信號(hào)轉(zhuǎn)換器講稿

1、關(guān)于信號(hào)轉(zhuǎn)換器第一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 電化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換器 離子敏場效應(yīng)晶體管 熱敏電阻 壓電晶體信號(hào)轉(zhuǎn)換器 光電換能器2第二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月一、電化學(xué)型信號(hào)轉(zhuǎn)換器 電化學(xué)電極作為生物傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換器，一般可分為兩種類型：電位型和電流型。 電化學(xué)電極(固體電極、離子選擇性電極、氣敏電極、修飾電極等)作為信號(hào)轉(zhuǎn)換器已廣泛用于酶傳感器、微生物傳感器及其它類型的生物傳感器中。 3第三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1.1 電化學(xué)測量基礎(chǔ)1.測量系統(tǒng) 根據(jù)轉(zhuǎn)變方式和輸出電信號(hào)的不同，可將電化學(xué)傳感器分為： 4第四張，PPT共一百一十五

2、頁，創(chuàng)作于2022年6月圖2-1 原電池構(gòu)成5第五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 電位型測量系統(tǒng)在電極/溶液界面上自發(fā)地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將被測化學(xué)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娢恍盘?hào)的測定裝置。 被測的化學(xué)量與電位之間的關(guān)系，符合能斯特方程： 6第六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月圖2-2 電解電池構(gòu)成7第七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 電流型測量系統(tǒng)外加電壓下，在電極/溶液界面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將被測化學(xué)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)的測定裝置。 在一定條件下，其電流大小與離子濃度成比例。8第八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 電導(dǎo)型測量系統(tǒng)在外加電壓下，將化學(xué)量轉(zhuǎn)變

3、成電導(dǎo)信號(hào)的測定裝置。 在離子濃度不大時(shí)，溶液的電導(dǎo)與離子濃度成正比。9第九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1.2 基本概念 1. 電離常數(shù) Ionization constant 電離常數(shù)表示電解質(zhì)電離能力的強(qiáng)弱。 AB表示平衡時(shí)未電離的分子濃度，A-和B+表示平衡時(shí)A-和B+離子的濃度。 10第十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 活度和活度系數(shù) Activity and activity coefficient 活度指電解質(zhì)溶液的有效濃度。 溶液濃度與活度之間的關(guān)系表示為： 為活度系數(shù)，表示電解質(zhì)溶液的濃度與活度的偏差程度，即表示濃度有百分之幾是有效的。通常

4、 0 1，當(dāng)溶液無限稀釋 。 11第十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 如0.1mol/L的鹽酸溶液中，H+的活度就等于0.0799mol/L，意思是說，H+在化學(xué)反應(yīng)起作用的濃度是0.0799mol/L。12第十二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1.3 電極種類 電極是傳感器非常重要的信號(hào)轉(zhuǎn)換器，可分為：13第十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 參比電極Reference electrode 參比電極測量電極電位時(shí)用作基準(zhǔn)電位的電極。 常用參比電極：標(biāo)準(zhǔn)氫電極、甘汞電極、 電極。14第十四張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）標(biāo)

5、準(zhǔn)氫電極 氫電極作基準(zhǔn)測量電極電位，精度一般可高達(dá)10v，但實(shí)驗(yàn)室中不用，因其容易爆炸。圖2-2 標(biāo)準(zhǔn)氫電極15第十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）甘汞電極 電極由Hg和 Hg2Cl2的糊狀物浸入含有Cl-的溶液中，插入Pt導(dǎo)線構(gòu)成。放置在KCl溶液中。圖2-3 甘汞電極16第十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月25時(shí)甘汞電極的電極電位17第十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（3） 電極一種性能較好的參比電極。它結(jié)構(gòu)簡單，只需在Ag絲上，鍍上一薄層AgCl，并浸入一定濃度的KCl溶液中便制成電極。 圖2-4 銀/氯化銀電極18第十八張，PPT

