生物醫(yī)學(xué)傳感壓電式培訓(xùn)課件

生物醫(yī)學(xué)傳感壓電式生物醫(yī)學(xué)傳感壓電式上次課內(nèi)容回顧自感式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器電渦流式傳感器12/21/20222上次課內(nèi)容回顧12/14/20222

§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12/21/20223

§7-1壓電式傳感器

工作原理---壓電效應(yīng)12/14一、壓電效應(yīng)12/21/20224一、壓電效應(yīng)12/14/2022412/21/2022512/14/20225重要特性（雙向有源器件）何為壓電式傳感器?12/21/20226重要特性何為壓電式傳感器?12/14/20226二、壓電材料：具有壓電效應(yīng)的材料12/21/20227二、壓電材料：具有壓電效應(yīng)的材料12/14/20227納米發(fā)電機(jī)12/21/20228納12/14/20228高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

12/21/20229高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜112/21/20221012/14/202210⑴石英晶體的壓電效應(yīng)天然形成的石英晶體外形12/21/202211⑴石英晶體的壓電效應(yīng)天然形成的石英晶體外形12/14/203、SAW傳感器的基本原理§7-2聲表面波傳感器（P1+P2+P3）Z=0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?；想姌O制作流程示意圖。Ri前置放大器輸入電阻(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？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。在放大器開環(huán)增益A足夠大時(shí)：【例1】一只x切型的石英晶體壓電元件，其d11=2.§7-1壓電式傳感器(c)FX>0【例1】一只x切型的石英晶體壓電元件，其d11=2.（a）單指叉指換能器，放大傳感器輸出的弱信號另外，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；（a）電壓等效電路（b）電荷等效電路Ca傳感器的固有電容3、高強(qiáng)度，易于設(shè)計(jì)；石英晶體三個(gè)晶軸光軸：z

電軸：x

機(jī)械軸：y12/21/2022123、SAW傳感器的基本原理石英晶體三個(gè)晶軸光軸：z

電軸：x石英晶體的產(chǎn)生壓電效應(yīng)的物理過程：12/21/202213石英晶體的產(chǎn)生壓電效應(yīng)的物理過程：12/14/202213Y+++---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=012/21/202214Y+++---X(a)FX=0P1P2P3作用力與產(chǎn)生（P1+P2+P3）X<0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0(c)FX>0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－12/21/202215（P1+P2+P3）X<0(c)FX>0Y+++-12/21/20221612/14/202216石英晶體切片石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝12/21/202217石英晶體切片石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝12/14/2022112/21/20221812/14/202218（2）壓電陶瓷的壓電效應(yīng)12/21/202219（2）壓電陶瓷的壓電效應(yīng)12/14/20221912/21/20222012/14/20222012/21/20222112/14/20222112/21/20222212/14/2022221、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；壓電傳感器實(shí)際的等效電路一、聲表面波的基本原理（P1+P2+P3）Z=0(c)FX>05，橫截面積A=5cm2，厚度h=0.傳感器電壓靈敏度Ku：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。前置放大器也有兩種形式：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（5）叉指的周期M。§7-2聲表面波傳感器（P1+P2+P3）Y=02、低成本，利用半導(dǎo)體工藝的光刻技術(shù)（平面工藝）；作用力與產(chǎn)生電荷之間的關(guān)系：2、

壓電式壓力傳感器§7-2聲表面波傳感器Ri前置放大器輸入電阻§7-2聲表面波傳感器二、SAW傳感器的基本原理三、壓電方程或12/21/2022231、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112/21/20222412/14/202224F1XY++++－－－－F1F1<0+++---P1P2P31、縱向效應(yīng)傳感器2、橫向效應(yīng)傳感器

12/21/202225F1XY++++－－－－F1F1<0+++---P1P2四、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：12/21/202226四、等效電路與測量電路＋＋＋＋――――Q電極壓QCtUaUa＝Q/CaQ＝UaCaCa（a）電壓等效電路（b）電荷等效電路12/21/202227QCtUaUa＝Q/CaQ＝UaCaCa（a）電壓等效電電荷型電壓型

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12/21/202228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【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？12/21/202229【例1】一只x切型的石英晶體壓電元件，其d11=2.31×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(gè)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12/21/202230測量電路壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：12/14/2

