4º Jornadas de Desarrollo e Innovación, Noviembre 2002 1


Transductor piezoeléctrico pulsado de película
gruesa
Gwirc, S.; Garcia Morillo, M. F.; Brengi, D.
Centro de Investigación y Desarrollo en Telecomunicaciones Electrónica e In-
formática. (CITEI)

OBJETIVO
Analizar el funcionamiento de los trans-
ductores de película gruesa en modo pulsado
y sus posibilidades de generar ondas en dis-
tintos materiales sólidos, utilizando el método
de tiempo de vuelo para la medición de espe-
sores.
MATERIALES Y MÉTODO
Fabricación de los transductores
Los transductores de película gruesa se
realizan imprimiendo los elementos cerámicos
mediante serigrafía, usando una malla tensa-
da y fina de acero inoxidable, recubierta de
una emulsión sensible al UV sobre la cual se
forma el dibujo [1],[2]. La pintura se coloca so-
bre la malla y una espátula la atraviesa bajo
presión, forzando el pasaje de la pintura por
las zonas abiertas de la malla e imprimiendo
sobre un substrato de alúmina. Antes de apli-
car pintura de PZT, se imprime sobre el subs-
trato un electrodo inferior de oro y después del
PZT se coloca el electrodo superior [3]. De es-
ta manera se obtiene un elemento bicapa da-
do por el PZT más el substrato, que forma el
transductor propiamente dicho y que más tar-
de es polarizado para lograr su funcionamien-
to como piezoeléctrico.
Se prepararon dos tipos de transducto-
res, ambos sobre cerámica de 0,6 y 0,1 mm
de espesor, de dos diámetros diferentes 8 y 4
mm, con los que se obtuvieron transductores
con frecuencias de resonancia en 3,5 y 7,5
MHz aproximadamente. Las mediciones fue-
ron comparadas con un transductor comercial
con frecuencia de resonancia de 4 MHz [4],[5].
Sistema de medición
Debido a las pérdidas por onda refleja-
da que significa la falta de adaptación de im-
pedancia eléctrica y el cambio de impedancia
acústica entre medios, es necesario excitar al
transductor con un pulso de tensión elevada
para obtener un eco de amplitud razonable
para la medición [6].
En los transductores de 8mm se utilizó
el esquema de la figura 1 para capturar los
pulsos de excitación y retorno.

Fig. 1: Esquema para la captura del pulso de excitación y
retorno.
La excitación de los transductores se
realizó con un generador de pulsos Agilent
8114A con impedancia de salida ajustable. Se
utilizaron pulsos con amplitud de 25 a 80 Volt,
de 100 ns de ancho y un período de 100 µs,
tiempo suficiente para que la excitación y los
ecos se atenúen completamente. La señal fue
adquirida mediante un osciloscopio con me-
moria Agilent 56422D. Debido a su menor
área las muestras de 4 mm de diámetro ne-
cesitan una mayor energía de excitación. Para
esto se utilizó un equipo comercial marca
Krautkrämer modelo USIP 11, que produce
pulsos entre 50 y 500 V.

4º Jornadas de Desarrollo e Innovación, Noviembre 2002

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RESULTADOS
La medición de los pulsos se realizó
sobre dos tipos de muestras. La primera es
un patrón de medición de espesores de acero
en el que la velocidad de propagación de on-
das longitudinales es de unos 5000 m/s. La
segunda son placas de lucite, en las que la
velocidad de propagación del sonido es mu-
cho más baja que en acero, 2700 m/s.
Una característica importante es el ta-
maño de la zona muerta, es decir el tiempo
que se mantienen las oscilaciones propias del
transductor limitando el tiempo mínimo para
recibir un eco y que no se superpongan. Se
observa de las figuras 2 y 3 que el transductor
comercial tiene una zona muerta menor a la
mitad del nuestro y esto es debido a la amor-
tiguación mecánica y adaptación de impedan-
cia eléctrica.

Fig. 2: Respuesta del transductor de película gruesa en
acero de 10mm de espesor.
Fig. 3: Respuesta del transductor comercial en acero
de 10mm de espesor.
Por otra parte la señal obtenida en las
mismas condiciones es mucho más intensa
en el transductor de película gruesa que en el
comercial. Es también bastante nítida y con
poco ruido, lo que permite determinar la fre-
cuencia de resonancia en la que está emitien-
do el cerámico piezoeléctrico y su composi-
ción espectral aplicando la transformada de
Fourier, así como también encontrar el ancho
de banda del transductor.
En la figura 4 se puede ver la respuesta
del transductor de película gruesa sobre una
placa de lucite cuyo coeficiente de atenuación
es mucho mayor al del acero, de modo que
sólo entra en pantalla un eco de baja ampli-
tud.

Fig. 4: Respuesta del transductor de película gruesa en
lucite de 9.4mm de espesor.
CONCLUSIONES
Los transductores piezoeléctricos de
película gruesa tienen un excelente compor-
tamiento en modo pulsado y soportan picos
de tensión elevados. Tienen una zona muerta
algo elevada pero puede reducirse mediante
el amortiguamiento mecánico del transductor
y adaptando la impedancia en la frecuencia de
resonancia.
Referencias
[1] Ed. M. Prudenziati, Handbook of sensors and Actuators/Thick
Film Sensors, vol. 1, Elsevier, NH, 1994.
[2] M. Prudenziati and R. dell’Acqua, Thick film Sensors, 1994,
85- 97
[3] S. Gwirc,, H. Gómez, C. Negreira, L. Malatto, "Ultrasonic PZT
Gas Sensor Using Thick Film Technology", in Proceedings of the
"IEEE International Ultrasonics Symposium", 1997, pp. 427 - 431.
[4] S. Gwirc, S. Tropea, C. Negreira, N. Perez, "Fabrication and
Characterization of Piezoelectric Thick Film Elements and Arrays",
Proceedings of the "IEEE International Ultrasonics Symposium",
2000.
[5] S. Gwirc, S. Tropea, M. F. García Morrillo y C. Negreira, “Emi-
sores de Ultrasonido de Película Gruesa Pintados sobre Alúmina y
Silicio”, VII Workshop IBERCHIP, Montevideo, marzo 2001.
[6] S. Kino, "Acoustic Waves", Egewood Cliffs, NJ: Prentice-
Hall, Inc., 1987.
Para mayor información contactarse con:
Sergio Gwirc– sng@inti.gov.ar
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