6、共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 指示電極 Indicating electrode 指示電極根據(jù)電極電位的大小指示出物質(zhì)濃度的電極。 包括離子選擇性電極、氣敏電極、金屬或非金屬電極(Au、Cu、Pt，石墨電極等)。19第十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖2-5 pH玻璃電極 20第二十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 工作電極和輔助電極 Working electrode auxiliary electrode 工作電極在外加電壓下電解時(shí)，根據(jù)其電解電流的大小測定物質(zhì)含量的電極。 輔助電極電解時(shí)為測定電流構(gòu)成回路所用的電極（對(duì)電極）。 21第二十

7、一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月圖2-6 測量系統(tǒng)22第二十二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 三電極系統(tǒng)：包括工作電極、輔助電極和參比電極（用于確定或控制工作電極的電極電位的大小）。 二電極系統(tǒng)：參比電極兼作輔助電極時(shí)的構(gòu)成方式。23第二十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1.4 電位型換能器 電位型換能器是由指示電極和參比電極構(gòu)成的測量系統(tǒng)，在零電流條件下通過測量兩個(gè)電極之間的電位差，實(shí)現(xiàn)待測物質(zhì)含量測量。24第二十四張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）離子選擇性電極 Ion selective electrode (ISE) 離

8、子選擇性電極用特殊敏感薄膜制作的對(duì)特定陽離子或陰離子呈選擇性響應(yīng)的電極。 離子選擇性電極具有快速、靈敏、可靠、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用范圍很廣。 25第二十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1. pH電極 氫離子活度對(duì)化學(xué)反應(yīng)和生物化學(xué)反應(yīng)有重要的決定作用。有一些酶反應(yīng)，涉及到氫離子的生成和消耗，因此可用pH玻璃電極作為某些生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器。26第二十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖2-7 pH電極測量系統(tǒng)27第二十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 （1）ISE的特點(diǎn) ISE的電極電位與特定離子活度的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系； ISE結(jié)構(gòu)簡單、測定快速

9、、靈敏度高、重復(fù)性好。28第二十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）ISE的組成29第二十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）ISE的特性 30第三十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 檢測極限 指電極所能檢測離子的最低濃度。 圖2-8 電極校準(zhǔn)曲線及檢測極限的確定31第三十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 在一定活度范圍內(nèi)（CD段）電極電位與被測離子活度的對(duì)數(shù)成正比，當(dāng)被測離子活度逐漸減小時(shí)，曲線由CD直線段逐漸彎曲成EF段，電極電位不為零，說明離子選擇電極存在檢測極限。 極限值的確定是根據(jù)CD與EF延長線相交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的離子活度作

10、為其檢測極限。 鈉電極：10-6 mol/L ； 氯電極: 510-6 mol/L。32第三十二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 電位選擇系數(shù) 指同一支電極對(duì)不同離子的選擇性響應(yīng)，表征ISE選擇性的優(yōu)劣。電極對(duì)各種離子的選擇性可用電位選擇系數(shù)表示。在 中，A表示被測離子，X表示干擾離子。33第三十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 鈣電極用于測Ca2+，但其對(duì)Ba2+也有響應(yīng)，因此是測量時(shí)的干擾離子，若其對(duì)Ca2+的響應(yīng)為Ba2+的100倍，則Ba2+對(duì)Ca2+的干擾為1/100倍，所以: 越小，表明干擾越小，電極的選擇性越好。 34第三十四張，PPT共一百一十五頁

11、，創(chuàng)作于2022年6月 響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)時(shí)間指電極達(dá)到平衡電位時(shí)所需要的時(shí)間。 它與電極的種類及被測離子的活度、溶液的攪拌速度、敏感膜的組成及性質(zhì)、膜的厚度、參比電極的穩(wěn)定性等有關(guān)。 35第三十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 電極壽命 電極壽命是指電極保持Nernst響應(yīng)的時(shí)間。主要取決于膜的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。當(dāng)實(shí)測電勢與理論電勢之比小于0.9時(shí)，電極不宜再使用。36第三十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 碘電極 碘離子選擇電極常用于有 生成的酶反應(yīng)中，碘離子與 相遇，在過氧化物酶催化下，可快速發(fā)生如下反應(yīng)：37第三十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6