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：12/21/2022311、電壓放大器壓電元件所受作用力傳感器電壓靈敏度K電荷放大器是一個(gè)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)12/21/202232電荷放大器是一個(gè)具有深度負(fù)反饋的高增益放大器。2、電荷放大五、壓電傳感器的應(yīng)用1、壓電式加速度傳感器12/21/202233五、壓電傳感器的應(yīng)用1、壓電式加速度傳感器12/12、

壓電式壓力傳感器12/21/2022342、

壓電式壓力傳感器12/14/202234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)12/21/202235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4、

壓電式傳感器的其他應(yīng)用12/21/2022364、

壓電式傳感器的其他應(yīng)用12/14/2022363、高強(qiáng)度，易于設(shè)計(jì)；（P1+P2+P3）Y=0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。四、等效電路與測量電路電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。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；光軸：z

電軸：x

機(jī)械軸：y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。三、SAW傳感器的主要應(yīng)用二、SAW傳感器的基本原理3、SAW傳感器的基本原理放大傳感器輸出的弱信號放大傳感器輸出的弱信號4、聲表面波器件可以十分方便地產(chǎn)生高頻信號；瑞利波（Rayleigh波）二、SAW傳感器的工作原理放大傳感器輸出的弱信號（1）叉指對數(shù)N；壓電基片內(nèi)出現(xiàn)的電場分布Ri前置放大器輸入電阻12/21/2022373、高強(qiáng)度，易于設(shè)計(jì)；12/14/20223712/21/20223812/14/202238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12/21/202239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、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12/21/202240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)用作業(yè)：超聲多普勒血流記12/21/202241作業(yè)：超聲多普勒血流記12/14/202241§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12/21/202242§7-2聲表面波傳感器一、聲表面波的基本原理二、SAW一、聲表面波的基本原理1.聲表面波簡介12/21/202243一、聲表面波的基本原理1.聲表面波簡介12/14/2022瑞利波示意圖

瑞利波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)隨深度的變化

瑞利波（Rayleigh波）

12/21/202244瑞利波示意圖瑞利波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)隨深度的變化瑞利波（Rayle勒夫波（Lovewaves）

12/21/202245勒夫波（Lovewaves）12/14/2022452.聲表面波的發(fā)展歷史12/21/2022462.聲表面波的發(fā)展歷史12/14/202246壓電基片內(nèi)出現(xiàn)的電場分布Ri前置放大器輸入電阻4、聲表面波器件可以十分方便地產(chǎn)生高頻信號；2、SAW叉指換能器的制備3、SAW傳感器的基本原理電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。天然形成的石英晶體外形【例1】一只x切型的石英晶體壓電元件，其d11=2.（P1+P2+P3）Z=03、高強(qiáng)度，易于設(shè)計(jì)；§7-2聲表面波傳感器一、聲表面波的基本原理把傳感器的高輸出阻抗換成低阻抗輸出；工作原理---壓電效應(yīng)3、高強(qiáng)度，易于設(shè)計(jì)；（a）單指叉指換能器，（a）電壓等效電路（b）電荷等效電路放大傳感器輸出的弱信號§7-2聲表面波傳感器壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：(P1+P2+P3)X>0二、SAW傳感器的工作原理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)；12/21/202247壓電基片內(nèi)出現(xiàn)的電場分布3.聲表面波的技術(shù)特點(diǎn)4、聲表面波器12/21/20224812/14/20224812/21/20224912/14/202249SAW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12/21/202250SAW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。

12/21/2022511、SAW叉指換能器的工作原理（a）單指叉指換能器，12/1IDTs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/412/21/202252IDTs的參數(shù)：12/14/202252壓電基片內(nèi)出現(xiàn)的電場分布

12/21/202253壓電基片內(nèi)出現(xiàn)的電場分布12/14/202253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12/21/202254基片上電極制作流程示意圖。（a）基片前處理；（b）鍍金屬膜；12/21/20225512/14/2022553、SAW傳感器的基本原理SAW傳感器特性SAW傳感器優(yōu)勢12/21/2022563、SAW傳感器的基本原理SAW傳感器特性SAW傳感器優(yōu)勢1Ca傳感器的固有電容壓電傳感器實(shí)際的等效電路2、

