壓電薄膜傳感器 生命體征

1、壓電薄膜傳感器與生命體征監(jiān)測(cè)121270036 尹思源一、特點(diǎn)壓電薄膜擁有獨(dú)一無二的特性，作為一種動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器，非常適合應(yīng)用于人體皮膚表面或植入人體內(nèi)部的生命信號(hào)監(jiān)測(cè)。一些薄膜元件靈敏到足以隔著外套探測(cè)出人體脈搏。本文將著重介紹幾種壓電薄膜在生命特征監(jiān)護(hù)方面的典型應(yīng)用。 當(dāng)你拉伸或彎曲一片壓電聚偏氟乙烯 PVDF 高分子膜（壓電薄膜），薄膜上下電極表面之間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)（電荷或電壓），并且同拉伸或彎曲的形變成比例。一般的壓電材料都對(duì)壓力敏感，但對(duì)于壓電薄膜來說，在縱向施加一個(gè)很小的力時(shí)，橫向上會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，而如果對(duì)薄膜大面積施加同樣的力時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)小很多。因此，壓電薄膜

2、對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)力非常敏感，28m厚的 PVDF 的靈敏度典型值為10 15mV /微應(yīng)變（長(zhǎng)度的百萬分率變化）。 如圖：壓電薄膜很薄，質(zhì)輕，非常柔軟，可以無源工作，因此可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)用傳感器，尤其是需要探測(cè)細(xì)微的信號(hào)時(shí)。顯然，該材料的特點(diǎn)在供電受限的情況下尤為突出（在某些結(jié)構(gòu)中，甚至還可以產(chǎn)生少量的能量）。而且壓電薄膜極其耐用，可以經(jīng)受數(shù)百萬次的彎曲和振動(dòng)。 二、應(yīng)用1. 接觸式傳感器利用壓電薄膜的動(dòng)態(tài)應(yīng)變片特性，可以輕松的將壓電薄膜直接固定在人體皮膚上（例如手腕內(nèi)側(cè)）。精量電子美國(guó)MEAS傳感器的產(chǎn)品型號(hào)1001777是一款通用傳感器，傳感器的一側(cè)涂有壓力敏感膠。但這款膠未經(jīng)

3、生物兼容性認(rèn)證，在短期試驗(yàn)中可以將3M9842（聚亞安酯膠帶）固定在皮膚上，再將壓電薄膜傳感器粘貼在3M 膠帶上。 圖2顯示出重復(fù)握緊和松開物體時(shí)壓電薄膜傳感器的反應(yīng)，輸出振幅為3V左右（開路），或大約250的動(dòng)態(tài)應(yīng)力。 壓電薄膜之所以既能探測(cè)非常微小的物理信號(hào)又能感受到大幅度的活動(dòng)，是因?yàn)镻VDF膜的壓電響應(yīng)在相當(dāng)大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)都是線性的（大約14個(gè)數(shù)量級(jí)）。多數(shù)情況下，只要能明顯區(qū)分目標(biāo)信號(hào)和噪聲的帶寬，細(xì)小的目標(biāo)信號(hào)都可以通過過濾器采集到。 類似的傳感器已在睡眠紊亂研究中用于探測(cè)胸部、腿部、眼部肌肉和皮膚的運(yùn)動(dòng)。另外，傳感器可以通過探測(cè)肌肉（例如拇指和食指之

4、間的肌肉）對(duì)電擊的反應(yīng)作為檢驗(yàn)麻醉效果的指示器（神經(jīng)肌肉傳導(dǎo)）。 2.  加速度傳感器  Minisense100是精量電子的一款標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，采用懸臂梁設(shè)計(jì)，一端用硬性PCB板夾緊并帶有連接引腳，另一端裝有質(zhì)量塊。 質(zhì)量塊使傳感器在受到振動(dòng)時(shí)連貫反應(yīng)。質(zhì)量塊保持不動(dòng)，而薄膜部分發(fā)生形變，從而產(chǎn)生非常高的電壓靈敏度（大約 1V/g）。由這個(gè)元件派生出其他生命特征傳感器，例如工作人員或病患佩戴的智能胸卡（內(nèi)置RF遙感設(shè)備）。通過階段性采集佩戴者的信號(hào)來確定其位置和跟蹤其狀態(tài)。傳感器感測(cè)到胸卡被摘下時(shí)會(huì)將胸卡設(shè)置成睡眠狀態(tài)；如果傳感器感受到身體任何部位

5、的運(yùn)動(dòng)，肌肉的震顫，甚至是脈搏的振動(dòng)，會(huì)喚醒胸卡。 將傳感器用一條輕薄而有彈性的綁帶固定在胸部，可以“聽”到心音的細(xì)節(jié)。如果傳感器電氣接口頻率非常低，同時(shí)還可以監(jiān)控呼吸的情況（見圖3）。這個(gè)波形圖顯示呼吸引起的胸腔運(yùn)動(dòng)，大約 4 秒鐘一個(gè)信號(hào)周期；同時(shí)也顯示出心跳的信號(hào)，大概每秒一次（60bpm）。將濾波器設(shè)置為1Hz10Hz濾除圖3 波形中的呼吸信號(hào)和噪聲，可以獲得心跳的實(shí)時(shí)信號(hào)（見圖4）。 3. 聽診器 很多電子聽診器都采用了壓電薄膜作為傳感器元件，因?yàn)樗陀?，靈敏度高，帶寬范圍寬。在該應(yīng)用中，傳感器元件通常都封裝在傳統(tǒng)的金屬聽診頭中，因?yàn)閭鞲衅餍枰c身體形成

