生物医学传感压电式课件

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上次课内容回顾自感式传感器自感式传感器差动变压器式传感器差动变压器式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器6/29/20242上次课内容回顾8/11/20232 7-1 7-1 7-1 7-1 压电式传感器压电式传感器工作原理工作原理-压电效应压电效应压电材料压电材料(石英、压电陶瓷）特性石英、压电陶瓷）特性等效电路及测量电路等效电路及测量电路压电传感器的应用压电传感器的应用6/29/202437-1压电式传感器工作原理-压电效应8/11/一、压电效应一、压电效应6/29/20244一、压电效应8/11/202346/29/202458/11/20235重要特性重要特性重要特性重要特性（双向有源器件）（双向有源器件）（双向有源器件）（双向有源器件）何为压电式传感器?6/29/20246重要特性何为压电式传感器?8/11/20236二、二、压电材料压电材料：具有压电效应的材料具有压电效应的材料具有压电效应的材料具有压电效应的材料6/29/20247二、压电材料：具有压电效应的材料8/11/20237气体、充气、弹性体放大传感器输出的弱信号压电材料(石英、压电陶瓷）特性（P1+P2+P3）Z=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3、SAW传感器的基本原理电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器。2、低成本，利用半导体工艺的光刻技术（平面工艺）；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：7-1压电式传感器光轴：z电轴：x机械轴：y传感器电压灵敏度Ku：3110-12C/N，相对介电常数r=4.4、声表面波器件可以十分方便地产生高频信号；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：结合敏感膜材料的SAW气体检测的基本原理：（5）叉指的周期M。一、声表面波的基本原理电压放大器：其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；纳纳米米发发电电机机6/29/20248气体、充气、弹性体纳8/11/20238高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 6/29/20249高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆86/29/2024108/11/202310 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形6/29/202411石英晶体的压电效应天然形成的石英晶体外形8/11/202石英晶体三个晶轴石英晶体三个晶轴光轴：光轴：z z电轴：电轴：x x机械轴：机械轴：y y6/29/202412石英晶体三个晶轴光轴：z电轴：x机械轴：y8/11/20石英晶体的产生压电效应的物理过程：石英晶体的产生压电效应的物理过程：6/29/202413石英晶体的产生压电效应的物理过程：8/11/202313Y+-X(a)FX=0P1P2P3 作用力与产生电荷之间的关系：作用力与产生电荷之间的关系：FXXY+FX(b)FX0（P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=06/29/202414Y+-X(a)FX=0P1P2P3作用力与产生（P1+P2+P3）X0Y+-X-+FXFXP2P3P1+6/29/202415（P1+P2+P3）X0Y+-6/29/2024168/11/202316石英晶体切片石英晶体切片石英晶体薄片石英晶体薄片双面镀银并封装双面镀银并封装6/29/202417石英晶体切片石英晶体薄片双面镀银并封装8/11/2023176/29/2024188/11/2023187-2声表面波传感器4、声表面波器件可以十分方便地产生高频信号；高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆与气相色谱相结合，实现不通气体组分时间上的分离。均匀叉指换能器的指条宽度等于指条间隔宽度，即a=b=M/4二、SAW传感器的工作原理2、低成本，利用半导体工艺的光刻技术（平面工艺）；传感器电压灵敏度Ku：电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器。工作原理-压电效应2、压电式压力传感器压电基片内出现的电场分布在放大器开环增益A足够大时：电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器。7-1压电式传感器石英晶体的压电效应瑞利波（Rayleigh波）(c)FX0（P1+P2+P3）Y=0一、声表面波的基本原理4、声表面波器件可以十分方便地产生高频信号；（2 2）压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应6/29/2024197-2声表面波传感器（2）压电陶瓷的压电效应8/16/29/2024208/11/2023206/29/2024218/11/2023216/29/2024228/11/202322三、三、压电方程压电方程或或或或6/29/202423三、压电方程或8/11/2023236/29/2024248/11/202324F1XY+F1 F10+-P1P2P31 1 1 1、纵向效应传感器纵向效应传感器纵向效应传感器纵向效应传感器2 2 2 2、横向效应传感器横向效应传感器横向效应传感器横向效应传感器 6/29/202425F1XY+F1F103110-12C/N，相对介电常数r=4.3、高强度，易于设计；瑞利波质点运动随深度的变化压电基片内出现的电场分布瑞利波（Rayleigh波）二、SAW传感器的工作原理压电传感器实际的等效电路Ra传感器的漏电阻2、SAW叉指换能器的制备石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应8N的压力作用时压电片两电极间输出电压值为多大？3、高强度，易于设计；3、高强度，易于设计；基片上电极制作流程示意图。