APLICACIONES BIOMÉDICAS DE LOS LANTÁNIDOS CUANDO

Memorias II Congreso Latinoamericano de Ingeniería Biomédica, Habana 2001, Mayo 23 al 25, 2001, La Habana, Cuba
APLICACIONES BIOMÉDICAS DE LOS LANTÁNIDOS
CUANDO SUSTITUYEN AL Pb2+ EN LAS PIEZOCERÁMICAS DE
PbTiO3.
E. Suaste, R. González, V. Castillo
CINVESTAV-IPN, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Sección de Bioelectrónica.
07000 México D.F., Apdo. Postal 14-740
[email protected], [email protected], [email protected]
RESUMEN
En el presente trabajo se estudia las propiedades de las
cerámicas
piezoeléctricas
en
la
composición
Pb0.88(Ln)0.08Ti0.98Mn0.02O3, donde Ln representa a ocho
metales del grupo de los lantánidos, como son La, Nd,
Sm, Eu, Gd, Dy, Ho y Er. Para obtener mejores resultados
se utilizo el Sm, ya que se ha demostrado que es el
elemento que ofrece mejores características en la
operación de piezoeléctricos, es decir responde mejor a
altas frecuencias y cuenta con una alta anisotropía
electromecánica. También se plantea una nueva forma de
caracterizar las cerámicas a su frecuencia natural de
resonancia, mediante la utilización de rayo láser el cual
permite observar la vibración mecánica de la oblea, este
método
se aplicó en obleas comerciales de baja
frecuencia hasta el momento, sin embargo puede ser
utilizado de la misma forma para caracterizar
piezocerámicas de frecuencias mayores.
Palabras clave: piezoelectricidad, frecuencia
resonancia, láser, ultrasonido, lantánidos.
de
1. INTRODUCCIÓN
Los sistemas acústicos para el rastreo por ultrasonido que
utilizan arreglos lineales piezoeléctrico han sido
ampliamente desarrollados durante los últimos años. Para
este fin el uso de cerámicas piezoeléctricas basadas en
sistemas titanato-zirconato de plomo (PZT) tiene
limitaciones en cuanto a la necesidad de obtener una
buena resolución en estos transductores de alta
frecuencia[1,2]. Esto se debe a que este sistema exhibe
un alto coeficiente electromecánico en el modo radial
(Kp), cuyos armónicos pueden interferir con la
frecuencia fundamental de la transmisión y recepción
deseada en el modo espesor. El Titanato de plomo es un
ferroeléctrico tipo perovskita que, comparado con otras
cerámicas piezoeléctricas basadas en sistemas tales como
BaTiO3 y Pb(Zr,Ti)O3, posee un valor muy pequeño en la
constante dieléctrica (å 200), alta temperatura de
Curie(Tc=490 o) y una alta anisotropía entre los factores
de acoplamiento electromecánico (Kt/Kp). Esta propiedad
ha hecho posible que estas cerámicas sean usadas en
arreglos de transductores para alta frecuencia (> 5MHz),
y la razón entre el ancho y espesor, en contraste con las
cerámicas PZT, puede ser mayor a la unidad [2,3]. Sin
embargo, el Titanato de plomo puro es muy difícil de
sinterizar por su alta tretragonalidad (c/a=1.064), lo cual
hace que al pasar por la temperatura de Curie, aparezcan
tensiones que provocan la desintegración del material.
Por esta razón algunos autores han reportado la obtención
de buenas propiedades en el PbTiO3 modificado con
metales alcalinos y tierras raras. Takeuchi [4,5] estudia el
comportamiento de los valores de Kp, Kt, Tc y å en la
fórmula nominal:
(Pb(1-3x/2) Lnx) (Ti1-y Mny) O3
para Ln3+ = La, Pr, Nd, Sm y Gd, encontrando las
mejores propiedades para x=0.08 y y=0.02 y en particular
mayor anisotropía para el Sm.
