decréscimo) na resistência elétrica. Por outro lado, o método de queima por contato usa a elevação da temperatura de um fio de platina quando um gás combustível for queimado por meio de um catalisador em contato com ele, e uma variação (elevação) na resistência do fio de platina permite a detecção. Características especiais incluem a necessidade de uma grande concentração de gás com o tipo semicondutor, e a proporcionalidade do sinal de saída do tipo de queima por contato em relação à concentração do gás. Qualquer que seja o método, as principais condições para o sensor de gás são: (i) alta sensibilidade para o gás em questão, (ii) falta de resposta a gases outros que não gás combustível, e (iii) estabilidade duradoura de características.
	No desenvolvimento de sensores de gás, os requisitos mencionados acima devem ser sempre levados em consideração, e recentemente (1987) o sensor de gás tipo semicondutor passou por um bocado de melhorias. O sensor que é atualmente (1987) usado para gás combustível e se encontra comercialmente disponível é feito de uma mistura de óxido de estanho (SnO2) e uma diminuta quantidade de metais preciosos tais como paládio (Pd). Este sensor mostra uma grande resposta a vários tipos de gases em temperaturas comparativamente pequenas (<350oC), e o sensor de gás do sistema SnO2 se encontra ainda sendo estudado ativamente, mesmo embora ele tenha o ponto fraco de ser altamente sensível a álcoois e umidade.
	Como mostrado na Tabela 3.5, muitos tipos de sensores de gás tipo semicondutor além do sistema SnO2 têm sido propostos, e entre eles o sistema ZnO tem despertado interesse por causa da sua sensibilidade a gás. O sensor de gás do sistema ZnO é também um do tipo de aquecimento indireto e tem a estrutura de aquecedor interno mostrado na Figura 3.27. Por outro lado, existem sensores do tipo aquecimento direto com estruturas de aquecedor interno. 
Tabela 3.5 – Detetores e Materiais Detectados.
Figura 3.27 – Estrutura de um sensor de gás de sistema ZnO.
	No sensor de gás do sistema ZnO, seletividade de gás é obtida por meio da seleção de catalisadores. O sensor que usa catalisadores contento compostos de Pt mostram uma forte seletividade para gases tais como CO, H2, etc.
	Uma melhoria sobre a sensibilidade de sensores de gás semicondutores comuns (“standard”), existem sistema de Fe2O3-γ que, em contraste com os tipos catalíticos de Pt, Pd, são suficientemente sensíveis sem o uso de catalisadores. Diz-se que ele tem vida em serviço de 50000 horas ou mais, porque ele não usa catalisadores, que se tornam inúteis.
	Mesmo embora sensores de gás de semicondutor sejam usados como alarmes de vazamento de gás e sejam comercialmente disponíveis, a tecnologia não se pode dizer que a tecnologia esteja completa. As razões são que, uma vez que todos eles fazem uso de fenômenos superficiais, os processos de fabricação e muitos outros fatores envolvendo o uso têm efeitos complexos, e operação uniformemente estável é difícil de ser obtida. Além disto, a pesquisa fundamental demorou a dar resultados, e desenvolvimento veio na frente baseado em tentativa e erro. Uma vez que sensores de gás têm relação com a vidas da população, existe necessidade de resultados técnicos. São necessárias pesquisas conjuntas pública e privada no assunto. 
3.15 – QUE TIPOS DE CERÂMICA DETETORA DE UMIDADE EXISTEM?
	Como mostrado na Tabela 3.6, a história do desenvolvimento de sensores de umidade tem-se estendido a eletrólitos dos quais cloreto de lítio é representativo, o uso da capacidade hidrofílica e de inchamento com materiais orgânicos de alto teor de polímero, e o uso de fenômenos de absorção e desabsorção com semicondutores metálicos (Se, Ge, etc.) e óxidos metálicos. Desde o relato do dispositivo coloidal de magnetita (Fe3O4) em 1966, houve pesquisa em vários materiais para os sensores de umidade que usam cerâmica, a partir do uso do óxido crômico (Cr2O3), óxido férrico (Fe2O3), alumina (Al2O3), óxido de zinco, etc., filmes pintados, até as recentes cerâmicas do sistema Fe2O3-K2O, cerâmicas do ZnO-Li2O-V2O5, filme espesso vidrado (“glazed”) de Cr2O3, e cerâmica do sistema MgCr2O4, mas as os sinais de saídas de todos eles correspondem à umidade relativa, e principalmente medida por uma variação na resistência que acompanha absorção e desabsorção.
Tabela 3.6 – Vários sensores de umidade.
	Uma vez que sensores de umidade cerâmicos faz medições por meio de variações na resistência, os circuitos de medição são simples, e muitos dos dispositivos são de baixo custo e usáveis como instrumentos domésticos. Muito do esforço que foi feito no desenvolvimento de sensores de umidade estiveram centrados em cerâmicas, mas aqui, os princípios operacionais e aplicações práticas serão abordados em termos de um exemplo, o recentemente desenvolvimento sistema ZnO. 
