生物医学传感压电式

1:16 AM,1,第七章 压电式传感器,1:16 AM,2,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,1:16 AM,3,7-1 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,1:16 AM,4,一、压电效应,1:16 AM,5,1:16 AM,6,重要特性（双向有源器件）,何为压电式传感器 ?,1:16 AM,7,二、 压电材料,：具有压电效应的材料,1:16 AM,8,纳米发电机,1:16 AM,9,高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆,1:16 AM,10,1:16 AM,11, 石英晶体的压电效应,天然形成的石英晶体外形,1:16 AM,12,石英晶体三个晶轴,光轴：z电轴：x机械轴：y,1:16 AM,13,石英晶体的产生压电效应的物理过程：,1:16 AM,14,作用力与产生电荷之间的关系：,(P1+P2+P3)X0（P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0,1:16 AM,15,（P1+P2+P3）X0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0,1:16 AM,16,1:16 AM,17,石英晶体切片,石英晶体薄片,双面镀银并封装,1:16 AM,18,1:16 AM,19,（2） 压电陶瓷的压电效应,1:16 AM,20,1:16 AM,21,1:16 AM,22,1:16 AM,23,三、 压电方程,或,1:16 AM,24,1:16 AM,25,1、 纵向效应传感器,2、 横向效应传感器,1:16 AM,26,四、 等效电路与测量电路,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：,1:16 AM,27,1:16 AM,28,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,1:16 AM,29,【例1 】一只x切型的石英晶体压电元件，其d11=2.3110-12C/N，相对介电常数r=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？,1:16 AM,30,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,1:16 AM,31,1、电压放大器,1:16 AM,32,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,1:16 AM,33,五、 压电传感器的应用,1、压电式加速度传感器,1:16 AM,34,2、 压电式压力传感器,1:16 AM,35,3、 压电式流量计,1:16 AM,36,4、 压电式传感器的其他应用,1:16 AM,37,1:16 AM,38,1:16 AM,39,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,1:16 AM,40,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,1:16 AM,41,作业：超声多普勒血流记,1:16 AM,42,7-2 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,1:16 AM,43,一、声表面波的基本原理,1. 声表面波简介,1:16 AM,44,瑞利波示意图,瑞利波质点运动随深度的变化,瑞利波（Rayleigh波）,1:16 AM,45,勒夫波（Love waves）,1:16 AM,46,2.声表面波的发展历史,1:16 AM,47,3.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；,1:16 AM,48,1:16 AM,49,1:16 AM,50,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。,二、SAW传感器的基本原理,1:16 AM,51,1、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。,1:16 AM,52,IDTs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/4,1:16 AM,53,压电基片内出现的电场分布,1:16 AM,54,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,1:16 AM,55,1:16 AM,56,3、SAW传感器的基本原理,SAW传感器特性,SAW传感器优势,1:16 AM,57,三、SAW传感器的主要应用,1:16 AM,58,1、SAW温度传感器,1:16 AM,59,2、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。,1:16 AM,60,4、SAW气体传感器,现有气体传感技术：,1:16 AM,61,结合敏感膜材料的SAW气体检测的基本原理：,1:16 AM,62,与气相色谱相结合，实现不通气体组分时间上的分离。,1:16 AM,63,化学毒剂（GB，GA，