ch02生物醫(yī)學(xué)傳感器基本知識

生物醫(yī)學(xué)傳感器基知識教育部生物醫(yī)學(xué)工程類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會“十三五”規(guī)劃教材生物醫(yī)學(xué)傳感與檢測原理第二章01傳感器的靜態(tài)特性傳感器在被測量的各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)，輸入量為恒定值而不隨時間變化時，其相應(yīng)輸出量亦不隨時間變化，這時輸出量與輸入量之間的關(guān)系稱為靜態(tài)特性。這種關(guān)系一般根據(jù)物理、化學(xué)、生物學(xué)的“效應(yīng)”和“反應(yīng)定律”得到，具有各種函數(shù)關(guān)系。靜態(tài)特性的基本概念靜態(tài)特性的基本概念線性特性如圖2-1（a）所示。靜態(tài)特性的基本概念非線性項僅有奇次項的特性特性如圖2-1（b）所示。靜態(tài)特性的基本概念非線性項僅有偶次項的特性如圖2-1（c）所示。靜態(tài)特性的基本概念一般情況對應(yīng)的曲線如圖2-1（d）所示。傳感器的靜態(tài)特性實際上是非線性的，所以它的輸出不可能絲毫不差地反映被測量的變化，對動態(tài)特性也會有一定的影響。傳感器的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行校準(zhǔn)的。靜態(tài)特性的基本概念傳感器的線性度也稱為傳感器特性曲線的非線性誤差。線性度遲滯用來描述傳感器的正向和反向特性的不一致程度，亦即對應(yīng)于同一大小的輸入信號，傳感器在正、反行程時的輸出信號數(shù)值不相等的程度。遲滯重復(fù)性表示傳感器在同一工作條件下，輸入朝同一方向做全量程連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度。重復(fù)性衡量傳感器靜態(tài)特性的指標(biāo)靈敏度靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化與輸入變化的比值。準(zhǔn)確度傳感器的準(zhǔn)確度又稱精確度或精度，表示被測量的測量結(jié)果與約定真值間的一致程度。精密度和正確度精密度是描述在同一測量條件下，測量儀表指示值不一致的程度，反映測量結(jié)果中的隨機(jī)誤差的大小。“”衡量傳感器靜態(tài)特性的指標(biāo)指輸入量的變化不一致引起輸出量有任何可見變化的量值范圍。靈敏限傳感器無輸入或當(dāng)某一輸入值不變時，每隔一段時間，進(jìn)行讀數(shù)，其輸出偏離零值。零點漂移溫漂表示當(dāng)溫度變化時，傳感器輸出值的偏移程度。溫漂衡量傳感器靜態(tài)特性的指標(biāo)02傳感器的動態(tài)特性為了便于分析和處理傳感器的動態(tài)特性，必須建立數(shù)學(xué)模型，用數(shù)學(xué)中的邏輯推理和運算方法來研究傳感器的動態(tài)響應(yīng)。對于線性系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)研究，最廣泛使用的數(shù)學(xué)模型是線性常系數(shù)微分方程。只要對該微分方程求解，就可得到傳感器的動態(tài)性能指標(biāo)。動態(tài)特性的一般數(shù)學(xué)模型絕大多數(shù)傳感器的輸出與輸入之間的關(guān)系都可用零階、一階或二階微分方程來描述。因此，可將傳感器分為零階、一階和二階傳感器，階數(shù)越高，傳感器的動態(tài)特性越復(fù)雜。動態(tài)特性的一般數(shù)學(xué)模型在分析、設(shè)計和應(yīng)用傳感器時，傳遞函數(shù)的概念十分有用。所謂傳遞函數(shù)，就是輸出信號與輸入信號之比。