生物醫(yī)學(xué)傳感壓電式

生物醫(yī)學(xué)傳感壓電式4/13/20231第1頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一第七章壓電式傳感器4/13/20232第2頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一上次課內(nèi)容回顧自感式傳感器差動變壓器式傳感器電渦流式傳感器4/13/20233第3頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一

§7-1壓電式傳感器

工作原理---壓電效應(yīng)壓電材料(石英、壓電陶瓷）特性等效電路及測量電路壓電傳感器的應(yīng)用4/13/20234第4頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一一、壓電效應(yīng)4/13/20235第5頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一4/13/20236第6頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一重要特性（雙向有源器件）何為壓電式傳感器?4/13/20237第7頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一二、壓電材料：具有壓電效應(yīng)的材料4/13/20238第8頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一納米發(fā)電機4/13/20239第9頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

4/13/202310第10頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一4/13/202311第11頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一⑴石英晶體的壓電效應(yīng)天然形成的石英晶體外形4/13/202312第12頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一石英晶體三個晶軸光軸：z

電軸：x

機械軸：y4/13/202313第13頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一石英晶體的產(chǎn)生壓電效應(yīng)的物理過程：4/13/202314第14頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一Y+++---X(a)FX=0P1P2P3

作用力與產(chǎn)生電荷之間的關(guān)系：FXXY++++－－－－FX(b)FX<0+++---P1P2P3(P1+P2+P3)X>0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=04/13/202315第15頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一（P1+P2+P3）X<0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0(c)FX>0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－4/13/202316第16頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一4/13/202317第17頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一石英晶體切片石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝4/13/202318第18頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一4/13/202319第19頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一（2）壓電陶瓷的壓電效應(yīng)4/13/202320第20頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一4/13/202321第21頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一4/13/202322第22頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一4/13/202323第23頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一三、壓電方程或4/13/202324第24頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一4/13/202325第25頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一F1XY++++－－－－F1F1<0+++---P1P2P31、縱向效應(yīng)傳感器2、橫向效應(yīng)傳感器

4/13/202326第26頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一四、等效電路與測量電路＋＋＋＋――――Q電極壓電晶體(a)QCa(b)其電容量為：當兩極板聚集異性電荷時，則兩極板呈現(xiàn)一定的電壓，其大小為：理想等效電路：4/13/202327第27頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一QCtUaUa＝Q/CaQ＝UaCaCa（a）電壓等效電路（b）電荷等效電路4/13/202328第28頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一電荷型電壓型

壓電傳感器實際的等效電路Ca傳感器的固有電容Ci前置放大器輸入電容Cc

連線電容Ra傳感器的漏電阻Ri前置放大器輸入電阻4/13/202329第29頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一【例1】一只x切型的石英晶體壓電元件，其d11=2.31×10-12C/N，相對介電常數(shù)εr=4.5，橫截面積A=5cm2，厚度h=0.5cm。求：(1)縱向受Fx=9.8N的壓力作用時壓電片兩電極間輸出電壓值為多大？(2)若此元件與高輸入阻抗運放連接時連接電纜的電容為Cc=4pF，該壓電元件的輸出電壓值為多大？4/13/202330第30頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一前置放大器也有兩種形式：

電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比；電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。測量電路

壓電式傳感器的前置放大器有兩個作用：1.把傳感器的高輸出阻抗換成低阻抗輸出；2.放大傳感器輸出的弱信號4/13/202331第31頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一

1、電壓放大器

壓電元件所受作用力

傳感器電壓靈敏度Ku：傳感器的輸入電壓：4/13/202332第32頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一電荷放大器是一個具有深度負反饋的高增益放大器。

2、電荷放大器在放大器開環(huán)增益A足夠大時：靈敏度與電纜電容無關(guān)4/13/202333第33頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一五、壓電傳感器的應(yīng)用1、壓電式加速度傳感器4/13/202334第34頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2、

壓電式壓力傳感器4/13/202335第35頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射壓電式流量計3、