12、月（二）氣敏電極 電位型氣敏電極作為各種生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器，使用較多的是氨氣敏電極和 氣敏電極。 38第三十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 1. 氨氣敏電極 氨是酶反應(yīng)中最常見的產(chǎn)物和反應(yīng)物，因此氨電極是常用的信號(hào)轉(zhuǎn)換器之一。 39第三十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 氨電極浸入堿性待測液時(shí)，待測液中的銨鹽轉(zhuǎn)化成揮發(fā)性氨，經(jīng)透氣膜滲入內(nèi)充液薄層發(fā)生如下反應(yīng)： 電位與待測溶液中氨的濃度符合能斯特方程。 40第四十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2.二氧化碳電極 CO2氣敏電極的結(jié)構(gòu)由pH玻璃電極和Ag/AgCl 參比電極組成電池，用透氣膜將中

13、間溶液與被測溶液隔離開來。 圖2-9 CO2氣敏電極41第四十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月測定時(shí)溶液中的CO2通過透氣膜進(jìn)入溶液，而發(fā)生下列反應(yīng)：42第四十二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二氧化碳?xì)饷綦姌O在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用43第四十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月44第四十四張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1.5 電流型換能器 輸出直接與被測物濃度呈線性關(guān)系； 電極輸出值的讀數(shù)誤差較電位型電極??； 靈敏度比電位型電極高。 常用的電流型電極有O2 電極電極、H2O2 電極及燃料電池型電極等。45第四十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于

14、2022年6月（一） 氧電極 各種氧化酶和加氧酶在催化底物反應(yīng)時(shí)，要用溶解氧為輔助試劑，反應(yīng)中所消耗的氧量可用氧電極來測定。此外，在微生物電極、免疫電極等生物傳感器中也常用氧電極作為信號(hào)轉(zhuǎn)換器，因此氧電極在生物傳感器中使用很廣。46第四十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 氧電極是一個(gè)通過測定電解電流來測定溶液中氧含量的電解池。 有兩種：開放式和封閉式。47第四十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 開放式氧電極開放式氧電極測定氧的裝置如圖所示。 48第四十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 外加電解電壓，當(dāng)鉑電極電位相對(duì)參比電極低0.2V時(shí)，氧在鉑

15、絲上開始電解，此時(shí)電流計(jì)中有電流指示。49第四十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 當(dāng)鉑電極相對(duì)參比電極低0.60.8V時(shí)，電流趨于恒定，此時(shí)的電流與溶液中氧含量成正比。50第五十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 Clark氧電極是一種較為穩(wěn)定的封閉式氧電極。鉑電極與 電極組合在一起置于參比溶液中，與被測溶液之間用透氧膜隔開。 此膜將被測溶液中溶解的氧氣通過膜擴(kuò)散到膜內(nèi)電解質(zhì)溶液薄層，再擴(kuò)散到鉑電極表面進(jìn)行還原產(chǎn)生電流。 2.封閉式氧電極(Clark氧電極)51第五十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月Clark氧電極結(jié)構(gòu)見圖。52第五十二張，PPT共一

16、百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月3.氧電極在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 53第五十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月54第五十四張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 二、H2O2電極 H2O2電極是根據(jù)電解氧化時(shí)所產(chǎn)生的電流輸出來測定濃度的復(fù)合式電極。 電極包括陽極、陰極、電解液和滲透膜，陽極一般用金、白金，陰極一般用Ag/AgCl，滲透膜可用醋酸纖維素膜，電解液是氯化鉀與磷酸緩沖液及氯化鉀與醋酸緩沖液等。55第五十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月兩極間外加一定電壓，實(shí)際測量時(shí)，外加電壓控制在電壓-電流曲線的平滑部分，即0.7-0.9V，此時(shí)輸出電流就與濃度成比例。陽

17、極反應(yīng)陰極放應(yīng) 56第五十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月H2O2電極基本測量電路和電壓-電流曲線 57第五十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 電化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換器 離子敏場效應(yīng)晶體管 熱敏電阻 壓電晶體信號(hào)轉(zhuǎn)換器 光電換能器58第五十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月59二、離子敏場效應(yīng)晶體管（ISFET） ISFET是把離子選擇性敏感膜和 FET相結(jié)合，將離子活度的化學(xué)信息轉(zhuǎn)化為電流或電壓的變化。P-Sip-SinnSDGFET結(jié)構(gòu)2.1 結(jié)構(gòu)與原理ISFET結(jié)構(gòu)P-Sip-SinnSD參比電極敏感膜被測溶液59第五十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)

