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生物医学传感压电式生物医学传感压电式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10/6/20232上次课内容回顾7/31/20232

§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10/6/20233

§7-1压电式传感器

工作原理---压电效应7/31/一、压电效应10/6/20234一、压电效应7/31/2023410/6/202357/31/20235重要特性（双向有源器件）何为压电式传感器?10/6/20236重要特性何为压电式传感器?7/31/20236二、压电材料：具有压电效应的材料10/6/20237二、压电材料：具有压电效应的材料7/31/20237纳米发电机10/6/20238纳7/31/20238高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆

10/6/20239高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆710/6/2023107/31/202310⑴石英晶体的压电效应天然形成的石英晶体外形10/6/202311⑴石英晶体的压电效应天然形成的石英晶体外形7/31/2023、SAW传感器的基本原理§7-2声表面波传感器（P1+P2+P3）Z=0与气相色谱相结合，实现不通气体组分时间上的分离。基片上电极制作流程示意图。Ri前置放大器输入电阻(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？SAW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。在放大器开环增益A足够大时：【例1】一只x切型的石英晶体压电元件，其d11=2.§7-1压电式传感器(c)FX>0【例1】一只x切型的石英晶体压电元件，其d11=2.（a）单指叉指换能器，放大传感器输出的弱信号另外，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；（a）电压等效电路（b）电荷等效电路Ca传感器的固有电容3、高强度，易于设计；石英晶体三个晶轴光轴：z

电轴：x

机械轴：y10/6/2023123、SAW传感器的基本原理石英晶体三个晶轴光轴：z

电轴：x石英晶体的产生压电效应的物理过程：10/6/202313石英晶体的产生压电效应的物理过程：7/31/202313Y+++---X(a)FX=0P1P2P3

作用力与产生电荷之间的关系：FXXY++++－－－－FX(b)FX<0+++---P1P2P3(P1+P2+P3)X>0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=010/6/202314Y+++---X(a)FX=0P1P2P3作用力与产生（P1+P2+P3）X<0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0(c)FX>0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－10/6/202315（P1+P2+P3）X<0(c)FX>0Y+++-10/6/2023167/31/202316石英晶体切片石英晶体薄片双面镀银并封装10/6/202317石英晶体切片石英晶体薄片双面镀银并封装7/31/20231710/6/2023187/31/202318（2）压电陶瓷的压电效应10/6/202319（2）压电陶瓷的压电效应7/31/20231910/6/2023207/31/20232010/6/2023217/31/20232110/6/2023227/31/2023221、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；压电传感器实际的等效电路一、声表面波的基本原理（P1+P2+P3）Z=0(c)FX>05，横截面积A=5cm2，厚度h=0.传感器电压灵敏度Ku：与气相色谱相结合，实现不通气体组分时间上的分离。前置放大器也有两种形式：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（5）叉指的周期M。§7-2声表面波传感器（P1+P2+P3）Y=02、低成本，利用半导体工艺的光刻技术（平面工艺）；作用力与产生电荷之间的关系：2、

压电式压力传感器§7-2声表面波传感器Ri前置放大器输入电阻§7-2声表面波传感器二、SAW传感器的基本原理三、压电方程或10/6/2023231、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110/6/2023247/31/202324F1XY++++－－－－F1F1<0+++---P1P2P31、纵向效应传感器2、横向效应传感器

10/6/202325F1XY++++－－－－F1F1<0+++---P1P2四、等效电路与测量电路＋＋＋＋――――Q电极压电晶体(a)QCa(b)其电容量为：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：理想等效电路：10/6/202326四、等效电路与测量电路＋＋＋＋――――Q电极压QCtUaUa＝Q/CaQ＝UaCaCa（a）电压等效电路（b）电荷等效电路10/6/202327QCtUaUa＝Q/CaQ＝UaCaCa（a）电压等效电电荷型电压型

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10/6/202328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【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？10/6/202329【例1】一只x切型的石英晶体压电元件，其d11=2.31×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10/6/202330测量电路压电式传感器的前置放大器有两个作用：7/31/20

1、电压放大器

压电元件所受作用力

传感器电压灵敏度Ku：传感器的输入电压：10/6/2023311、电压放大器压电元件所受作用力传感器电压灵敏度K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：灵敏度与电缆电容无关10/6/202332电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器。2、电荷放大五、压电传感器的应用1、压电式加速度传感器10/6/202333五、压电传感器的应用1、压电式加速度传感器7/312、

压电式压力传感器10/6/2023342、

压电式压力传感器7/31/202334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10/6/202335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4、