壓電式壓力傳感器（a）單指叉指換能器，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。(P1+P2+P3)X>0放大傳感器輸出的弱信號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；二、SAW傳感器的基本原理作用力與產(chǎn)生電荷之間的關(guān)系：事故性碰撞：點(diǎn)火信號、電點(diǎn)火管、氣體發(fā)生劑、天然形成的石英晶體外形三、SAW傳感器的主要應(yīng)用電荷放大器是一個(gè)具有深度負(fù)反饋的高增益放大器?！?-2聲表面波傳感器二、SAW傳感器的基本原理石英晶體的產(chǎn)生壓電效應(yīng)的物理過程：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；在放大器開環(huán)增益A足夠大時(shí)：3、高強(qiáng)度，易于設(shè)計(jì)；Ri前置放大器輸入電阻3、高強(qiáng)度，易于設(shè)計(jì)；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12/21/202257Ca傳感器的固有電容三、SAW傳感器的主要應(yīng)用物理傳感器無1、SAW溫度傳感器12/21/2022581、SAW溫度傳感器12/14/2022582、SAW壓力傳感器應(yīng)用：在某些心臟肺部驅(qū)動(dòng)以及一些生物技術(shù)、工藝流程中得到較好的應(yīng)用。12/21/2022592、SAW壓力傳感器應(yīng)用：在某些心臟肺部驅(qū)動(dòng)以及一些生物技術(shù)4、SAW氣體傳感器現(xiàn)有氣體傳感技術(shù)：12/21/2022604、SAW氣體傳感器現(xiàn)有氣體傳感技術(shù)：12/14/20226結(jié)合敏感膜材料的SAW氣體檢測的基本原理：12/21/202261結(jié)合敏感膜材料的SAW氣體檢測的基本原理：12/14/202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。12/21/202262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。12/14/化學(xué)毒劑（GB，GA，GD，以及VX等）的檢測應(yīng)用－－典型應(yīng)用12/21/202263化學(xué)毒劑（GB，GA，GD，以及VX等）的檢測應(yīng)用12/1412/21/20226412/14/2022645.無線傳感器12/21/2022655.無線傳感器12/14/202265作用力與產(chǎn)生電荷之間的關(guān)系：§7-2聲表面波傳感器（a）電壓等效電路（b）電荷等效電路作用力與產(chǎn)生電荷之間的關(guān)系：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：三、SAW傳感器的主要應(yīng)用§7-2聲表面波傳感器2、

壓電式壓力傳感器Ri前置放大器輸入電阻（P1+P2+P3）Z=0作業(yè)：超聲多普勒血流記事故性碰撞：點(diǎn)火信號、電點(diǎn)火管、氣體發(fā)生劑、基片上電極制作流程示意圖。傳感器電壓靈敏度Ku：二、SAW傳感器的基本原理5，橫截面積A=5cm2，厚度h=0.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。在放大器開環(huán)增益A足夠大時(shí)：把傳感器的高輸出阻抗換成低阻抗輸出；石英晶體的產(chǎn)生壓電效應(yīng)的物理過程：§7-2聲表面波傳感器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；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；2、

壓電式壓力傳感器§7-2聲表面波傳感器（a）單指叉指換能器，作用力與產(chǎn)生電荷之間的關(guān)系：（P1+P2+P3）Y=0（b）雙電極叉指換能器。二、SAW傳感器的基本原理石英晶體的產(chǎn)生壓電效應(yīng)的物理過程：放大傳感器輸出的弱信號放大傳感器輸出的弱信號放大傳感器輸出的弱信號作用力與產(chǎn)生電荷之間的關(guān)系：放大傳感器輸出的弱信號（2）孔徑W(指條長度）；Ri前置放大器輸入電阻12/21/202266作用力與產(chǎn)生電荷之間的關(guān)系：石英晶體的產(chǎn)生壓電效應(yīng)的物理過程生物醫(yī)學(xué)傳感壓電式生物醫(yī)學(xué)傳感壓電式上次課內(nèi)容回顧自感式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器電渦流式傳感器12/21/202268上次課內(nèi)容回顧12/14/20222