18、作于2022年6月FET工作原理P-Sip-SinnSDGVGSVDSIDFET工作原理:60第六十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月61 反型層的形成 在柵極與源極之間施加電壓，會(huì)導(dǎo)致柵源極之間的電荷流動(dòng)，并在柵極絕緣層下的P型半導(dǎo)體材料的表面大量積累負(fù)電荷而形成反型層。 N型溝道的形成 柵源電壓若大于閾值電壓，柵極絕緣層下面將形成強(qiáng)反型層，源漏極之間形成N型溝道。 漏電流的形成 在源漏極之間施加電壓，則帶電粒子沿著該溝道流通，電子便從源極流向漏極，形成漏源極之間的溝道電流，稱作漏電流，用ID表示。 61第六十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月62ISFET工作原理

19、P-Sip-SinnSDVGSVDSID參比電極敏感膜被測溶液 2.2 ISFET工作原理 ISFET正是利用場效應(yīng)管的上述特性而實(shí)現(xiàn)對(duì)離子濃度測量的。62第六十二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月63 敏感膜與溶液界面產(chǎn)生膜電位，該電位疊加在柵壓上，引起場效應(yīng)管漏電流的變化。根據(jù)能斯特方程，膜電位的大小與溶液中的離子活度有關(guān)，即：63第六十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月64 實(shí)際施加于場效應(yīng)管絕緣膜和半導(dǎo)體表面上的電壓為 因此，只要設(shè)法利用生化反應(yīng)過程所產(chǎn)生的物質(zhì)變化來影響柵極電壓，便可設(shè)計(jì)出以離子敏場效應(yīng)管為轉(zhuǎn)換器件的半導(dǎo)體生物傳感器。 64第六十四張，PPT

20、共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月652.3 特點(diǎn) 構(gòu)造簡單，體積小，便于批量制作，成本低； 易微型化和多功能化； FET制作的敏感器件響應(yīng)快，適用于自控監(jiān)測 和流程分析等。65第六十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月662.4 應(yīng)用尿素的測定： +66第六十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月67雙柵極酶-FET傳感器67第六十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月68葡萄糖的測定：氟離子的測定68第六十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 電化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換器 離子敏場效應(yīng)晶體管 熱敏電阻 壓電晶體信號(hào)轉(zhuǎn)換器 光電換能器69第六十九張，PPT共

21、一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月70三、熱敏電阻型信號(hào)轉(zhuǎn)換器 熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的特性實(shí)現(xiàn)溫度測量的阻抗元件。 熱敏電阻不僅在生物醫(yī)學(xué)的溫度測量、電路元件的溫度補(bǔ)償?shù)确矫嬗兄鴱V泛的應(yīng)用，而且可作為生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器，構(gòu)成量熱型生物傳感器。 70第七十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月713.1 結(jié)構(gòu)與種類 71第七十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月72 半導(dǎo)體熱敏電阻按其材料、性質(zhì)的不同可分為三種類型： PTC型由鈦酸鋇和鈦酸鍶的混合物高溫?zé)Y(jié)而成，具有正的溫度系數(shù)。 單晶硅型溫度系數(shù)為正。 NTC型由某些金屬氧化物的混合物高溫?zé)?/p>

22、結(jié)而成，具有負(fù)的溫度系數(shù)。通常用氧化鈷、氧化鎳、氧化錳及其它氧化物構(gòu)成的陶瓷半導(dǎo)體。 72第七十二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月733.2 熱敏電阻的性能和參數(shù) 電阻溫度特性 Resistance-temperature characteristic 對(duì)NTC型熱敏電阻，在一定的溫度范圍內(nèi)，其電阻溫度特性為 其中 RT 溫度為T時(shí)的電阻值 R0溫度為T0 時(shí)的電阻值 B熱敏電阻常數(shù) 73第七十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月74溫度系數(shù) （相對(duì)靈敏度）Temperature coefficient 熱敏電阻的溫度系數(shù)指單位溫度變化引起的電阻值的相對(duì)變化量。 （單

