生物医学传感压电式资料大全

生物医学传感压电式第一页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第二页8/7/20242

§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第三页8/7/20243一、压电效应第四页8/7/20244第五页8/7/20245重要特性（双向有源器件）何为压电式传感器?第六页8/7/20246二、压电材料：具有压电效应的材料第七页8/7/20247纳米发电机第八页8/7/20248高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆

第九页8/7/20249第十页8/7/202410⑴石英晶体的压电效应天然形成的石英晶体外形第十一页8/7/202411石英晶体三个晶轴光轴：z

电轴：x

机械轴：y第十二页8/7/202412石英晶体的产生压电效应的物理过程：第十三页8/7/202413Y+++---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=0第十四页8/7/202414（P1+P2+P3）X<0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0(c)FX>0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－第十五页8/7/202415第十六页8/7/202416石英晶体切片石英晶体薄片双面镀银并封装第十七页8/7/202417第十八页8/7/202418（2）压电陶瓷的压电效应第十九页8/7/202419第二十页8/7/202420第二十一页8/7/202421第二十二页8/7/202422三、压电方程或第二十三页8/7/202423第二十四页8/7/202424F1XY++++－－－－F1F1<0+++---P1P2P31、纵向效应传感器2、横向效应传感器

第二十五页8/7/202425四、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：第二十六页8/7/202426QCtUaUa＝Q/CaQ＝UaCaCa（a）电压等效电路（b）电荷等效电路第二十七页8/7/202427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第二十八页8/7/202428【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？第二十九页8/7/202429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第三十页8/7/202430

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：第三十一页8/7/202431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第三十二页8/7/202432五、压电传感器的应用1、压电式加速度传感器第三十三页8/7/2024332、

压电式压力传感器第三十四页8/7/202434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、

压电式流量计第三十五页8/7/2024354、

压电式传感器的其他应用第三十六页8/7/202436第三十七页8/7/202437第三十八页8/7/202438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、弹性体第三十九页8/7/202439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第四十页8/7/202440作业：超声多普勒血流记第四十一页8/7/202441§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传感器的主要应用第四十二页8/7/202442一、声表面波的基本原理1.声表面波简介第四十三页8/7/202443瑞利波示意图

瑞利波质点运动随深度的变化

瑞利波（Rayleigh波）

第四十四页8/7/202444勒夫波（Lovewaves）

第四十五页8/7/2024452.声表面波的发展第四十六页8/7/2024463.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；第四十七页8/7/202447第四十八页8/7/202448第四十九页8/7/202449SAW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传感器的基本原理第五十页8/7/2024501、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。

第五十一页8/7/202451IDTs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/4第五十二页8/7/202452压电基片内出现的电场分布

第五十三页8/7/202453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叉指换能器的制备第五十四页8/7/202454第五十五页8/7/2024553、SAW传感器的基本原理SAW传感器特性SAW传感器优势第五十六页8/7/202456三、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、生物传感器第五十七页8/7/2024571、SAW温度传感器第五十八页8/7/2024582、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。第五十九页8/7/2024594、SAW气体传感器现有气体传感技术：第六十页8/7/202460（1）叉指对数N；三、SAW传感器的主要应用把传感器的高输出阻抗换成低阻抗输出；8N的压力作用时压电片两电极间输出电压值为多大？(c)FX>0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、超声显微镜等等二、SAW传感器的工作原理（c）-（d）在金属层上光刻；4、

压电式传感器的其他应用3、SAW传感器的基本原理一、声表面波的基本原理电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。基片上电极制作流程示意图。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；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。结合敏感