§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12/21/202269

§7-1壓電式傳感器

工作原理---壓電效應(yīng)12/14一、壓電效應(yīng)12/21/202270一、壓電效應(yīng)12/14/2022412/21/20227112/14/20225重要特性（雙向有源器件）何為壓電式傳感器?12/21/202272重要特性何為壓電式傳感器?12/14/20226二、壓電材料：具有壓電效應(yīng)的材料12/21/202273二、壓電材料：具有壓電效應(yīng)的材料12/14/20227納米發(fā)電機(jī)12/21/202274納12/14/20228高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

12/21/202275高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜112/21/20227612/14/202210⑴石英晶體的壓電效應(yīng)天然形成的石英晶體外形12/21/202277⑴石英晶體的壓電效應(yīng)天然形成的石英晶體外形12/14/203、SAW傳感器的基本原理§7-2聲表面波傳感器（P1+P2+P3）Z=0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。基片上電極制作流程示意圖。Ri前置放大器輸入電阻(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？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。在放大器開環(huán)增益A足夠大時(shí)：【例1】一只x切型的石英晶體壓電元件，其d11=2.§7-1壓電式傳感器(c)FX>0【例1】一只x切型的石英晶體壓電元件，其d11=2.（a）單指叉指換能器，放大傳感器輸出的弱信號另外，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；（a）電壓等效電路（b）電荷等效電路Ca傳感器的固有電容3、高強(qiáng)度，易于設(shè)計(jì)；石英晶體三個(gè)晶軸光軸：z

電軸：x

機(jī)械軸：y12/21/2022783、SAW傳感器的基本原理石英晶體三個(gè)晶軸光軸：z

電軸：x石英晶體的產(chǎn)生壓電效應(yīng)的物理過程：12/21/202279石英晶體的產(chǎn)生壓電效應(yīng)的物理過程：12/14/202213Y+++---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=012/21/202280Y+++---X(a)FX=0P1P2P3作用力與產(chǎn)生（P1+P2+P3）X<0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0(c)FX>0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－12/21/202281（P1+P2+P3）X<0(c)FX>0Y+++-12/21/20228212/14/202216石英晶體切片石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝12/21/202283石英晶體切片石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝12/14/2022112/21/20228412/14/202218（2）壓電陶瓷的壓電效應(yīng)12/21/202285（2）壓電陶瓷的壓電效應(yīng)12/14/20221912/21/20228612/14/20222012/21/20228712/14/20222112/21/20228812/14/2022221、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；壓電傳感器實(shí)際的等效電路一、聲表面波的基本原理（P1+P2+P3）Z=0(c)FX>05，橫截面積A=5cm2，厚度h=0.傳感器電壓靈敏度Ku：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。前置放大器也有兩種形式：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（5）叉指的周期M。§7-2聲表面波傳感器（P1+P2+P3）Y=02、低成本，利用半導(dǎo)體工藝的光刻技術(shù)（平面工藝）；作用力與產(chǎn)生電荷之間的關(guān)系：2、

壓電式壓力傳感器§7-2聲表面波傳感器Ri前置放大器輸入電阻§7-2聲表面波傳感器二、SAW傳感器的基本原理三、壓電方程或12/21/2022891、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112/21/20229012/14/202224F1XY++++－－－－F1F1<0+++---P1P2P31、縱向效應(yīng)傳感器2、橫向效應(yīng)傳感器

12/21/202291F1XY++++－－－－F1F1<0+++---P1P2四、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：12/21/202292四、等效電路與測量電路＋＋＋＋――――Q電極壓QCtUaUa＝Q/CaQ＝UaCaCa（a）電壓等效電路（b）電荷等效電路12/21/202293QCtUaUa＝Q/CaQ＝UaCaCa（a）電壓等效電電荷型電壓型

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12/21/202294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【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？12/21/202295【例1】一只x切型的石英晶體壓電元件，其d11=2.31×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(gè)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12/21/202296測量電路壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：12/14/2

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：12/21/2022971、電壓放大器壓電元件所受作用力傳感器電壓靈敏度K電荷放大器是一個(gè)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)12/21/202298電荷放大器是一個(gè)具有深度負(fù)反饋的高增益放大器。2、電荷放大五、壓電傳感器的應(yīng)用1、壓電式加速度傳感器12/21/202299五、壓電傳感器的應(yīng)用1、壓電式加速度傳感器12/12、