因此，只要用算子D代替式中的d/dt 就可得到算子形式的傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)如果設(shè)定輸入信號是時間的函數(shù)，則能推導(dǎo)出輸出信號，可以使用框圖（見圖2-11）來表明信號的流向和傳感器的特性。通常，在研究線性系統(tǒng)時還可應(yīng)用拉氏變換法。這時，把輸出量拉氏變換與輸入量拉氏變換之比稱為拉氏形式的傳遞函數(shù)。因此，就傳遞函數(shù)來看，可以很方便地把拉氏形式的傳遞函數(shù)改寫成算子形式的傳遞函數(shù)，只要把式中的s換成D即可，反之亦行。這兩種形式的傳遞函數(shù)都可以用來描述系統(tǒng)的動態(tài)特性，有時統(tǒng)稱為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)動態(tài)響應(yīng)1.（1）頻率響應(yīng)的通式正弦輸入時的頻率響應(yīng)如圖2-12所示。動態(tài)響應(yīng)（2）零階、一階和二階傳感器的傳遞函數(shù)及頻率特性零階傳感器與頻率無關(guān)，其輸出與輸入成正比，即無幅值和相位失真，所以零階傳感器具有理想的動態(tài)特性，如圖2-14所示。動態(tài)響應(yīng)2.階躍輸入響應(yīng)單位階躍信號如圖2-17所示，其幅值為1。如果是零階的傳感器，則輸入與輸出成正比，如圖2-18所示。03常用敏感材料半導(dǎo)體材料按化學(xué)組成可分為元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體等。半導(dǎo)體敏感材料單晶硅是大多數(shù)固態(tài)傳感器使用的敏感材料，因為單晶硅具有優(yōu)良的機(jī)械、物理特性，材質(zhì)純，內(nèi)耗低，功耗小。元素半導(dǎo)體大多數(shù)化合物半導(dǎo)體具有類似于單元素半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點和電特性，其優(yōu)點是具有較寬的禁帶范圍和遷移率?；衔锇雽?dǎo)體常用敏感材料非晶半導(dǎo)體大致可分為以Si為代表的四面體系（如Si（a-Si）等）和以Se、Te為構(gòu)成元素的氧屬（硫族）元素化合物系。非晶半導(dǎo)體硅藍(lán)寶石材料是在藍(lán)寶石（tα-A1，O，）襯底上應(yīng)用外延生長技術(shù)形成的硅薄膜。硅藍(lán)寶石常用敏感材料常用敏感材料石英敏感材料石英的化學(xué)組成為SiO，SiO，的晶態(tài)形式即石英晶體的理想形狀為六角錐體（見圖2-23），通過錐頂端的軸線稱為z軸（光軸）。常用敏感材料功能陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛，主要用于電、磁、光、聲、熱力和化學(xué)等信息的檢測、轉(zhuǎn)換、傳輸、處理和存儲。根據(jù)其組成結(jié)構(gòu)的易調(diào)和可控性，可以制備超高絕緣性、絕緣性、半導(dǎo)體、導(dǎo)電性和超導(dǎo)性陶瓷；根據(jù)其能量轉(zhuǎn)換和耦合特性，可以制備壓電、光電、熱電、磁電和鐵電等陶瓷；根據(jù)其對外場條件的敏感效應(yīng)，可以制備熱敏、氣敏、濕敏、嗅敏、磁敏和光敏等敏感陶瓷。功能陶瓷敏感材料常用敏感材料功能陶瓷主要分為壓電陶瓷、熱釋電陶瓷及半導(dǎo)體陶瓷，其中壓電陶瓷的人工極化過程如圖2-24所示。導(dǎo)電高分子材料按導(dǎo)電原理可分為結(jié)構(gòu)型與復(fù)合型兩大類。導(dǎo)電高分子材料壓電高分子材料的研究始于生物體，聚偏二氟乙烯（PVDF）壓電材料是其中的代表。壓電高分子材料高分子化學(xué)敏感材料可分為氣敏材料、離子敏材料和分子敏材料。高分子化學(xué)敏感材料常用敏感材料金屬敏感材料金屬的特性是電子可在金屬中自由運動，將其他的物理量變成自由電子的運動量并控制自由電子的運動，是金屬敏感材料所利用的技術(shù)之一。