Transductores basados en ferroelectretos para aplicaciones ultrasónicas en aire

Abstract

Los polímeros de estructura celular e internamente cargados de manera cuasi permanente, constituyen una nueva clase de materiales con propiedades electromecánicas interesantes. Gracias a que su respuesta piezoeléctricas guarda semejanza con la que exhiben los materiales ferroeléctricos, se ha acuñado para ellos el término ferroelectretos. Su reciente aparición y sus características físicas inusuales abren nuevas alternativas en el diseño de transductores ultrasónicos, haciendo necesario cuanti car su potencial real en diversidad de usos, entre los que se cuentan las aplicaciones ultrasónicas que utilizan el aire como medio de propagación.

Los ferroelectretos poseen varias caracteíssticas prometedoras para la construcción de transductores ultrasónicos. Su alta sensibilidad expresada en términos del coe ciente piezoeléctrico d33, su amplio rango de frecuencia utilizable entre 30 kHz y 2 MHz, su baja impedancia acústica ( 0.03 MRayls) y su incomparable exibilidad mecánica, les hacen especialmente atractivos para fabricar transductores ultrasónicos de excelentes prestaciones en aplicaciones en aire. Además de lo anterior, cabe resaltar que los ferroelectretos son una tecnología de fácil uso y manipulación, así como de bajo coste. El único material ferroelectreto disponible comercialmente en el momento actual es la película electromecánica Em tTM. Por esta razón los resultados mostrados en este trabajo están basados en transductores fabricados con esta película. A la fecha se han desarrollado películas con prestaciones superiores en cuanto a sensibilidad y se espera que en el futuro cercano estén también disponibles en el mercado. No obstante, utilizando la película Em t, ha sido posible demostrar el potencial y la versatilidad de los ferroelectretos en aplicaciones ultrasónicas en aire.

Este trabajo de tesis está dividido en cinco capítulos autocontenidos. Inicialmente se describe el estado actual de desarrollo de la tecnología, indicando sus ventajas y limitaciones, así como su potencial en aplicaciones ultrasónicas en aire (US-A). De igual manera, se presenta un estado del arte de las diferentes tecnologías utilizadas en US-A con el n de enmarcar a los ferroelectretos dentro del panorama actual constituido por las cerámicas piezoeléctricas, los piezocompuestos, los dispositivos electrostáticos y los polímeros piezoeléctricos como el PVDF. En el capítulo dos, se presenta la caracterización de la película Em t como material base para el desarrollo de transductores. Utilizando medidas obtenidas por interferometría láser, se presenta la caracterización y el análisis vibro-acústico de dispositivos de geometría plana, tanto de capa simple como multicapa. Igualmente, se demuestra que, a pesar de la no homogeneidad de la película Em t y de su patrón vibratorio, la respuesta dinámica de dispositivos de capa múltiple puede ser estimada utilizando un modelo electromecánico acoplado y de parámetros concentrados; el cual es identi cado utilizando la respuesta de transductores previamente caracterizados. Dicho modelo, que incluye el efecto del adhesivo usado en la jación de la película a un substrato, permite predecir adecuadamente las frecuencias de resonancia de transductores multicapa, lo cual resulta de gran utilidad al diseñar los transductores. El capítulo tres introduce un nuevo concepto en el diseño de transductores ultrasónicos. Gracias a la gran exibilidad mecánica de la película Em t, a su modo de vibración tipo pistón y sensibilidad inalterables por la geometría curvada del substrato, resulta posible concebir lo que en este trabajo se ha denominado transductores ultrasónicos de super cie desarrollable. A lo largo del capítulo se presenta una comparaci ón teórico-experimental de la respuesta acústica de transductores novedosos fabricados con Em t, sobre substratos cilíndricos, cuasiesféricos y helicoidales, para generar, entre otras posibilidades, patrones de radiación panorámicos, omnidireccionales y vórtices acústicos. Posteriormente, en el cuarto capítulo se presenta un nuevo proceso, económico y con able, para la fabricación de arrays de transductores con ferroelectretos, el cual reduce considerablemente la instrumentación requerida para la conformación del multitransductor. Arrays lineales fabricados con la metodología propuesta son caracterizados y sus respuestas son contrastadas con simulaciones teóricas de campo acústico. De igual manera se reporta el potencial de utilización de multitransductores en sistemas con arreglo en fase (phased arrays). En este sentido, resultados pioneros son presentados en la inspección de defectos en materiales textiles. Finalmente, el último capítulo condensa los resultados más relevantes de nuestra investigación con ferroelectretos para aplicaciones ultrasónicas en aire, resaltando las aportaciones originales de la siguiente tesis. A su vez se presentan posibles vías para extender en el futuro el trabajo documentado.