	Como mostrado na Figura 3.28 , a estrutura do sensor numa cerâmica de alta porosidade em forma de biscoito plano fino (“wafer”) cujas duas faces têm eletrodos de alta porosidade fazendo o fundo ele (sensor). A estes, fios de platina-ródio são soldados, e o todo é anexado a um suporte de selo hermético. Os condutores são soldados nele e ele é instalado numa caixa plástica retangular e fixado com resina. É uma construção que pode suportar suficientemente vibração e testes de queda. 
Figura 3.28 – Estrutura do sensor de umidade do sistema ZnO-Cr2O3.
	Os princípios por de trás da sensibilidade à umidade e seu mecanismo podem ser pensados da seguinte maneira. Figura 3.29 mostra uma seção reta da estrutura do componente cerâmico. A cerâmica base consiste de grãos com estrutura espinélica, de alta porosidade, feitos a partir de partículas de ZrCr2O4 de 2 a 3 μm, e a superfície destas partículas é recoberta com uma camada vítrea de filme fino uniforme feito de LiZnVO4. Os pontos Li-O, que são sensíveis à umidade, são fixados na estrutura da matriz V-O, de modo que a camada mais sensível tem uma estrutura estável. As condições superficiais da camada sensível à umidade são de que ela mantém estável radicais OH-, e sobre este radicais uma camada de absorção multi-molecular de molécula de água seja formada. Pode-se pensar numa camada mostrando condutividade de umidade.
Figura 3.29 – Conceitualização do sensor de umidade ZnCr2O4. 
3.16 – O QUE SÃO CERÂMICAS QUE DETECTAM PRESSÃO?
	Os efeitos de pressão sobre ações humana é grande, e existe um grande necessidade potencial de sensores de pressão em coisas tal como medições de pressão atmosférica em fenômenos meteorológicos, medições médicas da pressão do sangue e dos músculos cranianos, pressão de óleo em fábricas, medida e controle de pressão de gás, etc. O desenvolvimento de sensores de pressão tem sido lento comparado com aquele de sensores de temperatura, e seu uso não tem passado da medição. 
	Como mostrado na Tabela 3.7, existem dispositivos sólidos semicondutores,piesoelétricos e ferromagnéticos para determinação da pressão e, em termos de cerâmicas, cerâmicas piesoelétricas e ferritas ferromagnéticas podem ser citadas. Aqui, sensores piesoelétricos de pressão e de aceleração, que se encontram mais adiantados (em 1987) em relação aos outros em termos de uso prático, serão mencionados. 
Tabela 3.7 – Vários sensores de pressão.
(1) Sensores de Pressão pieso-elétricos.
	Quando uma força for aplicada a cristais tais como quartzo, titanato de bário (BaTiO3), ou óxido de zinco, um sinal de saída é causado por uma polarização que depende da mudança de pressão, e sensores de pressão piesoelétricos fazem uso disto. Eles estiveram em uso por um tempo, mas os materiais eram sistemas BaTiO3 e sistema PZT (PbTiO3-PbZrO3). Recentemente (em relação a 1987), entretanto, foi desenvolvido um sensor piesoelétrico no qual ZnO é aplicado a um substrato por um método de vaporização em uso, e existe um material piesoelétrico flexível baseado em materiais de alto polímero tal como fluoreto de polivinilideno (PVF2).
	Também recentemente, sensores de pressão tipo SAW que faz uso de ondas elásticas superficiais têm sido valorizadas por sua precisão e praticabilidade e estão passando por um rápido desenvolvimento. Como mostrado na Figura 3.30, a estrutura é constituída de 2 seções, cada qual tendo dois conjuntos de linhas de atraso emparelhadas num substrato piesoelétrico. A seção de detecção tem um diafragma sensor de pressão de 5 a 6mm de espessura, e a espessura é variada de acordo com a taxa ("rating"). Ele é feito de um dos dois conjuntos de seções de linha de atraso no centro do diafragma e a outra em sua aresta. A pressão é detectada por uma síntese de sinais de saída ("outputs") dos osciladores composto destes dois conjuntos de linhas de atraso SAW. Um exemplo deste tipo de sensor poderia ter uma mudança na freqüência de 50 kHz com uma faixa de pressão de 0 a 600 psi ( 1 psi = 0,07 kg/cm2) – isto é 73 Hz por psi.
Figura 3.30 – Esquema do sensor de pressão tipo-SAW.
(2) Sensor de Aceleração.
	O sensor mencionado acima é para detecção de pressão estática, mas existe um sensor para detectar força dinâmica, em outras palavras uma aceleração. O dispositivo usado no sensor de aceleração está centrado ao redor de cerâmicas piesoelétricas. No dispositivo piesoelétrico, o número de correlações entre forças aplicadas e cargas geradas ou voltagens geradas na direção da aplicação pode ser vista. De fato, quando uma estricção é causada numa cerâmica piesoelétrica polarizada por meio da aplicação de uma força externa, uma carga elétrica proporcional àquela força é gerada na superfície da cerâmica, e por meio da voltagem, uma observação pode ser feita. 