El presente trabajo tiene como objetivo observar las
características de las piezocerámicas de PbTiO3
modificado con elementos del grupo de los lantánidos,
especialmente el Sm, para su utilización en aplicaciones
biomédicas.
2. METODOLOGÍA
2.1 Elaboración de las cerámicas.
Para la elaboración de las cerámicas se utilizó la
siguiente formulación:
(Pb(1-3x/2) Sm x) (Ti1-y Mny) O3
siendo x=0.08 y y=0.02.
Las cerámicas fueron elaboradas utilizando el método
cerámico convencional[7], que comprende: 1) la mezcla
húmeda (etanol) de los óxidos de partida PbO (99.999%
de pureza), Sm2O3 (99.9% de pureza), TiO2 (99% de
pureza) y MnO2 (99% de pureza) durante dos horas; 2)
prensado de las muestras para conformar discos de
diversos diámetros (1 Ton/cm2); 3) precocido de las
muestras utilizando la rampa de figura 1; 4) molienda
húmeda (alcohol polivinílico) del material precocido
durante 2 horas dejando secar 8 horas; 5) sinterización de
las cerámicas (previamente conformadas en discos de
diversos diámetros) utilizando un crisol de platino
debidamente sellado utilizando las rampas de temperatura
de la figura 2. Para hacer el control de las rampas de
temperatura se utilizó un horno con control de rampa
programable (Carbolite HTG 1600).
Fig. 1. Rampa de control de temperatura utilizada para el precocido.
950-7132-57-5 (c) 2001, Sociedad Cubana de Bioingeniería, artículo 00195
Fig. 2. Rampa de control de temperatura utilizada para el sinterizado.
La aplicación de los contactos eléctricos se hizo mediante
la aplicación de pintura de plata. Las cerámicas fueron
polarizadas a una temperatura de 160º C aplicando un
campo de polarización de 4.5 kV/mm de espesor durante
15 minutos, manteniendo el campo aplicado hasta el
enfriamiento a temperatura ambiente.
2.2 Determinación de la temperatura de Curie.
Una característica importante a considerar en las
cerámicas piezoeléctricas es conocer su temperatura de
Curie (Tc), la cual indica el limite de temperatura en la
cual la cerámica pierde sus propiedades piezoeléctricas.
Para realizar la medición de Tc. Existe un punto en el cual
se alcanza un valor máximo de capacitancia y después
empieza a descender, este punto de temperatura es Tc.
Para la obtención de la Tc de nuestras cerámicas
piezoeléctricas, utilizamos el método de medir la
capacitancia por medio de un puente de impedancias y
medir a la vez la temperatura con un termopar del tipo K
cromel – alumen y realizar una gráfica de temperatura
contra capacitancia con los datos obtenidos. Se construyó
un horno para generar temperaturas desde temperatura
ambiente hasta arriba de 400 °C para determinar la Tc.
2.3 Determinación de la frecuencia de resonancia.
El método utilizado para determinar las frecuencias de
resonancia está establecido en los estándares sobre
cristales piezoeléctricos de la IRE 1957. El método de
transmisión es utilizado para determinar la frecuencia de
resonancia a impedancia mínima de la cerámica, también
se establece el método para la medición de la frecuencia a
impedancia máxima. Un circuito simplificado para
determinar la frecuencia de resonancia a impedancia
mínima se muestra en la figura 3. El generador de señal
debe tener una impedancia de salida menor que la mínima
impedancia de la cerámica a probar. La resistencia RT que
se muestra en el diagrama también debe ser menor que la
impedancia mínima. Para determinar la frecuencia a
máxima impedancia de la cerámica, el valor de RT puede
ser aumentado[6].
Fig. 3. Circuito simplificado para determinar la frecuencia de oscilación
de cerámicas piezoeléctricas a impedancia mínima.
