8生物医学传感-压电式

1:03PM1第七章压电式传感器1:03PM2上次课内容回顾•自感式传感器•差动变压器式传感器•电涡流式传感器1:03PM3§7-1压电式传感器工作原理---压电效应压电材料(石英、压电陶瓷）特性等效电路及测量电路压电传感器的应用1:03PM4一、压电效应1:03PM51:03PM6重要特性（双向有源器件）何为压电式传感器?1:03PM7二、压电材料：具有压电效应的材料1:03PM8纳米发电机1:03PM9高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆1:03PM101:03PM11⑴石英晶体的压电效应天然形成的石英晶体外形1:03PM12石英晶体三个晶轴光轴：z电轴：x机械轴：y1:03PM13石英晶体的产生压电效应的物理过程：1:03PM14Y+++---X(a)FX=0P1P2P3作用力与产生电荷之间的关系：FXXY++++－－－－FX(b)FX0+++---P1P2P3(P1+P2+P3)X0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=01:03PM15（P1+P2+P3）X0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0(c)FX0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－1:03PM161:03PM17石英晶体切片石英晶体薄片双面镀银并封装1:03PM181:03PM19（2）压电陶瓷的压电效应1:03PM201:03PM211:03PM221:03PM23654321363534333231262524232221161514121211321ddddddddddddddddddPPPEEE三、压电方程)6,...,2,1;3,2,1(61imdPiimiEm或为切应力。为正应力，为应力分量，方向的分量；为电极化强度在方向；第二个下标为机械效应个下标为电效应方向，为压电应变常数，第一式中：654321,,,,iEmmimPd1:03PM24)6,...,2,1;3,2,1(61imdDiimim为切应力。为正应力，为应力分量，方向的分量；为自由电荷面密度在方向；第二个下标为机械效应个下标为电效应方向，为压电应变常数，第一式中：654321,,,,immimDd1:03PM25F1XY++++－－－－F1F10+++---P1P2P31111qFd1、纵向效应传感器2、横向效应传感器21211212121qAAFdAAFd轴方向的受力面积积轴为法线方向的电极面YAXA::211:03PM26四、等效电路与测量电路＋＋＋＋――――Q电极压电晶体(a)QCa(b)其电容量为：0raAAChh当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为：aaQUC理想等效电路：1:03PM27QCtUaUa＝Q/CaQ＝UaCaCa（a）电压等效电路（b）电荷等效电路1:03PM28QCaCcCiRaRiQCaCcCiRaRi电荷型电压型压电传感器实际的等效电路Ca传感器的固有电容Ci前置放大器输入电容Cc连线电容Ra传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻1:03PM29【例1】一只x切型的石英晶体压电元件，其d11=2.31×10-12C/N，相对介电常数εr=4.5，横截面积A=5cm2，厚度h=0.5cm。求：(1)纵向受Fx=9.8N的压力作用时压电片两电极间输出电压值为多大？(2)若此元件与高输入阻抗运放连接时连接电缆的电容为Cc=4pF，该压电元件的输出电压值为多大？1:03PM30前置放大器也有两种形式：电压放大器：其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。测量电路压电式传感器的前置放大器有两个作用：1.把传感器的高输出阻抗换成低阻抗输出；2.放大传感器输出的弱信号1:03PM311、电压放大器压电元件所受作用力sinmFFt传感器电压灵敏度Ku：3333221imumaciaciUddKFCCCCCCR3333201mmimacidFRdFUCCC传感器的输入电压：1:03PM32电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器。2、电荷放大器在放大器开环增益A足够大时：0(1)aciffAqUCCCACQC01UfKQC灵敏度与电缆电容无关1:03PM33五、压电传感器的应用1、压电式加速度传感器1:03PM342、压电式压力传感器1:03PM35流量显示1789输出信号换能器换能器接收接收发射发射压电式流量计3、压电式流量计1:03PM364、压电式传感器的其他应用1:03PM371:03PM381:03PM39汽车安全气囊系统事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、气体、充气、弹性体1:03PM40压电式血压传感器指套式电子血压计生物医学中的应用:另外，医用超声仪器：超声治疗机、超声多普勒血流记、超声手术刀、超声显微镜等等心内导管压电微音器1:03PM41作业：超声多普勒血流记1:03PM42§7-2声表面波传感器一、声表面波的基本原理二、SAW传感器的工作原理三、SAW传感器的主要应用1:03PM43一、声表面波的基本原理1.声表面波简介1:03PM44瑞利波示意图瑞利波质点运动随深度的变化瑞利波（Rayleigh波）1:03PM45勒夫波（Lovewaves）1:03PM462.声表面波的发展历史1:03PM473.声表面波的技术特点4、声表面波器件可以十分方便地产生高频信号；1、具有较低的传播速度，由于声表面波的传播速度仅为电磁波的1/10-5，在其传播路径上容易取样和进行处理；2、低成本，利用半导体工艺的光刻技术（平面工艺）；3、高强度，易于设计；1:03PM481:03PM491:03PM50SAW器件的工作原理：通过对在压电基片上传播的声信号进行各种处理，并利用声电换能器的特性来完成的。二、SAW传感器的基本原理1:03PM511、SAW叉指换能器的工作原理（a）单指叉指换能器，（b）双电极叉指换能器。1:03PM52IDTs的参数：（1）叉指对数N；（2）孔径W(指条长度）；（3）指条宽度a；（4）指条间隔宽度b；（5）叉指的周期M。均匀叉指换能器的指条宽度等于指条间隔宽度，即a=b=M/41:03PM53压电基片内出现的电场分布1:03PM54基片上电极制作流程示意图。（a）基片前处理；（b）镀金属膜；（c）-（d）在金属层上光刻；（e）金属层腐蚀；（f）除胶。2、SAW叉指换能器的制备1:03PM551:03PM563、SAW传感器的基本原理SAW传感器特性SAW传感器优势1:03PM57三、SAW传感器的主要应用温度传感器压力传感器湿度传感器陀螺仪（角速率）气体(化学)传感器液体(生物)传感器压力检测温度检测电子标签识别物理传感器无线传感器化学、生物传感器1:03PM580()refvvTCDTT1、SAW温度传感器1:03PM592、SAW压力传感器应用：在某些心脏肺部驱动以及一些生物技术、工艺流程中得到较好的应用。1:03PM604、SAW气体传感器现有气体传感技术：1:03PM61结合敏感膜材料的SAW气体检测的基本原理：1:03PM62与气相色谱相结合，实现不通气体组分时间上的分离。1:03PM63化学毒剂（GB，GA，GD，以及VX等）的检测应用－－典型应用1:03PM641:03PM655.无线传感器1:03PM661:03PM67工作原理---压电效应压电材料(石英、压电陶瓷）特性等效电路及测量电路压电传感器的应用SAW传感器的原理及应用小结