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；4、声表面波器件可以十分方便地产生高频信号；（5）叉指的周期M。电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器。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：7-2声表面波传感器电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器。二、SAW传感器的工作原理四、等效电路与测量电路高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆石英晶体的压电效应3、高强度，易于设计；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；【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？6/29/202429(1)纵向受Fx=9.石英晶体的压电效应【例1】一只 前置放大器也有两种形式：前置放大器也有两种形式：u 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；u 电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。测量电路测量电路 压电式传感器的前置放大器有两个作用两个作用：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6/29/202430测量电路压电式传感器的前置放大器有两个作用：8/11/20 1 1、电压放大器、电压放大器压电元件所受作用力 传感器电压灵传感器电压灵敏度敏度K Ku u：传感器的输入传感器的输入电压：电压：6/29/2024311、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。电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器。2 2、电荷放大器、电荷放大器在放大器开环增益在放大器开环增益在放大器开环增益在放大器开环增益A A足够大时：足够大时：足够大时：足够大时：灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度与电缆电容无关与电缆电容无关与电缆电容无关与电缆电容无关6/29/202432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、五、压电传感器的应用压电传感器的应用1 1、压电式加速度传感器、压电式加速度传感器6/29/202433五、压电传感器的应用1、压电式加速度传感器8/112 2、压电式压力传感器压电式压力传感器6/29/2024342、压电式压力传感器8/11/202334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 3 3 3、压电式流量计压电式流量计压电式流量计压电式流量计6/29/202435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 4 4 4、压电式传感器的其他应用压电式传感器的其他应用压电式传感器的其他应用压电式传感器的其他应用6/29/2024364、压电式传感器的其他应用8/11/2023366/29/2024378/11/2023376/29/2024388/11/202338汽车安全气囊系统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、事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、气体、充气、弹性体气体、充气、弹性体气体、充气、弹性体气体、充气、弹性体6/29/202439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、压电式血压传感器压电式血压传感器压电式血压传感器压电式血压传感器指套式电子血压计指套式电子血压计指套式电子血压计指套式电子血压计生物医学中的应用生物医学中的应用: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心内导管压电微音器6/29/202440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：作业：超声多普勒血流记超声多普勒血流记6/29/202441作业：超声多普勒血流记8/11/2023417-2 7-2 声表面波传感器声表面波传感器一、声表面波的基本原理一、声表面波的基本原理一、声表面波的基本原理一、声表面波的基本原理二、二、二、二、SAWSAWSAWSAW传感器的工作原理传感器的工作原理传感器的工作原理传感器的工作原理三、三、三、三、SAWSAWSAWSAW传感器的主要应用传感器的主要应用传感器的主要应用传感器的主要应用6/29/2024427-2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一、声表面波的基本原理1.1.声表面波简介声表面波简介6/29/202443一、声表面波的基本原理1.声表面波简介8/11/202342、SAW叉指换能器的制备一、声表面波的基本原理2、SAW叉指换能器的制备基片上电极制作流程示意图。与气相色谱相结合，实现不通气体组分时间上的分离。均匀叉指换能器的指条宽度等于指条间隔宽度，即a=b=M/4Ri前置放大器输入电阻压电基片内出现的电场分布（P1+P2+P3）Y=0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。一、声表面波的基本原理一、声表面波的基本原理8N的压力作用时压电片两电极间输出电压值为多大？3、高强度，易于设计；3、高强度，易于设计；1、SAW叉指换能器的工作原理电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器。8N的压力作用时压电片两电极间输出电压值为多大？