生物医学传感压电式讲课文档

生物医学传感压电式第一页，共105页。超声刀、超声剪B超探头血压计8/18/20252第二页，共105页。第一节压电传感器

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8/18/20253第三页，共105页。一、压电效应8/18/20254第四页，共105页。8/18/20255第五页，共105页。重要特性（双向有源器件）何为压电式传感器?8/18/20256第六页，共105页。二、压电材料：具有压电效应的材料8/18/20257第七页，共105页。纳米发电机8/18/20258第八页，共105页。高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆

8/18/20259第九页，共105页。8/18/202510第十页，共105页。⑴石英晶体的压电效应天然形成的石英晶体外形8/18/202511第十一页，共105页。石英晶体三个晶轴光轴：z

电轴：x

机械轴：y8/18/202512第十二页，共105页。石英晶体的产生压电效应的物理过程：8/18/202513第十三页，共105页。Y+++---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=08/18/202514第十四页，共105页。（P1+P2+P3）X<0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0(c)FX>0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－8/18/202515第十五页，共105页。8/18/202516第十六页，共105页。石英晶体切片石英晶体薄片双面镀银并封装8/18/202517第十七页，共105页。8/18/202518第十八页，共105页。（2）压电陶瓷的压电效应8/18/202519第十九页，共105页。8/18/202520第二十页，共105页。8/18/202521第二十一页，共105页。8/18/202522第二十二页，共105页。三、压电方程或8/18/202523第二十三页，共105页。8/18/202524第二十四页，共105页。F1XY++++－－－－F1F1<0+++---P1P2P31、纵向效应传感器2、横向效应传感器

石英晶体X切割：压电陶瓷：8/18/202525第二十五页，共105页。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：8/18/202526第二十六页，共105页。QCtUaUa＝Q/CaQ＝UaCaCa（a）电压等效电路（b）电荷等效电路8/18/202527第二十七页，共105页。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实际等效电路：8/18/202528第二十八页，共105页。【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？真空时的介电常数

0

=

8.854×10-12F/m8/18/202529第二十九页，共105页。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-----高输入阻抗的前置放大器8/18/202530第三十页，共105页。

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：8/18/202531第三十一页，共105页。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8/18/202532第三十二页，共105页。五、压电传感器的应用1、压电式加速度传感器8/18/202533第三十三页，共105页。2、

压电式压力传感器8/18/202534第三十四页，共105页。3、

压电式传感器的其他应用8/18/202535第三十五页，共105页。8/18/202536第三十六页，共105页。8/18/202537第三十七页，共105页。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8/18/202538第三十八页，共105页。压电式血压传感器指套式电子血压计生物医学中的应用第三十九页，共105页。心内导管压电微音器第四十页，共105页。超声波及其物理性质1超声波传感器的原理2超声波传感器应用3

第二节超声波传感器8/18/202541第四十一页，共105页。超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的，各行各业都使用的通用技术之一。它是通过超声波产生、传播以及接收这个物理过程来完成的。超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是对不透光的固体，超声波能穿透几十米的厚度。当超声波从一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在介质面上会产生反射、折射和波型转换等现象。超声波的这些特性使它在检测技术中获得了广泛的应用，如超声波无损探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及超声成像等。

概述8/18/202542第四十二页，共105页。一、超声波及其物理性质1、超声波的概念和波形机械振动在弹性介质内的传播称为波动，简称为波。人能听见声音的频率为20Hz～20kHz，即为声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为次声波，20kHz以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为100Hz～8kHz。声波的频率界限图8/18/202543第四十三页，共105页。当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。

超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强8/18/202544第四十四页，共105页。超声波的波型及其传播速度

声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同。通常有：①纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播；②横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播；③表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。8/18/202545第四十五页，共105页。超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波的传播，其传播速度c为式中：ρ——介质的密度；

Ba——绝对压缩系数。上述的ρ、Ba都是温度的函数，使超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化。8/18/202546第四十六页，共105页。从表可见，蒸馏水温度在0～100℃范围内，声速随温度的变化而变化，在74℃时达到最大值，大于74℃后，声速随温度的增加而减小。此外，水质、压强也会引起声速的变化。在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%。气体中纵波声速为344m/s，液体中纵波声速在900～1900m/s。8/18/202547第四十七页，共105页。超声波的反射和折射

声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分声波被反射,另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射。8/18/202548第四十八页，共105页。由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角α的正弦与反射角α′的正弦之比等于波速之比。当波在界面处产生折射时，入射角α的正弦与折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即8/18/202549第四十九页，共105页。声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得:

式中：I0,Ir,It——分别为入射波、反射波、透射波的声强；

α、β——分别为声波的入射角和折射角；

z1、z2——分别为两介质的声阻抗。

8/18/202550第五十页，共105页。当超声波垂直入射界面，即α=β=0时，则

可知，若z2≈z1，则反射系数R≈0，透射系数T≈1，此时声波几乎没有反射，全部从第一介质透射入第二介质；若z2>>z1,反射系数R≈1，则声波在界面上几乎全反射，透射极少。同理，当z1>>z2时，反射系数R≈1，声波在界面上几乎全反射。如：在20℃水温时，水的特性阻抗为z1=1.48×106kg/(m2·s),空气的特性阻抗为z2=0.000429×106kg/(m2·s),z1>>z2,故超声波从水介质中传播至水气界面时，将发生全反射。

8/18/202551第五十一页，共105页。超声波的声速和波长

（1）声速纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性系数、介质的密度以及声阻抗。介质的声阻抗Z等于介质的密度ρ和声速c的乘积，即Z=ρc

（2）波长超声波的波长λ与频率f乘积恒等于声速c，即λ

f=c

8/18/202552第五十二页，共105页。常用材料的密度、声阻抗与声速（0℃）材料密度ρ(103kg·m-1)声阻抗Z（103MPa·s-1）纵波声速cL（km/s）横波声速cs（km/s）钢7.8465.93.23铝2.7176.323.08铜8.9424.72.05有机玻璃1.183.22.731.43甘油1.262.41.92—水（20℃）1.01.481.48—油0.91.281.4—空气0.00130.00040.34—8/18/202553第五十三页，共105页。超声波的指向性超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向外扩散。在声束横截面的中心轴线上，超声波最强，且随着扩散角度的增大而减小。1—超声源2—轴线3—指向角4—等强度线8/18/202554第五十四页，共105页。指向角θ与超声源的直径D、以及波长λ之间的关系为

sinθ=1.22λ/D

设超声源的直径D=20mm，射入钢板的超声波（纵波）频率为5MHz，则根据上式可得θ=4o，可见该超声波的指向性是十分尖锐的。8/18/202555第五十五页，共105页。超声波的衰减

声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为式中：Px、Ix——距声源x处的声压和声强；

x——声波与声源间的距离；

α——衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。8/18/202556第五十六页，共105页。声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散衰减，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是指超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再沿原来传播方向运动，而形成散射。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、介质的性质和散射粒子的性质有关。吸收衰减是由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损耗。8/18/202557第五十七页，共105页。2、超声波传感器

利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置可称为超声波换能器、探测器或传感器。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。

8/18/202558第五十八页，共105页。

超声波探头主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。8/18/202559第五十九页，共105页。8/18/202560第六十页，共105页。8/18/202561第六十一页，共105页。3、超声波传感器应用

超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。传感器又可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。

超声波物位传感器

8/18/202562第六十二页，共105页。几种超声物位传感器的结构原理示意图(a)超声波在液体中传播；(b)超声波在空气中传播超声波物位传感器

8/18/202563第六十三页，共105页。超声波流量传感器

超声波流量传感器的测定方法是多样的，如传播速度变化法、波速移动法、多卜勒效应法、流动听声法等。但目前应用较广的主要是超声波传播时间差法。超声波在流体中传播时，在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积，便可知道流体的流量。

8/18/202564第六十四页，共105页。8/18/202565第六十五页，共105页。1:42PM66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压电（超生波）流量计此流量计可测量各种液体的流速，中压和低压气体的流速，不受该流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响。其准确度可达0.5%，有的可达到0.01%。根据发射和接收的相位差随海洋深度的变化，测量声速随深度的分布情况.第六十六页，共105页。超声波测厚传感器

超声波测厚常用脉冲回波法。超声波探头与被测物体表面接触。主控制器产生一定频率的脉冲信号，送往发射电路，经电流放大后激励压电式探头，以产生重复的超声波脉冲。脉冲波传到被测工件另一面被反射回来，被同一探头接收。如果超声波在工件中的声速υ是已知的，设工件厚度为δ，脉冲波从发射到接收的时间间隔t可以测量，因此可求出工件厚度为δ=υt/28/18/202567第六十七页，共105页。超声波测距仪的设计---主要应用的是反射式检测方式8/18/202568第六十八页，共105页。超声波测距仪的设计方案超声波发射头超声波接收头振荡电路驱动电路波形变换放大电路控制处理单元显示电源部分发射电路接收电路控制部分电源部分8/18/202569第六十九页，共105页。第三节声表面波传感器一、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8/18/202570第七十页，共105页。一、声表面波的基本原理声表面波简介8/18/202571第七十一页，共105页。瑞利波示意图