自旋的排列（即磁性）也是金屬具有的一大特點。此外，大部分金屬在極低溫下具有超導(dǎo)性。在材料的功能利用方面，由于有金屬以外的豐富材料，金屬材料的作用相對降低了，但在溫度敏感元件和磁敏元件中，金屬材料仍起著重要作用。常用敏感材料可用于納米生物傳感的納米材料可分為4個主要類別：金屬納米粒子，包括量子點（QDs）、納米線、納米棒、金屬氧化物和金屬納米粒子；碳基納米材料，包括碳納米管、石墨烯、富勒烯和碳點；枝狀聚合物，由分支單元構(gòu)建的納米聚合物；復(fù)合納米材料。常用敏感材料常用敏感材料圖2-27所示是一種金屬納米材料微觀結(jié)構(gòu)示意圖。碳基納米材料是由石墨合成的，石墨是最古老和最常用的天然材料之一。枝狀聚合物是尺寸與蛋白質(zhì)相近，有分支形狀的人造分子。目前有幾種方法制造納米傳感器，包括自上而下光刻、自下而上組裝及分子自組裝等技術(shù)，它從較大的材料塊開始，雕刻出想要的形狀。常用敏感材料常用敏感材料利用生物物質(zhì)進(jìn)行特異性分子識別是傳感器技術(shù)發(fā)展史上的一個重大突破，理論上說，任何生物分子功能單位均可作為生物識別元件用以構(gòu)建生物傳感器，但是目前發(fā)展相對成熟的生物識別元件主要包括以下生物活性物質(zhì)：酶、抗體與抗原、核酸、受體與配體、離子通道，以及全細(xì)胞或組織、微生物等。生物敏感材料04傳感器的干擾與噪聲機(jī)械干擾這類干擾包括振動和沖擊，它們對于具有相對運動元件的傳感器有很大影響。音響干擾音響干擾一般功率不大，尤其是在醫(yī)院和生物醫(yī)學(xué)實驗室環(huán)境下，故這類干擾較易被抑制，必要時可用隔音材料作傳感器的殼體，或?qū)⑵浞旁谡婵杖萜髦惺褂?。傳感器的常見干擾熱干擾由熱輻射造成的熱膨脹，會使傳感器內(nèi)部元件間發(fā)生相對位移，或使得元件性能發(fā)生變化。電磁干擾（1）靜電干擾；（2）電磁干擾。傳感器的常見干擾電阻熱噪聲任何電阻的兩端即使沒有外加電勢，也會有一定的交變電壓，這就是材料內(nèi)的自由電子不規(guī)則的熱運動所產(chǎn)生的熱噪聲電壓。散粒噪聲散粒噪聲是由電子（或空穴）隨機(jī)地發(fā)射而引起的，存在于電子管和半導(dǎo)體兩種元件上。在光電管和真空管等器件中，散粒噪聲來自陰極電子的隨機(jī)發(fā)射；而在半導(dǎo)體器件中，則來自載流子的隨機(jī)擴(kuò)散以及空穴電子對的隨機(jī)發(fā)射及復(fù)合。傳感器的噪聲1/f噪聲由于導(dǎo)體的不完全接觸等制造工藝及材料方面的原因，電子器件中還存在著一種功率譜與頻率成反比的噪聲，稱為1/f噪聲。1/f噪聲發(fā)生在兩種不同材料的導(dǎo)體相接觸的部位，其大小與直流電流成正比，振幅為高斯分布。噪聲系數(shù)傳感器的噪聲系數(shù)定義為傳感器輸入端的信噪比與輸出端的信噪比之比：F=（Psi/Pni）/(Pso/Pno)傳感器的噪聲05測量誤差誤差的基本概念所謂誤差，就是測得值與被測值的真值之間的差。誤差可用絕對誤差表示，也可用相對誤差表示。其中，絕對誤差是指某測量參數(shù)的測得值和真值之差，既可以是正值，也可以是負(fù)值。測量誤差測量裝置引起的誤差包括標(biāo)準(zhǔn)量具誤差、儀器誤差和附件誤差。環(huán)境誤差由于各種環(huán)境因素與規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)不一致而引起的測量裝置和被測量本身的變化所造成的誤差，如溫度、濕度、氣壓、照明、電磁場等。測量誤差方法誤差由于測量方法不完善引起的誤差，如袖帶法測血壓。人員誤差由于測量者分辨能力限制、工作疲勞導(dǎo)致的感官生理變化、固有讀數(shù)習(xí)慣等引起的誤差。測量誤差誤差的基本性質(zhì)及其處理方法1）隨機(jī)誤差當(dāng)對同一量值進(jìn)行多次等精度重復(fù)測量時，可能得到一系列各不相同的測量值（又稱測量列），每個測量值都含有誤差。