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Emisores de Ultrasonido de Película Gruesa Pintados sobre Alúmina y Silicio
S. Gwirc, S. Tropea, F. García Morillo, C. Negreira*
Centro de Investigación y Desarrollo en Telecomunicaciones, Electrónica e Informática, INTI
* Laboratorio de Acústica Ultrasonora, Instituto de Física, Facultad de Ciencias, Universidad de la República- Uruguay
En este estudio se analizan las características de una pintura de película gruesa formulada para obtener elementos piezoeléctricos en forma de discos y medir sus propiedades electroacústicas sobre varios substratos . El interés en las capas de película de PZT (Titanato Zirconato de Plomo) fue estimulada por las prometedoras propiedades electromecánicas y acústicas observadas, con las que se pueden desarrollar nuevos dispositivos microelectrónicos para aplicaciones
en transductores y micromecanismos.
Los elementos piezoeléctricos fueron preparados con una pintura basada en PZT. Para su preparación se dispersa el
polvo de PZT en un vehículo comercial para obtener la pintura con propiedades reológicas adecuadas y una pequeña
cantidad de una frita de vidrio para unir las partículas de PZT y fijarlas al substrato. Las características del vidrio deben
ser tales que no inhiban las características ferroeléctricas del PZT.
La caracterización del comportamiento eléctrico y vibratorio
se realizó sobre discos de PZT de 100 a 200 µm de espesor, impresos con sus correspondientes electródos sobre
substratos de alúmina y acero inoxidable. Se utilizó un modelo unidimensional para simular la variación de la impedancia con la frecuencia entre 1 y 10 MHz y obtener parámetros de funcionamiento mediante el ajuste con las mediciones. Basados en esos parámetros se simuló el funcionamiento de los transductores usando silicio como substrato.
180
Medido PZT+Al2O3
KLM de PZT+Al2O 3
KLM de PZT+ Si
160
Impedancia (Ω )
140
La variación de la impedancia eléctrica con la
frecuencia posibilita caracterizar la respuesta eléctrica
del transductor y sus frecuencias de resonancia.
Además, está relacionada con varios parámetros
típicos
del
transductor
piezoeléctrico
y su
funcionamiento electro-mecánico. Esto nos permite
utilizar un modelo del comportamiento de la
impedancia para relacionarlo con esos parámetros.
Para estudiar discos de PZT junto con el sustrato se
utilizó el modelo multicapa unidimensional de banda
ancha de Krimholt, Leedom y Matthaei (conocido
como KLM), con el que se pueden calcular varios
parámetros difíciles de medir directamente.
120
100
80
60
40
20
0
6
6
6
6
6
6
6
2x10 3x10 4x10 5x10 6x10 7x10 8x10
Frequencia (Hz)
Figura 1: Impedancia eléctrica de PZT sobre Alúmina y Silicio
Características Comparativas
Densidad
Cte. Dieléctrica
Módulo de Carga d33
Acoplamiento EM kt
Velocidad del Sonido
Impedancia Acústica
QM
3
3
(10 ) kg/m
ε/εo
-12
(10 ) C/N
m/s
6
2
(10 ) kg/m s
-
7,5
1800
425
0,47
~3800
~30
80
6,2
340 - 400
106
0,31
2650
~15
30 - 40
Las capas piezoeléctricas de película gruesa tienen una menor polarización remanente que la cerámica normal comprimida y sinterizada, lo que se evidencia en el ciclo de histéresis. La constante piezoeléctrica de carga d33 , que caracteriza las propiedades de conversión electromecánica, es aproximadamente un cuarto de la cerámica comercial pero su
impedancia acústica es alrededor de la mitad de la misma, lo que implica una importante mejora en la transmisión de
energía al medio.
Las mediciones de impedancia, que pueden observarse en la figura 1, como las de emisión - recepción muestran dos modos de resonancia importantes, uno de la capa de PZT vibrando individualmente y la otra en que vibra con
el sustrato como conjunto.
Figura 2: Dispositivo de medición utilizando efecto Schlieren
La visualización del haz de ultrasonido en forma continua, emitido por el transductor de película gruesa, facilita el
estudio de sus características como divergencia, homogeneidad, frecuencia de resonancia en agua, etc. El campo de
emisión se estudia usando el efecto Schlieren, como una aplicación de difracción de la luz por una onda
acústica que se propaga en un medio líquido. En la figura 2 se muestra un esquema del sistema óptico
utilizado, en el que para obtener las fotos del campo acústico se reemplaza la pantalla por una cámara con la
que se adquiere la imagen.
Figura 3: Elemento simple a 4.6 MHz
Figura 4: Elemento simple a 7.6 MHz
El transductor se encuentra a la derecha del cuadro en las figuras 3 y 4, mostrando el mismo elemento de un
arreglo bidimensional excitado a las dos frecuencias de resonancia del sistema antes mencionadas. A la
frecuencia menor, en que vibra el conjunto piezoeléctrico más substrato, se ve que otros elementos del
arreglo emiten sin estar excitados debido al acoplamiento a través de la alúmina. Por otro lado, en la
frecuencia de 7,6 MHz aparece una emisión limpia y de haz más estrecho, ya que al vibrar el PZT sólo no
excita otros elementos.
Este comportamiento muestra que el silicio es una alternativa de mucho interés para obtener este tipo de microtransductores con muchos elementos ya que al tener similares características acústicas, los resultados en emisión son equivalentes y al mismo tiempo las posibilidades de su tecnología puede resolver los problemas de interacción entre elementos. Efectivamente el micromaquinado del substrato de Si, ya sea en forma de canales o agujeros realizados mediante ataque anisotrópico, que separen los emisores piezoeléctricos, posibilita el desacople de los mismos cortando el
camino directo de transmisión de las vibraciones acústicas.