4、声表面波器件可以十分方便地产生高频信号；传感器电压灵敏度Ku：压电基片内出现的电场分布瑞利波质点运动随深度的变化瑞利波示意图瑞利波示意图瑞利波质点运动随深度的变化瑞利波质点运动随深度的变化瑞利波（瑞利波（瑞利波（瑞利波（RayleighRayleighRayleighRayleigh波）波）波）波）6/29/2024442、SAW叉指换能器的制备瑞利波示意图瑞利波质点运动随深度勒夫波（勒夫波（勒夫波（勒夫波（Love wavesLove wavesLove wavesLove waves）6/29/202445勒夫波（Lovewaves）8/11/2023452.2.声表面波的发展历史声表面波的发展历史6/29/2024462.声表面波的发展历史8/11/2023463.3.声表面波的技术特点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 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；6/29/2024473.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6/29/2024488/11/2023486/29/2024498/11/202349SAWSAWSAWSAW器件的工作原理器件的工作原理器件的工作原理器件的工作原理：通过对在压电基片上传播的声信号压电基片上传播的声信号进行各种处理进行各种处理，并利用声电换能器的特性来完成的。二、二、SAWSAW传感器的基本原理传感器的基本原理6/29/202450SAW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 1 1 1、SAWSAWSAWSAW叉指换能器的工作原理叉指换能器的工作原理叉指换能器的工作原理叉指换能器的工作原理（a a）单指叉指换能器，）单指叉指换能器，（b b）双电极叉指换能器）双电极叉指换能器。6/29/2024511、SAW叉指换能器的工作原理（a）单指叉指换能器，8/11IDTsIDTsIDTsIDTs的参数：的参数：的参数：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，即均匀叉指换能器的指条宽度等于指条间隔宽度，即 a=b=M/4a=b=M/46/29/202452IDTs的参数：8/11/202352压电基片内出现的电场分布 6/29/202453压电基片内出现的电场分布8/11/202353基片上电极制作流程示意图。（基片上电极制作流程示意图。（a a）基片前处理；（）基片前处理；（b b）镀金属膜；）镀金属膜；（c c）-（d d）在金属层上光刻；（）在金属层上光刻；（e e）金属层腐蚀；（）金属层腐蚀；（f f）除胶。）除胶。2 2 2 2、SAWSAWSAWSAW叉指换能器的制备叉指换能器的制备叉指换能器的制备叉指换能器的制备6/29/202454基片上电极制作流程示意图。（a）基片前处理；（b）镀金属膜；6/29/2024558/11/2023553 3、SAWSAW传感器的基本原理传感器的基本原理SAWSAWSAWSAW传感器特性传感器特性传感器特性传感器特性SAWSAWSAWSAW传感器优势传感器优势传感器优势传感器优势6/29/2024563、SAW传感器的基本原理SAW传感器特性SAW传感器优势8三、三、SAWSAW传感器的主要应用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6/29/202457三、SAW传感器的主要应用物理传感器无线传感器化学、生物传感1 1 1 1、SAWSAWSAWSAW温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器6/29/2024581、SAW温度传感器8/11/2023582 2、SAWSAW压力传感器压力传感器应用：应用：应用：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。6/29/2024592、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 4、SAWSAW气体传感器气体传感器现有气体传感技术：现有气体传感技术：现有气体传感技术：现有气体传感技术：6/29/2024604、SAW气体传感器现有气体传感技术：8/11/202360结合敏感膜材料的结合敏感膜材料的结合敏感膜材料的结合敏感膜材料的SAWSAWSAWSAW气体检测的基本原理：气体检测的基本原理：气体检测的基本原理：气体检测的基本原理：6/29/202461结合敏感膜材料的SAW气体检测的基本原理：8/11/2023与气相色谱相结合与气相色谱相结合与气相色谱相结合与气相色谱相结合，实现不通气体组分时间上的分离。6/29/202462与气相色谱相结合，实现不通气体组分时间上的分离。8/11/2化学毒剂（化学毒剂（化学毒剂（化学毒剂（GBGBGBGB，GAGAGAGA，GDGDGDGD，以及，以及，以及，以及VXVXVXVX等）的检测应用等）的检测应用等）的检测应用等）的检测应用 典型应用典型应用典型应用典型应用6/29/202463化学毒剂（GB，GA，GD，以及VX等）的检测应用8/11/6/29/2024648/11/2023645.5.无线传感器无线传感器6/29/2024655.无线传感器8/11/2023655，横截面积A=5cm2，厚度h=0.2、低成本，利用半导体工艺的光刻技术（平面工艺）；电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。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、超声显微镜等等电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。四、等效电路与测量电路2、低成本，利用半导体工艺的光刻技术（平面工艺）；（2）压电陶瓷的压电效应前置放大器也有两种形式：传感器电压灵敏度Ku：7-1压电式传感器瑞利波（Rayleigh波）5，横截面积A=5cm2，厚度h=0.（1）叉指对数N；均匀叉指换能器的指条宽度等于指条间隔宽度，即a=b=M/44、压电式传感器的其他应用Ri前置放大器输入电阻在放大器开环增益A足够大时：5，横截面积A=5cm2，厚度h=0.瑞利波质点运动随深度的变化气体、充气、弹性体6/29/2024665，横截面积A=5cm2，厚度h=0.8/11/202366