Otra forma de determinar la frecuencia de resonancia de
una cerámica piezoeléctrica es someterla a un pulso de
voltaje de gran magnitud, pero de tiempo muy breve, y
observar la respuesta impulso de la cerámica, esta debe
responder con una oscilación a la frecuencia de
resonancia de la cerámica piezoeléctrica[8]. Se aplicó un
pulso de 1 µS de duración y una magnitud de 177 V, para
obtener el pulso de oscilación a la frecuencia de
resonancia.
2.4 Determinación de la frecuencia de resonancia
por métodos ópticos.
Para determinación de la frecuencia de resonancia por
medio ópticos se utilizó un emisor de luz láser (ë=630 nm
a una potencia de salida de 1mW) dirigido hacia la
cerámica piezoeléctrica la cual fue previamente
metalizada para darle un acabado tipo espejo. Después el
reflejo fue captado por un fotodetector (modelo DETN12)
cuya salida fue conectada a un osciloscopio. El material
piezoeléctrico fue excitado por un generador de onda
sinusoidal variable. Se varió la frecuencia de la onda para
poder observar los cambios en la amplitud de la señal
detectada por el fotodetector. En la Fig. 4 se observa el
diagrama del proceso.
Fig. 4. Diagrama del proceso de determinación de la frecuencia de
resonancia utilizando un láser.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Como se puede ver en la figura 5, la Tc para la cerámica
hecha con Sm es de aproximadamente 390 ° C.
4.5
4
Capacidad (nF)
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
59
92
129 158 189 225 256
290 320
350 375 402
Temperatura ( C)
Fig. 5. Gráfica de temperatura contra capacitancia para cerámica hecha
con Sm, en la cual se observa que la Tc es de aproximadamente 390 ° C.
Fig. 7. Grafica de la señal de excitación y la señal detectada por el
fotodetector.
Este valor de Tc obtenido es muy semejante a lo
reportados anteriormente por otros autores como
Takeuchi para cerámicas piezoeléctricas elaboradas con
Sm[4,5].
La frecuencia de resonancia determinada con la
aplicación del pulso fue de 1.9 MHz con una amplitud
máxima de 1.25 V, la respuesta impulso
puede
observarse en la figura 6.
Fig. 8. Grafica de la señal de excitación y la señal detectada por el
fotodetector.
Fig. 6. Respuesta impulso de la cerámica piezoeléctrica. La escala
vertical es de 0.5 V por división y la horizontal de 0.5 µS por división.
La caracterización con láser se llevó a cabo utilizando
cerámicas piezoeléctricas de marca Radio Shack (número
de catálogo 273-0919) que trabajan con frecuencias
audibles para poder comparar los resultados de la
caracterización con los que describen las características
de fábrica de las cerámicas piezoeléctricas.
Las frecuencias a las que se detectó la máxima amplitud
en la señal entregada por el fotodetector son las que se
muestran en las figuras siguientes. En la figura 9 se puede
observar las características de fábrica del piezoeléctrico
utilizado para esta prueba.
Fig. 9. Características de fabrica del piezoeléctrico utilizado en la
prueba.
En las figuras 7 y 8 se observa la frecuencia donde se la
amplitud fue máxima de la señal reflejada por el
piezoeléctrico utilizado y detectada por el fotodetector. Se
observa la concordancia entre los resultados obtenidos en
la prueba y las características de fabricación de
piezoeléctrico (Fig. 9). Es importante resaltar que la
vibración detectada es una vibración mecánica la cual
modula a la luz láser y ésta, a su vez, es recibida por el
fotodetector.
4. CONCLUSIONES
La utilización de Sm y otros elementos del grupo de los
lantánidos como sustituto del Pb2+ en la fabricación de
cerámicas piezoeléctricas, ofrece muchas ventajas. Su alta
anisotropía y alta frecuencia de operación permiten
obtener mayor resolución en la obtención de imágenes por
ultrasonido, como es necesario en campos como la
oftalmología. Sin embargo, no solo tiene una alta
importancia en obtención de imágenes, sino que, también
existen otras aplicaciones dentro de la biomedicina. Este
tipo de piezoeléctricos pueden ser utilizados, por ejemplo,
como sensores de presión, en algunas otras aplicaciones
como sensores de temperatura debido a su efecto
piroeléctrico y para su utilización en la fabricación de
arreglos lineales de transductores. Se proyecta seguir con
la fabricación cerámicas piezoeléctricas que trabajen con
una mayor frecuencia de operación, del orden de los 10
MHz, para su aplicación en el campo de la oftalmología,
ecoencefalografía y visualización en los modos A, B y M
[9]. De igual forma este compuesto químico es la base
para trabajar con compositos[10].