23、位為K-1） 溫度系數(shù)是溫度的函數(shù)，實(shí)質(zhì)上反應(yīng)熱敏電阻的靈敏度的大小, 愈大，靈敏度愈高。74第七十四張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月75伏安特性 Volt-ampere characteristic 伏安特性指熱敏電阻在達(dá)到熱平衡后其端電壓與電流之間的關(guān)系。表征熱敏電阻工作狀態(tài)的重要特性，可幫助正確選擇熱敏電阻的正常工作范圍（工作電壓）。 圖2-7 NTC型熱敏電阻的伏安特性75第七十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月76耗散常數(shù) Dissipation constant 指熱敏電阻在規(guī)定的環(huán)境溫度下，由于自熱而 每上升1所消耗的功率，單位為mw/ 熱時(shí)間常數(shù) H

24、eat time constant 表示在零功耗條件下，環(huán)境溫度發(fā)生階躍變化時(shí)，熱敏電阻的溫度變化達(dá)到終止溫度的63.2%所需要的時(shí)間。它是描述熱敏電阻熱惰性的重要參數(shù)，也可以說是描述熱敏電阻動(dòng)態(tài)特性的物理量。最高工作溫度 Highest working temperature 指熱敏電阻在保證其性能符合技術(shù)條件規(guī)定情況下能長期連續(xù)工作的最高溫度。76第七十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月773.3 熱敏電阻的線性化 Linearization of thermistor 在恒流源激勵(lì)下，以熱敏電阻兩端的電壓作為溫度指示，可用一個(gè)經(jīng)適當(dāng)選擇的電阻RP與熱敏電阻RT并聯(lián)進(jìn)行線性化

25、。77第七十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月78使并聯(lián)組合的拐點(diǎn)與測溫中點(diǎn)溫度相吻合，所需并聯(lián)電阻值可由下式求出其中 溫度為 處的電阻值 78第七十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月79 在恒壓源激勵(lì)下，以流過熱敏電阻的電流作為溫度指示，可用適當(dāng)選擇的電導(dǎo)Gs與GT串聯(lián),實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)與溫度的非線性特性的補(bǔ)償。79第七十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月80 其中 溫度為 處 的電導(dǎo)值 使串聯(lián)組合的拐點(diǎn)與測溫中點(diǎn)溫度相吻合，所需串聯(lián)電導(dǎo)（阻）值可由下式求出 80第八十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月813.4 熱敏電阻型生物傳感器 凡有生物體

26、反應(yīng)的地方，大都可以觀察到放熱或吸熱反應(yīng)的熱量變化(焓變化)。熱敏電阻生物傳感器就是以測定生化反應(yīng)焓變化作為測定基礎(chǔ)。 若測量系統(tǒng)是一個(gè)絕熱系統(tǒng)，借助于熱敏電阻，可根據(jù)對(duì)系統(tǒng)溫度變化的測量實(shí)現(xiàn)試樣中待測成分的測定。 81第八十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月82圖2-8 酶熱敏電阻的測量系統(tǒng) 82第八十二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 電化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換器 離子敏場效應(yīng)晶體管 熱敏電阻 壓電晶體信號(hào)轉(zhuǎn)換器 光電換能器83第八十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月四、壓電晶體型信號(hào)轉(zhuǎn)換器4.1壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng) 壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)當(dāng)沿一定方向施加作用力時(shí)

27、，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化狀態(tài)的變化，同時(shí)在電介質(zhì)的兩個(gè)端面上出現(xiàn)符號(hào)相反的，與外力成比例的束縛電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。具有壓電效應(yīng)的材料稱其為壓電體。 84第八十四張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 逆壓電效應(yīng)指壓電體在外加電場的作用下，其內(nèi)部極化狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)的變化，導(dǎo)致電介質(zhì)出現(xiàn)與外加電場強(qiáng)度成正比的應(yīng)變現(xiàn)象。85第八十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 常用的壓電體材料有四種： 壓電晶體 壓電陶瓷 壓電高分子聚合物 復(fù)合壓電材料 其中壓電晶體以石英晶體為代表，是生物傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換器常用的材料。86第八十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6