6、“作用力”。一旦動(dòng)態(tài)的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，就可以有選擇性的過濾或放大、作為音頻信號(hào)回放、運(yùn)用更復(fù)雜的運(yùn)算方法判斷出具體的狀況、或傳輸?shù)竭h(yuǎn)程基站進(jìn)行進(jìn)一步 分析存儲(chǔ)等。 4.  傳感器組 一個(gè)復(fù)合聲傳感器可以同時(shí)監(jiān)控多個(gè)點(diǎn)。Deep Breeze公司用一個(gè)有差不多100個(gè)傳感器的傳感器組采集病人吸氣和呼氣的聲音信息。用真空罩將傳感器貼在皮膚表面。采集到的信號(hào)在加工處理后轉(zhuǎn)換成聲音的“圖像”，因而氣管和肺里的氣流可以像動(dòng)畫片一樣成像。任何異物和不正?，F(xiàn)象在這些圖像中都一目了然。這種方式比X光可靠，而且安全。 5. 病床監(jiān)護(hù) 壓電薄膜和壓

7、電電纜都可以安裝在床墊上探測(cè)病人的心跳、呼吸和身體運(yùn)動(dòng)。Hoana Medical Inc. 的監(jiān)護(hù)床報(bào)警系統(tǒng)在床墊和被單之間安裝了一組傳感器。病人坐或躺在監(jiān)護(hù)床上時(shí)，傳感器可以隔著衣服和被單準(zhǔn)確測(cè)量收集患者的生命特征信息。柔性開關(guān)用于采集靜態(tài)信號(hào)，病患所有的動(dòng)態(tài)信號(hào)都由壓電薄膜采集并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，在病床邊上的顯示器顯示。病人的心率和呼吸速率不正常，或病人擅自下床時(shí)，系統(tǒng)可以提前報(bào)警。這一切都由傳感器完成，而無需與病人直接接觸。 6. 呼吸熱電監(jiān)測(cè) PVDF對(duì)溫度的動(dòng)態(tài)變化也相當(dāng)敏感（28m厚壓電薄膜的典型值是8 V/oC）。英國(guó)C-Lect醫(yī)療公司開發(fā)了一款監(jiān)控器，

8、用來監(jiān)測(cè)呼吸速率。用面罩將一小塊壓電薄膜元件固定在口鼻處，吸進(jìn)和呼出氣體的溫度變化產(chǎn)生強(qiáng)勁的電信號(hào)。即使吸入的是加熱過的氧氣/空氣，測(cè)量結(jié)果仍然十分準(zhǔn)確。PIPPA監(jiān)控器由電池供電，LCD顯示每分鐘的呼吸次數(shù)。 用壓電薄膜制造的嘴唇接觸式傳感器運(yùn)用了相同的原理，探測(cè)通過嘴或鼻子的氣流。相對(duì)于熱敏電阻來說，壓電薄膜靈敏度高，響應(yīng)速度快，柔軟，并且探測(cè)面積大。三、壓電薄膜傳感器在心臟監(jiān)測(cè)中的具體實(shí)現(xiàn)壓電薄膜傳感器的設(shè)計(jì)主要考慮了傳感器的靈敏度和信噪比，根據(jù)測(cè)量信號(hào)的頻率和響應(yīng)幅度，我們?cè)O(shè)計(jì)薄膜傳感器的結(jié)構(gòu)有如同圖1所示的幾種。在采集人體心音的信號(hào)時(shí)，由于心音的頻響范圍較寬，同時(shí)其輸出的物

9、理信號(hào)值也很微弱，采用硬質(zhì)襯底和中空的設(shè)計(jì)。這樣可以提高傳感器中薄膜在收到心音信號(hào)時(shí)的形變量，從而提高信號(hào)強(qiáng)度。這樣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)不牢固，使用時(shí)間長(zhǎng)了需要校正。 PVDF壓電薄膜的壓電常數(shù)一般為D33=15×10-12C/N，g值比較高，但是具有很高的內(nèi)阻抗，一般高達(dá)1012，制作出的傳感器的輸出阻抗較大，不利于后面的信號(hào)采集和放大。為防止信號(hào)的衰減，我們采用高輸出阻抗的場(chǎng)效應(yīng)管作為阻抗變換器，即為測(cè)量系統(tǒng)的前置電路。我們利用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的高輸入阻抗的特點(diǎn)，根據(jù)其靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)計(jì)阻抗變換器，如圖2(a)所示，傳感器獲得的人體信號(hào)經(jīng)過阻抗變換器后，得到可靠的低阻抗的輸出信號(hào)。其輸出