	Como notado acima, o sensor de aceleração detecta pressão por meio de uma carga elétrica ou voltagem, e suas características incluem extremamente alta sensibilidade de voltagem. Ele tem o ponto fraco de não ter sensibilidade estática, uma vez que uma carga elétrica não pode ser mantida por causa dos limites externos do tipo de carga-resposta. Por outro lado, uma vez que não existe nenhum problema com a histerese, e uma vez amplificação é fácil por causa de nenhuma flutuação de dado, ele é muito fácil para usar.
3.17 – QUAIS SÃO OS USOS DE ALUMINA TRANSLUCENTE?
	Em geral cerâmicas têm sido consideradas não ajustáveis para materiais ótico uma vez que elas não são transparentes, mas correntemente, como mencionado na Seção 3.13, muitos tipos de cerâmicas translucentes estão sendo desenvolvidas (em 1987), especialmente alumina translúcida, que foi a primeira cerâmica translucente, desenvolvida pelos pesquisadores da GE em 1958. Uma vez que ele é superior a vidro em resistência térmica e resistência mecânica, ela tem sido usada em tubos de iluminação em lâmpadas de alta intensidade de descarga e receptáculos translucentes de alta temperatura. Tem havido um progresso bastante notável nos tubos de iluminação para lâmpadas "HID" (descarga de alta intensidade). Portanto, melhorias têm sido feitas dos pontos de vista da eficiência e da ampliação da vida em serviço de lâmpadas HID. Uma vez que a vida de uma lâmpada HID depende mais da solda de selo do que da alumina usada para o tubo de iluminação, o requisito centra-se em como elevar da transmissividade. A Figura 3.31 mostra uma lâmpada de sódio de alta intensidade e tubos de iluminação. 
Figura 3.31 – Lâmpada de sódio de Alta Intensidade e tubos de iluminação. 
	Os seguintes pontos se tornam problemas onde a passagem de luz através da cerãmica estiver concerne. Primeiro, a absorção de luz causada por impurezas contribui a maior parte do abaixamento do coeficiente de transmissão. A seguir, nos mesmo modos como foram mencionados na Seção 3.13, existe a reflexão de luz e o espalhamento causado por superfícies, contornos de grão e poros, e esta reflexão e espalhamento alonga os passos da luz, com um resultante aumento na quantidade de luz absorvida. Correspondentemente, a melhoria da alumina transparente começa com a fabricação dela na forma altamente pura e densa.
	Com alta purificação e alta densificação, absorção da luz e espalhamento por poros é diminuído, e existe um aumento na transmissividade difusa. A transmissividade difusa é definida como a razão da quantidade total de luz emergindo a partir do tubo de iluminação, com o seus espalhamento de luz por superfícies, contornos de grão, e poros, a quantidade total de luz dentro do tubo. Materiais com uma razão de cerca de 90% ou maior pode ser usado para lâmpadas HID, e recentemente, 97% dos materiais têm sido obtidos.
	Entretanto, a luz que é espalhada e refletida dentro ou pela superfície da cerâmica de alumina e vai de volta dentro do tubo, é absorvida pelo vapor de sódio, como notado acima, o resultado é uma influência sobre a transmissividade difusa. Recentemente (referente a 1987), melhorias na transmissividade linear é requerida. A transmissividade linear correlaciona-se com a transparência que pode ser vista com o olho, e uma vez que ela é a razão da luz emergente inafetada pela reflexão e o espalhamento à luz gerada, poros, contornos de grão, e condições de superfície se tornam problemáticos. 
	Se a quantidade de poros for diminuída e a superfície for suficientemente polida, pode ser visto que o tamanho de grão exerce uma influência sobre a transmissividade linear. O aumento do tamanho de grão é eficiente na diminuição do espalhamento da luz causado por contornos de grão, mas por outro lado, controle delicado de tamanho de grão é necessário, porque a resistência mecânica da cerâmica é inversamente correlacionada com o tamanho de grão. Um exemplo das correlações entre microestrutura e várias características é mostrada na Figura 3.32 e na Tabela 3.8. A partir destes dados, pode ser visto que as condições de superfície criadas por uma composição com tanto grande quanto pequeno tamanhos de grão, como mostrado na Figura 3.32(c), não são satisfatórias. Material com um tamanho médio de grão de 20 μm e uma uniformidade de tamanho de 1,8 ou menos são adequados para uso em tubos de iluminção.
Figura 3.32 – Microestrutura de cerâmica de alumina translucente. (a) Estrutura de grão uniformemente grande. (b) Estrutura de grão uniformemente pequeno. (c) Estrutura com uma variedade de tamanhos de grão.
Tabela 3.8 – Propriedades e microestruturas de cerâmicas de alumina.