生物醫(yī)學(xué)傳感壓電式6/2/20231第一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日第七章壓電式傳感器6/2/20232第二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日上次課內(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6/2/20233第三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日

§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6/2/20234第四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日一、壓電效應(yīng)6/2/20235第五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日6/2/20236第六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日重要特性（雙向有源器件）何為壓電式傳感器?6/2/20237第七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日二、壓電材料：具有壓電效應(yīng)的材料6/2/20238第八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日納米發(fā)電機(jī)6/2/20239第九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

6/2/202310第十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日6/2/202311第十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日⑴石英晶體的壓電效應(yīng)天然形成的石英晶體外形6/2/202312第十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日石英晶體三個晶軸光軸：z

電軸：x

機(jī)械軸：y6/2/202313第十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日石英晶體的產(chǎn)生壓電效應(yīng)的物理過程：6/2/202314第十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日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=06/2/202315第十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日（P1+P2+P3）X<0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0(c)FX>0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－6/2/202316第十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日6/2/202317第十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日石英晶體切片石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝6/2/202318第十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日6/2/202319第十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日（2）壓電陶瓷的壓電效應(yīng)6/2/202320第二十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日6/2/202321第二十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日6/2/202322第二十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日6/2/202323第二十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日三、壓電方程或6/2/202324第二十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日6/2/202325第二十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日F1XY++++－－－－F1F1<0+++---P1P2P31、縱向效應(yīng)傳感器2、橫向效應(yīng)傳感器

6/2/202326第二十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日四、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(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，則兩極板呈現(xiàn)一定的電壓，其大小為：理想等效電路：6/2/202327第二十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日QCtUaUa＝Q/CaQ＝UaCaCa（a）電壓等效電路（b）電荷等效電路6/2/202328第二十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日電荷型電壓型

壓電傳感器實(shí)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6/2/202329第二十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日【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(shí)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(yùn)放連接時(shí)連接電纜的電容為Cc=4pF，該壓電元件的輸出電壓值為多大？6/2/202330第三十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日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6/2/202331第三十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日

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：6/2/202332第三十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日電荷放大器是一個具有深度負(fù)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(shí)：靈敏度與電纜電容無關(guān)6/2/202333第三十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日五、壓電傳感器的應(yīng)用1、壓電式加速度傳感器6/2/202334第三十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日2、

壓電式壓力傳感器6/2/202335第三十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日流量顯示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(jì)3、

壓電式流量計(jì)6/2/202336第三十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日4、

壓電式傳感器的其他應(yīng)用6/2/202337第三十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日6/2/202338第三十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日6/2/202339第三十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日汽車安全氣囊系統(tǒng)事故性碰撞：點(diǎn)火信號、電點(diǎn)火管、氣體發(fā)生劑、氣體、充氣、彈性體6/2/202340第四十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日壓電式血壓傳感器指套式電子血壓計(jì)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(jī)、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6/2/202341第四十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日作業(yè)：超聲多普勒血流記6/2/202342第四十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日§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6/2/202343第四十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日一、聲表面波的基本原理1.聲表面波簡介6/2/202344第四十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日瑞利波示意圖

瑞利波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動隨深度的變化

瑞利波（Rayleigh波）

6/2/202345第四十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日勒夫波（Lovewaves）

6/2/202346第四十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日2.聲表面波的發(fā)展歷史6/2/202347第四十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日3.聲表面波的技術(shù)特點(diǎn)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(jìn)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(qiáng)度，易于設(shè)計(jì)；6/2/202348第四十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日6/2/202349第四十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日6/2/202350第五十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日SAW器件的工作原理：通過對在壓電基片上傳播的聲信號進(jìn)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6/2/202351第五十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日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。

6/2/202352第五十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日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/46/2/202353第五十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日壓電基片內(nèi)出現(xiàn)的電場分布

6/2/202354第五十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日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6/2/202355第五十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日6/2/202356第五十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日3、SAW傳感器的基本原理SAW傳感器特性SAW傳感器優(yōu)勢6/2/202357第五十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日三、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(biāo)簽識別物理傳感器無線傳感器化學(xué)、生物傳感器6/2/202358第五十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日1、SAW溫度傳感器6/2/202359第五十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日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。6/2/202360第六十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日4、SAW氣體傳感器現(xiàn)有氣體傳感技術(shù)：6/2/202361第六十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日結(jié)合敏感膜材料的SAW氣體檢測的基本原理：6/2/202362第六十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日與氣相色譜相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)不通氣體組分時(shí)間上的分離。6/2/202363第六十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日化學(xué)毒劑（GB，GA，GD，以及VX等）的檢測應(yīng)用

－－典型應(yīng)用