壓電式流量計4/13/202336第36頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一4、

壓電式傳感器的其他應(yīng)用4/13/202337第37頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一4/13/202338第38頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一4/13/202339第39頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一汽車安全氣囊系統(tǒng)事故性碰撞：點火信號、電點火管、氣體發(fā)生劑、氣體、充氣、彈性體4/13/202340第40頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一壓電式血壓傳感器指套式電子血壓計生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用:另外，醫(yī)用超聲儀器：超聲治療機、超聲多普勒血流記、超聲手術(shù)刀、超聲顯微鏡等等心內(nèi)導(dǎo)管壓電微音器4/13/202341第41頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一作業(yè)：超聲多普勒血流記4/13/202342第42頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一§7-2聲表面波傳感器一、聲表面波的基本原理二、SAW傳感器的工作原理三、SAW傳感器的主要應(yīng)用4/13/202343第43頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一一、聲表面波的基本原理1.聲表面波簡介4/13/202344第44頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一瑞利波示意圖

瑞利波質(zhì)點運動隨深度的變化

瑞利波（Rayleigh波）

4/13/202345第45頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一勒夫波（Lovewaves）

4/13/202346第46頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2.聲表面波的發(fā)展歷史4/13/202347第47頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一3.聲表面波的技術(shù)特點4、聲表面波器件可以十分方便地產(chǎn)生高頻信號；1、具有較低的傳播速度，由于聲表面波的傳播速度僅為電磁波的1/10-5，在其傳播路徑上容易取樣和進行處理；2、低成本，利用半導(dǎo)體工藝的光刻技術(shù)（平面工藝）；3、高強度，易于設(shè)計；4/13/202348第48頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一4/13/202349第49頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一4/13/202350第50頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一SAW器件的工作原理：通過對在壓電基片上傳播的聲信號進行各種處理，并利用聲電換能器的特性來完成的。二、SAW傳感器的基本原理4/13/202351第51頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一1、SAW叉指換能器的工作原理（a）單指叉指換能器，（b）雙電極叉指換能器。

4/13/202352第52頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一IDTs的參數(shù)：（1）叉指對數(shù)N；（2）孔徑W(指條長度）；（3）指條寬度a；（4）指條間隔寬度b；（5）叉指的周期M。

均勻叉指換能器的指條寬度等于指條間隔寬度，即a=b=M/44/13/202353第53頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一壓電基片內(nèi)出現(xiàn)的電場分布

4/13/202354第54頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一基片上電極制作流程示意圖。（a）基片前處理；（b）鍍金屬膜；（c）-（d）在金屬層上光刻；（e）金屬層腐蝕；（f）除膠。2、SAW叉指換能器的制備4/13/202355第55頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一4/13/202356第56頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一3、SAW傳感器的基本原理SAW傳感器特性SAW傳感器優(yōu)勢4/13/202357第57頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一三、SAW傳感器的主要應(yīng)用溫度傳感器壓力傳感器濕度傳感器陀螺儀（角速率）氣體(化學(xué))傳感器液體(生物)傳感器壓力檢測溫度檢測電子標簽識別物理傳感器無線傳感器化學(xué)、生物傳感器4/13/202358第58頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一1、SAW溫度傳感器4/13/202359第59頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2、SAW壓力傳感器應(yīng)用：在某些心臟肺部驅(qū)動以及一些生物技術(shù)、工藝流程中得到較好的應(yīng)用。4/13/202360第60頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一4、SAW氣體傳感器現(xiàn)有氣體傳感技術(shù)：4/13/202361第61頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一結(jié)合敏感膜材料的SAW氣體檢測的基本原理：4/13/202362第62頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一與氣相色譜相結(jié)合，實現(xiàn)不通氣體組分時間上的分離。4/13/202363第63頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一化學(xué)毒劑（GB，GA，GD，以及VX等）的檢測應(yīng)用

－－典型應(yīng)用4/