若測量列中不包含系統(tǒng)誤差和粗大誤差，則測量列的隨機(jī)誤差一般具有對稱性、單峰性、有界性和抵償性等正態(tài)分布特征。測量誤差2）系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差是由固定不變的或按確定規(guī)律變化的因素所造成的，其特征是在同一條件下多次測量同一量值時，誤差的絕對值和符號保持不變，或在條件改變時，誤差按一定的規(guī)律變化。由系統(tǒng)誤差特點可以看出，多次測量時它不具有抵償性。通常表現(xiàn)形式包括：不變系統(tǒng)誤差、線性變化系統(tǒng)誤差、周期性變化系統(tǒng)誤差，以及復(fù)雜規(guī)律變化系統(tǒng)誤差。測量誤差3）粗大誤差粗大誤差的數(shù)值較大，它會嚴(yán)重歪曲測量結(jié)果，一旦發(fā)現(xiàn)含有粗大誤差的測量結(jié)果要進(jìn)行消除。消除粗大誤差的有效方法是強化測量工作的責(zé)任心，培養(yǎng)測量者以嚴(yán)格的科學(xué)態(tài)度對待測量工作；同時，還要保證測量條件的穩(wěn)定，避免在外界條件發(fā)生明顯變化時進(jìn)行測量。測量誤差06生物醫(yī)學(xué)傳感器的標(biāo)定生物醫(yī)學(xué)傳感器的標(biāo)定傳感器的標(biāo)定是指當(dāng)一個傳感器裝配完成后，得用精度足夠高的基準(zhǔn)測量設(shè)備，對傳感器的輸入輸出關(guān)系進(jìn)行校驗的過程；而校準(zhǔn)是指在使用過程中或長期儲存后進(jìn)行的性能與精度的定期復(fù)測。標(biāo)定與校準(zhǔn)在本質(zhì)上是相同的。生物醫(yī)學(xué)傳感器的標(biāo)定標(biāo)定的基本方法是：將由標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生的大小已知的模擬生理量（如壓力、溫度等）作為傳感器的輸入，然后測量傳感器的輸出，它可能是電壓、電流，也可能是電表、記錄儀或示波器上的顯示幅度。根據(jù)傳感器的類型和用途，標(biāo)定可以是靜態(tài)的，也可以是動態(tài)的。由于要得到一個已知的動態(tài)信號源是很困難的，因此動態(tài)標(biāo)定常常建立在靜態(tài)標(biāo)定的基礎(chǔ)上。生物醫(yī)學(xué)傳感器的標(biāo)定力值傳遞系統(tǒng)，如圖2-32所示。按照計量部門規(guī)定的標(biāo)定規(guī)程，只能用上一級標(biāo)準(zhǔn)裝置來標(biāo)定下一級傳感器。07生物醫(yī)學(xué)傳感器及其測量的安全性1.醫(yī)用傳感器的電氣安全隨著醫(yī)院及醫(yī)學(xué)研究機(jī)構(gòu)使用醫(yī)學(xué)電子儀器設(shè)備的品種、數(shù)量和復(fù)雜程度的不斷增加，偶發(fā)的電擊事故也逐漸增多。為此，制定安全的防范措施，正確設(shè)計和使用傳感器，把意外電擊的危險減小到最低程度，對醫(yī)用傳感器的設(shè)計者和使用者都是十分必要的。生物醫(yī)學(xué)傳感器及其測量的安全性生物醫(yī)學(xué)傳感器及其測量的安全性表2-1給出了連續(xù)漏電流（頻率在1kHz以下）和患者測定電流的容許值。2.生物醫(yī)學(xué)材料的安全性在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域使用的生物材料必須符合下列要求。（1）對材料本身性能的要求①耐生物老化性，對于長期植入的材料應(yīng)具有生物穩(wěn)定性。②物理和力學(xué)穩(wěn)定性，長期在體內(nèi)環(huán)境下強度、彈性及外形尺寸具有穩(wěn)定性，此外還要具有耐曲撓疲勞性、耐磨性、界面穩(wěn)定性等。③易于加工成型。④價格適當(dāng)。⑤可以用通用方法滅