生物医学测量与传感器8课件.ppt

第二章生物电极和医学传感器 压电式传感器 光学传感器 生物传感器 压电式传感器 压电式传感器 压电式传感器是一种有源型传感器，其工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。当这些物质材料表面受力作用变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量转换为电量，完成传感器的功能。 由于压电传感元件是力敏感元件，所以可以用来测量力，也可以测量其他与力相关的参数，如加速度、位移等。 压电式传感器在医学仪器的典型应用是超声诊断仪， 后面章节会重点讲述。 压电式传感器 压电效应 压电式传感器 压电晶 体 石英晶体的压电特性 石英晶体是单晶体结构，其形状为六角形晶柱，两端呈六棱锥形状，石英晶体各个方向的特性是不同的。在三维直角坐标系中，ｚ轴被称为晶体的光轴。沿光轴ｚ方向施加作用力则不产生压电效应。经过六棱柱棱线，垂直于光轴ｚ的ｘ轴称为电轴，把沿电轴ｘ施加作用力后的压电效应称为纵向压电效应。垂直于光轴ｚ和电轴 ｘ的ｙ轴称为机械轴。把沿机械轴ｙ方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应。 若从石英晶体上沿ｙ方向切下一块如图所示的晶体片，当在电轴ｘ方向施加作用力时，在与电轴ｘ垂直的平面上将产生电荷Ｑx，其大小为 石英晶体的压电特性 若在同一切片上，沿机械轴ｙ方向施加作用力Fy，则仍在与ｘ轴垂直的平面上将产生电荷，其大小为 电荷Ｑx和Ｑy的极性±由受压力还是拉力决定。有上式知道Ｑx的大小与晶体片几何尺寸无关，Ｑy则与晶体片几何尺寸有关 。 为了直观地了解石英晶体压电效应的机理和其各向异性的原因 ， 将一个石英晶体的单元体图示表示在下如图所示中，构成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子2O2-分别用符号 ‘＋’和 ‘－’表示，等效为图（ａ）中的正六边形排列。垂直于ｘ轴的平面为Ａ和Ｂ平面。  石英晶体的压电特性 当石英晶体未受外力作用时，带有四个正电荷的硅离子和带有2*2个负电荷的氧离子正好分布在正六边形的六个顶角上，形成三个大小相等，互成 120°夹角的电偶极矩Ｐ1，P2和P3，如图（ａ）所示。此时，正、负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3=0，电荷平衡，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。 当石英晶体受到ｘ轴方向压力时，将产生上下压缩变形，正、负离子的相对位置随之变动，如图（ｂ）所示。硅离子(1)被挤向氧离子(2)和(6)之间，氧离子(4)被挤向硅离子(3)和(5)之间，使电偶极矩在ｘ轴方向的分量P1+P2+P30，电偶极矩的矢量和方向向下，结果上负下正，表面Ａ上呈负电荷，Ｂ表面呈正电荷。如果在ｘ轴方向施加拉力，结果Ａ和Ｂ表面上电荷与图（ｂ）所示相反。这种沿ｘ轴施加力，而在垂直于ｘ轴的晶体表面上产生电荷的现象，就是所说的“纵向压电效应”。 当石英晶体受到ｙ轴方向压力时，如图（ｃ）所示。晶体左右压缩变形。电偶极矩在 ｘ轴方向的分量P1+P2+P30，即电偶极矩的矢量和方向向上，结果上正下负，表面Ａ上呈正电荷，Ｂ表面呈负电荷。这种沿ｙ轴施加力，而仍在垂直于ｘ轴的晶体表面上产生电荷的现象，被称为“横向压电效应”。如果在ｙ轴方向施加拉力，结果在Ａ、Ｂ表面上产生与图（ｃ）所示相反的电荷。 石英晶体的压电特性 当石英晶体在ｚ轴方向受力作用时，由于硅离子和氧离子是对称平移，正、负电荷中心始终保持重合，电偶极矩在ｘ、ｙ方向分量不变，仍为零。 所以晶体表面无电荷出现，因而沿光轴ｚ方向施加力，石英晶体不产生压电效应。如图所示为石英晶体切片在ｘ轴和ｙ轴方向受拉力和压力的不同效果。图（ａ）是在ｘ轴方向受压力，图（ｂ）是在ｘ轴方向受拉力，它们的电荷积累极性相反。图（ｃ）和图（ｄ）是在ｙ轴方向分别受压力和拉力，所产生电荷相反。 　 压电陶瓷的压电特性 压电陶瓷是人造多晶体，其压电机理与石英晶体不同。压电陶瓷材料内的晶粒有许多自发极化的电畴。在极化处理以前，各晶粒内电畴排列方向是任意的，使得自发极化的作用相互抵消，陶瓷内极化强度为零，压电陶瓷的极化过程如图所示。 当在陶瓷上施加外电场时，电畴自发极化方向转到与外加电场方向一致，产生极化。压电陶瓷具有一定极化强度。当外电场撤销后，各电畴的极化在一定程度上仍按原外电场方向取向，陶瓷的极化强度并不完全恢复到自发状态，而是存在剩余极化后的束缚电荷强度。 压电陶瓷的压电特性 经过极化处理的压电陶瓷具备压电效应。陶瓷片经极化的两端出现束缚电荷，一端为正，另一端为负，如图所示。由于束缚电荷的作用， 在压电陶瓷片的极化两端很快吸附一层来自外界的自由电荷，这时束缚电荷与自由电荷数值相等，极性