壓電式壓力傳感器12/21/20221002、

壓電式壓力傳感器12/14/202234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)12/21/2022101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4、

壓電式傳感器的其他應(yīng)用12/21/20221024、

壓電式傳感器的其他應(yīng)用12/14/2022363、高強(qiáng)度，易于設(shè)計(jì)；（P1+P2+P3）Y=0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。四、等效電路與測量電路電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。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；光軸：z

電軸：x

機(jī)械軸：y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。三、SAW傳感器的主要應(yīng)用二、SAW傳感器的基本原理3、SAW傳感器的基本原理放大傳感器輸出的弱信號放大傳感器輸出的弱信號4、聲表面波器件可以十分方便地產(chǎn)生高頻信號；瑞利波（Rayleigh波）二、SAW傳感器的工作原理放大傳感器輸出的弱信號（1）叉指對數(shù)N；壓電基片內(nèi)出現(xiàn)的電場分布Ri前置放大器輸入電阻12/21/20221033、高強(qiáng)度，易于設(shè)計(jì)；12/14/20223712/21/202210412/14/202238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12/21/2022105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、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12/21/2022106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)用作業(yè)：超聲多普勒血流記12/21/2022107作業(yè)：超聲多普勒血流記12/14/202241§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12/21/2022108§7-2聲表面波傳感器一、聲表面波的基本原理二、SAW一、聲表面波的基本原理1.聲表面波簡介12/21/2022109一、聲表面波的基本原理1.聲表面波簡介12/14/2022瑞利波示意圖

瑞利波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)隨深度的變化

瑞利波（Rayleigh波）

12/21/2022110瑞利波示意圖瑞利波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)隨深度的變化瑞利波（Rayle勒夫波（Lovewaves）

12/21/2022111勒夫波（Lovewaves）12/14/2022452.聲表面波的發(fā)展歷史12/21/20221122.聲表面波的發(fā)展歷史12/14/202246壓電基片內(nèi)出現(xiàn)的電場分布Ri前置放大器輸入電阻4、聲表面波器件可以十分方便地產(chǎn)生高頻信號；2、SAW叉指換能器的制備3、SAW傳感器的基本原理電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。天然形成的石英晶體外形【例1】一只x切型的石英晶體壓電元件，其d11=2.（P1+P2+P3）Z=03、高強(qiáng)度，易于設(shè)計(jì)；§7-2聲表面波傳感器一、聲表面波的基本原理把傳感器的高輸出阻抗換成低阻抗輸出；工作原理---壓電效應(yīng)3、高強(qiáng)度，易于設(shè)計(jì)；（a）單指叉指換能器，（a）電壓等效電路（b）電荷等效電路放大傳感器輸出的弱信號§7-2聲表面波傳感器壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：(P1+P2+P3)X>0二、SAW傳感器的工作原理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)；12/21/2022113壓電基片內(nèi)出現(xiàn)的電場分布3.聲表面波的技術(shù)特點(diǎn)4、聲表面波器12/21/202211412/14/20224812/21/202211512/14/202249SAW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12/21/2022116SAW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。

12/21/20221171、SAW叉指換能器的工作原理（a）單指叉指換能器，12/1IDTs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/412/21/2022118IDTs的參數(shù)：12/14/202252壓電基片內(nèi)出現(xiàn)的電場分布

12/21/2022119壓電基片內(nèi)出現(xiàn)的電場分布12/14/202253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12/21/2022120基片上電極制作流程示意圖。（a）基片前處理；（b）鍍金屬膜；12/21/202212112/14/2022553、SAW傳感器的基本原理SAW傳感器特性SAW傳感器優(yōu)勢12/21/20221223、SAW傳感器的基本原理SAW傳感器特性SAW傳感器優(yōu)勢1Ca傳感器的固有電容壓電傳感器實(shí)際的等效電路2、

壓電式壓力傳感器（a）單指叉指換能器，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。(P1+P2+P3)X>0放大傳感器輸出的弱信號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；二、SAW傳感器的基本原理作用力與產(chǎn)生電荷之間的關(guān)系