瑞利波质点运动随深度的变化

瑞利波（Rayleigh波）

8/18/202572第七十二页，共105页。勒夫波（Lovewaves）

8/18/202573第七十三页，共105页。2.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；8/18/202574第七十四页，共105页。8/18/202575第七十五页，共105页。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8/18/202576第七十六页，共105页。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。

8/18/202577第七十七页，共105页。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/48/18/202578第七十八页，共105页。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8/18/202579第七十九页，共105页。8/18/202580第八十页，共105页。3、SAW传感器的基本原理SAW传感器特性SAW传感器优势8/18/202581第八十一页，共105页。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8/18/202582第八十二页，共105页。*83基本原理：基于SAW传播速度的温度（T）关联关系，其中TCD为延迟温度系数，通常取决于压电基片材料的晶体结构以及切向，Δυ速度变化，υ0为SAW速度，Tref为参考温度），SAW技术可用于温度的检测。1、SAW温度传感器压电基片选取：一些具有较高温度系数的压电基片如铌酸锂，钽酸锂以及La3Ga5SiO4等材料广泛应用于温度传感器之中。物理传感器第八十三页，共105页。*84基本思想：以SAW器件压电基片为压力振动膜，由于外加压力引起振动膜弯曲变形及其表面的应力/应变的分布变化导致SAW传播速度发生改变，通过采用以SAW器件为反馈元的振荡器模式，其频率输出信号即与所应用压力呈现良好的线性关系，以此检测应用压力。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。第八十四页，共105页。*853、SAW湿度传感器特点：具有较高的灵敏度、稳定性、可靠性、低成本以及电信号输出易于与IC电路集成等特点。

应用：在各种园艺、农业、医药以及过程控制等领域有着广泛应用前景。第八十五页，共105页。*864、SAW陀螺仪（角速率传感器）

基本思想：通过旋转（Ω）对SAW的传播（质点m的垂直旋转方向的速度分量V）形成一种Coriolis力（F）效应（F＝2mV×Ω），结合参考振动模式来实现对角速率的检测。

优势：

SAW陀螺仪具有很强的抗击震动能力，可靠性高，成本低，可不用真空封装而保持较高的灵敏度而成为最有潜力的陀螺仪。第八十六页，共105页。*87

主要应用:SAW陀螺仪在消费性产品、工业以及医疗产品中有着广阔的应用前景，特别在军用应用方面，如一些智能弹以及新型武器系统的旋转稳定系统。第八十七页，共105页。*88化学、生物传感器

化学、生物武器等恐怖威胁，突发性生产、环境事故要求我们快速检测出危险，以最大限度的减少人们的生命财产损失。由于SAW传感器显著的优势，其在化学、生物传感器领域受到越来越多的重视。一系列恐怖袭击事件也促使声表面波传感器从最开始的军工转而越来越多的在民用市场上出现。第八十八页，共105页。*89接触燃烧式气体传感器：检测范围小，仅限于可燃气体;电化学气体传感器：

不足之处是有寿命的限制一般为两年。半导体金属氧化物气体传感器：

必须在高温下工作、对气体或气味的选择性差、元件参数分散、稳定性不理想、功率高等方面。1、SAW气体传感器现有气体传感技术：第八十九页，共105页。*90

SAW气体传感器：对象宽（多种相及界面）、范围广（多类物质与多种行业）、高灵敏（mg-pg级）、快速响应、体积小、低成本、可循环使用、可基阵组合和可智能网络化等，而得到重视，是当前国际上实际应用的最为先进的气体传感器。

自1979年Wohltjen和Dessy首次报道了SAW气体传感器以来，经过30多年的研究与发展，结合多种敏感膜材料已研制出针对SOx、NOx、COx、H2S、丙酮、甲醇等多种有毒污染气体检测的SAW气体传感器，目前已开始在军用毒剂的检测、环境监测、药品食品分析及工业分析中得到应用。第九十页，共105页。*91

在国外，如美国以及欧洲部分国家已经开始将这种结合声表面波技术的毒剂传感器装备部队。

在我国，关于这种传感器的研究仍然处于研究阶段。中国科学院声学研究所是目前率先开展声表面波技术在毒剂检测中应用的单位，在传感器功能结构、响应机制以及试验评价上已经取得了较好的成果。第九十一页，共105页。*92与选择性的敏感膜相结合，由它来决定被测量的是什么物质；第九十二页，共105页。*93结合敏感膜材料的SAW气体检测的基本原理：第九十三页，共105页。*94第九十四页，共105页。*95第九十五页，共105页。*96化学毒剂（GB，GA，GD，以及VX等）的检测应用－－典型应用第九十六页，共105页。*97第