压电式传感器的其他应用10/6/2023364、

压电式传感器的其他应用7/31/2023363、高强度，易于设计；（P1+P2+P3）Y=0与气相色谱相结合，实现不通气体组分时间上的分离。四、等效电路与测量电路电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。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；光轴：z

电轴：x

机械轴：y与气相色谱相结合，实现不通气体组分时间上的分离。三、SAW传感器的主要应用二、SAW传感器的基本原理3、SAW传感器的基本原理放大传感器输出的弱信号放大传感器输出的弱信号4、声表面波器件可以十分方便地产生高频信号；瑞利波（Rayleigh波）二、SAW传感器的工作原理放大传感器输出的弱信号（1）叉指对数N；压电基片内出现的电场分布Ri前置放大器输入电阻10/6/2023373、高强度，易于设计；7/31/20233710/6/2023387/31/202338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10/6/202339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、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10/6/202340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，医用作业：超声多普勒血流记10/6/202341作业：超声多普勒血流记7/31/202341§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10/6/202342§7-2声表面波传感器一、声表面波的基本原理二、SAW一、声表面波的基本原理1.声表面波简介10/6/202343一、声表面波的基本原理1.声表面波简介7/31/20234瑞利波示意图

瑞利波质点运动随深度的变化

瑞利波（Rayleigh波）

10/6/202344瑞利波示意图瑞利波质点运动随深度的变化瑞利波（Rayle勒夫波（Lovewaves）

10/6/202345勒夫波（Lovewaves）7/31/2023452.声表面波的发展历史10/6/2023462.声表面波的发展历史7/31/202346压电基片内出现的电场分布Ri前置放大器输入电阻4、声表面波器件可以十分方便地产生高频信号；2、SAW叉指换能器的制备3、SAW传感器的基本原理电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。天然形成的石英晶体外形【例1】一只x切型的石英晶体压电元件，其d11=2.（P1+P2+P3）Z=03、高强度，易于设计；§7-2声表面波传感器一、声表面波的基本原理把传感器的高输出阻抗换成低阻抗输出；工作原理---压电效应3、高强度，易于设计；（a）单指叉指换能器，（a）电压等效电路（b）电荷等效电路放大传感器输出的弱信号§7-2声表面波传感器压电式传感器的前置放大器有两个作用：(P1+P2+P3)X>0二、SAW传感器的工作原理3.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；10/6/202347压电基片内出现的电场分布3.声表面波的技术特点4、声表面波器10/6/2023487/31/20234810/6/2023497/31/202349SAW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10/6/202350SAW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1、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。

10/6/2023511、SAW叉指换能器的工作原理（a）单指叉指换能器，7/31IDTs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/410/6/202352IDTs的参数：7/31/202352压电基片内出现的电场分布

10/6/202353压电基片内出现的电场分布7/31/202353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10/6/202354基片上电极制作流程示意图。（a）基片前处理；（b）镀金属膜；10/6/2023557/31/2023553、SAW传感器的基本原理SAW传感器特性SAW传感器优势10/6/2023563、SAW传感器的基本原理SAW传感器特性SAW传感器优势7Ca传感器的固有电容压电传感器实际的等效电路2、

压电式压力传感器（a）单指叉指换能器，与气相色谱相结合，实现不通气体组分时间上的分离。(P1+P2+P3)X>0放大传感器输出的弱信号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；二、SAW传感器的基本原理作用力与产生电荷之间的关系：事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、天然形成的石英晶体外形三、SAW传感器的主要应用电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器。§7-2声表面波传感器二、SAW传感器的基本原理石英晶体的产生压电效应的物理过程：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；在放大器开环增益A足够大时：3、高强度，易于设计；Ri前置放大器输入电阻3、高强度，易于设计；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10/6/202357Ca传感器的固有电容三、SAW传感器的主要应用物理传感器无1、SAW温度传感器10/6/2023581、SAW温度传感器7/31/2023582、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。10/6/2023592、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4、SAW气体传感器现有气体传感技术：10/6/2023604、SAW气体传感器现有气体传感技术：7/31/202360结合敏感膜材料的SAW气体检测的基本原理：10/6/202361结合敏感膜材料的SAW气体检测的基本原理：7/31/2023与气相色谱相结合，实现不通气体组分时间上的分离。10/6/202362与气相色谱相结合，实现不通气体组分时间上的分离。7/31/2化学毒剂（GB，GA，GD，以及VX等）的检测应用－－典型应用10/6/202363化学毒剂（GB，GA，