28、月4.2 壓電效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理 1.石英晶體的壓電效應(yīng) 石英晶體(SiO2)之所以存在壓電效應(yīng)，與它的結(jié)構(gòu)有關(guān)，石英晶體屬六方晶系，為一正六面體結(jié)構(gòu)。石英晶體有三個(gè)晶軸。垂直于晶胞平面的Z軸光軸（中性軸）；穿過晶胞平面六邊形對(duì)角頂?shù)腦軸電軸；垂直于六邊形對(duì)邊的Y軸機(jī)械軸。87第八十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 (a)石英晶體的外形 XY(b)坐標(biāo)系ZYZX 石英晶體88第八十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月+-YXXY+(a)硅氧離子在Z平面上的投影（b）等效為正六邊形排列的投影硅氧離子的排列示意圖 石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。圖中“”代表Si

29、4+，“”代表2O2-。 89第八十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月Y+-X(a) FX=0P1P2P3 當(dāng)作用力FX=0時(shí)，正、負(fù)離子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個(gè)互成120夾角的電偶極矩P1、P2、P3，如圖（a）所示。此時(shí)正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即P1P2P30 。（1）FX=090第九十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 晶體沿X 方向產(chǎn)生收縮，正、負(fù)電荷中心不再重合。 (P1+P2+P3)X0， (P1+P2+P3)Y=0, (P1+P2+P3)Z=0， X 軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y、Z 軸方向則不出現(xiàn)電荷。F

30、XXY+FX (b) FX 0+-P1P2P3（2）FX091第九十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 在X軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在Y、Z方向則不出現(xiàn)電荷。（P1+P2+P3）X0Y+-X-+FXFXP2P3P1+（3）FX 092第九十二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月Y+-X(a) FX=0P1P2P3FXXY+FX(b) FX0Y+-X-+FXFXP2P3P1+石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)原理圖93第九十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 石英晶體受到沿X軸方向的力Fx作用時(shí)，在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而Y、Z方向不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。94第九十四張，PPT共一百

31、一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 晶體沿Y 軸方向受力FY作用下的情況與FX相似。當(dāng)FY0時(shí)，晶體的形變與圖（b）相似；當(dāng)FY0時(shí)，則與圖（c）相似。 95第九十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 由此可見，晶體沿Y 軸方向受力作用時(shí)，同樣在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)，這就是為什么稱 X 軸為電軸，稱 Y 軸為機(jī)械軸。 96第九十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 晶體沿Z 軸方向受力FZ的作用下，因?yàn)榫w沿X方向和沿Y方向所產(chǎn)生的應(yīng)變完全相同，所以，正、負(fù)電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就表明，石英晶體沿Z (即光軸)方向受力FZ作

32、用時(shí)，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)，這就是為什么稱Z 軸為光軸。 97第九十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月FXFX+(a)(b)XX+(c)(d)FYFYXX 石英晶體壓電效應(yīng)效果圖(a)、(b)為縱向壓電效應(yīng)效果(c)、(d)為橫向壓電效應(yīng)效果98第九十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 從石英晶體上切下一片平行六面體晶體切片，使它的晶面分別平行于X、Y、Z軸，如圖。在垂直X軸方向兩面用真空鍍膜或沉積法得到電極面，接上引線即構(gòu)成壓電傳感器。zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)99第九十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月4.3 壓電晶體諧振頻率變化公式 壓電石英晶體諧振頻率變化量與晶體表面均勻沉積的極薄層剛性物質(zhì)質(zhì)量之間成正比，即 是晶體吸附外來物質(zhì)后諧振頻率變化量（Hz）； f0為壓電晶體的固有頻率(MHz)； 為石英晶體的密度（2.468g/cm2）； 為AT切割石英晶體的切變模量（2.94710-11）；A為被吸附物所覆蓋的面積（cm2）； 為附著層物質(zhì)的質(zhì)量變化 100第一百張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月4.4 壓電石英晶體傳感器1.