10、阻抗如圖 2(b)圖所示?？梢钥闯?，在信號(hào)頻率變化的情況下，傳感器的輸出阻抗?；颈３植蛔?。 1、信號(hào)的采集信號(hào)采集部分心音和心電綜合檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)拾取包括心電和心音信號(hào)的拾取，鑒于二者的產(chǎn)生機(jī)理不同，該部分由心電電極和心音傳感器組成。心電電極我們采用市售的普通一次性心電電極，心音傳感器采用我們自己研制PVDF壓電薄膜傳感器。通過壓電薄膜傳感器采集的心音信號(hào)強(qiáng)度僅有幾個(gè)毫伏的數(shù)量級(jí)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，我們利用一種高共模抑制比、高輸入阻抗的運(yùn)算放大器，利用電路的高度對(duì)稱性，來控制放大倍數(shù)。心電放大單元包括輸入緩沖電路、高共模抑制比高增益差動(dòng)放大器、低通濾波器、QRS波檢測(cè)電路等部分。

11、圖3是我們的設(shè)計(jì)的前兩級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)圖譜。從圖中可以看出來，在包括心音和心電信號(hào)的很大的一個(gè)寬頻率范圍內(nèi)，電路能夠?qū)π盘?hào)有效放大，并且其增益基本相同。有效的減少了由于基線和信號(hào)放大不均所造成的誤診和漏診。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是很多應(yīng)用領(lǐng)域中不可缺少的部分。它是實(shí)時(shí)采集與溫度、濕度、壓力、流量、速度等有關(guān)的連續(xù)變化的模擬量信號(hào)，通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器把這些模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)或直接采集代表某些狀態(tài)特性的開關(guān)量，送計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。我們的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。 圖4中，譯碼器用最高3位進(jìn)行譯碼。它的輸出分別作為ROM、RAM、通道地址鎖存器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、8255等片選信

12、號(hào)。系統(tǒng)配置8K字節(jié)的EPROM監(jiān)控程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢、輸入/輸出驅(qū)動(dòng);提供擴(kuò)展8K字節(jié)RAM的能力。8路開關(guān)輸入量通過光隔離器件后，直接連到P1口的8 位。8路開關(guān)輸出接口到8255P的B通道。8模擬輸入通道連接到模擬開關(guān)，用軟件控制切換，分時(shí)使用一片模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。模擬輸出通道采用帶輸入數(shù)據(jù)緩沖器的數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片。系統(tǒng)直接使用8031片內(nèi)的串行輸入、輸出功能作為全雙工的串行輸入、輸出口。數(shù)據(jù)的采樣是依據(jù)采樣定理，采樣定理可以描述為：只要采樣頻率大于模擬信號(hào)中最高頻率分量頻率的兩倍，則模擬信號(hào)中所包含的全部信息，也包含在它的采樣值中。 根據(jù)這個(gè)定理我們可通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，定時(shí)(滿足采

13、樣頻率大于模擬信號(hào)最高頻率)對(duì)檢測(cè)波形進(jìn)行采樣，得到的采樣數(shù)據(jù)(攜帶有檢測(cè)波形的全部信息)可保存在存儲(chǔ)器中，來實(shí)現(xiàn)波形的存儲(chǔ)和輸出。我們使用8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器AD0804，采用差動(dòng)雙端模擬輸入。AD0804的WR信號(hào)控制三態(tài)門，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出線與系統(tǒng)數(shù)據(jù)線的連接。 2、信號(hào)處理控制信號(hào)處理控制器，該控制器由8031單片機(jī)完成。壓電傳感器獲得通道一(心音)數(shù)據(jù)、心電電極獲得通道二(心電)數(shù)據(jù)后，通過模擬電路先對(duì)其放大，后對(duì)其模擬信號(hào)進(jìn)行整形，轉(zhuǎn)化為脈沖形式(開關(guān)量)。利用8031單片機(jī)中的兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和T1分別工作于定時(shí)和計(jì)數(shù)方式，對(duì)心音心電波形整形后的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后通過軟件計(jì)算脈搏心率每分鐘跳動(dòng)次數(shù)，并根據(jù)軟件分析心電心音數(shù)據(jù)相關(guān)的量。 3、信號(hào)的輸出信號(hào)的輸出部分包括接口電路和顯示。接口電路部分采用了可編程輸入輸出接口片子8255，通過它可直接將CPU總線接向外設(shè)。我們選用8255 的能輸入/輸出方式，完成微型記錄盒與PC機(jī)數(shù)據(jù)傳送。為了方便計(jì)算機(jī)正確地找到該接口電路，賦予8255接口特定的地址，通過口地址譯碼確定接口電路地址。譯碼電路如圖5所示。選擇采用數(shù)據(jù)查詢式傳送方式向外界傳送數(shù)據(jù)，其優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)CPU與外部過程不同步時(shí)，也可以很好地解決CPU的時(shí)序和I/O端口的時(shí)序之間的配合問題，從而不同外設(shè)的狀態(tài)信