Por otro lado, la caracterización con láser, es una opción
que nos permite observar la frecuencia de oscilación
mecánica de la cerámica piezoeléctrica a cualquier
frecuencia y con esto poder determinar la frecuencia de
resonancia de la misma.
AGRADECIMIENTOS
Al CONACYT por el apoyo otorgado mediante el
convenio 28080-A
REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
E. Suaste, M. Rivera, O. Pérez, F. Calderón, A. Pentón. "
Influencia del Radio Irónico de los Lantánidos cuando sustituyen
al Pb2+ en las Piezocerámicas de PbTiO3," Revista Mexicana de
Física. Vol. 41, No. 1, p.p. 85-94, 1995.
H. Takeuchi, S. Jyomura, C. Nayaka, y Y. Ishikawa, Proceedings
of the 4t Meeting on Ferroelectric Materials and their Applications,
Kioto (1983), Jpn. J. Of App. Phys. 22 (1983), Sup.22-2 pp. 166.
H. Takeuchi, S. Jyomura y C. Nayaka, Porceedings of the 6th
Internacional Meeting on Ferroelectric, Kobe (1985), Jpn. J. of
App. Phys. 24 (1985), Sup. 24-2 p.36.
Takeuchi Hiroshi, Jyomura Shigeru and Nakaya Chitose “Sm –
Substituted Lead Titanate Ceramics for High Frequency Ultrasonic
Probes”
Takeuchi Hiroshi, Jyomura Shigeru, Yamamoto Etsuji and Ito
Yukio “Electromechanical properties of (Pb, Ln) (Ti, Mn) 03
ceramics (Ln = rare earths)”
B. Jaffe, W. R. Cook y H. Jaffe, Piezoelectric Ceramics, 1971,
Academic Press Inc.
[7]
E. Suaste, M. Rivera y O. Pérez. "Diseño de Transductores
Piezoeléctricos de Titanato de Plomo (PbTiO3) Modificado para
Aplicaciones de Ultrasonido Medico, "Revista Mexicana de
Ingeniería Biomédica. Vol. 15, No. 1, pp. 112-115, 1994.
[8] R. Truell, C.Elbaum, B.Chick. Ultrasonic Methods in Solid State
Physics, 1969, Academic Press, Inc.
[9] K.K. Shung y G.A. Thieme, Ultrasonic Scattering in Bioilogical
Tissues. 1993CRC Press.
[10] F. L. Lizzi, New Developments in Ultrasonic Transducers and
Transducers Systems. 1992 SPIE Volume 1733.
BIOMEDICAL APPLICATIONS OF THE LANTHANUM
WHEN IT SUBSTITUTE THE Pb2+ IN THE PbTiO3
PIEZOCERAMIC.
ABSTRACT
In this work we study the properties of the ceramic piezoelectric in the composition
Pb0.88(Ln)0.08Ti0.98Mn0.02O3, where Ln represents eight metals of lanthanum group as La,
Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho and Er. To obtain better results we use Sm, since it has been
demonstrated that offers better characteristics in the piezoelectric operation, it responds
better to high frequencies and it has a high electromechanical anisotropy. We also thinks
about a new form of characterizing the ceramic ones to their natural frequency of
resonance, by means of the use of ray laser which allows to observe the mechanical
vibration of the wafer. This method was applied in commercial wafers of low frequency
until the moment, however it can be used in the same way to characterize piezoceramic of
bigger frequencies.