外文翻譯---氣流傳感器和溫度傳感器在對新生嬰幼兒呼吸狀況的檢測 中文版.doc

1氣流傳感器和溫度傳感器在對新生嬰幼兒呼吸狀況的檢測作者：QuanboZoua,ZhenfengWanga,RongmingLina,JiangtoPangb,ZhiminTanb,XinQianb,LitianLiub,ZhijianLib摘要本文講述的是新生嬰幼兒呼吸狀況的檢測系統(tǒng)的，此系統(tǒng)主要用來檢測未成年兒童的呼吸狀況。系統(tǒng)包括了兩種微型高性能指標傳感器（濕度傳感器和氣流傳感器）和MCS51單片機。系統(tǒng)能夠檢測到濕度，并將濕度值顯示出來，也能檢測到嬰兒的呼吸率，并帶有為用戶設(shè)置的報警裝置。關(guān)鍵字：氣流傳感器,濕度傳感器,新生,呼吸狀況的檢測1.緒論由于新生嬰兒的呼吸缺乏穩(wěn)定性、可靠性，并且對應(yīng)用的傳感器有微型性的要求，使得檢測新生嬰幼兒呼吸狀況總是具有很大的困難和挑戰(zhàn)。最新設(shè)計的呼吸檢測系統(tǒng)應(yīng)用了一些高性能的微型傳感器（濕度傳感器和氣流傳感器）和單處機處理器。在本文中我們描述了這些傳感器、接口電路和處理器。新生嬰幼兒呼吸狀況的檢測系統(tǒng)將給醫(yī)生和護士提供一些必要的診斷和冶療信息。濕度傳感器和氣流傳感器已經(jīng)在美國辛辛那提大學(xué)的微電子傳感器和微機構(gòu)研究中心設(shè)計并構(gòu)建出來了。這些傳感器可以達到非常小的體積，非常適合于直接插進檢測呼吸中的器官切開技術(shù)試管中，此項研究的先進性在于它采用了更簡單、便宜并具有智能化的設(shè)備。也為檢測嬰幼兒呼吸狀況開啟了新的研究方法。因此進一步改善了兒科醫(yī)學(xué)的診斷程序。2.對傳感器的描述我們選擇了Schubert和Nevin的聚酰亞胺容性濕度傳感器來進行濕度檢測。對應(yīng)不同的濕度，這種傳感器的電容量是不同的。這種傳感器的初始直徑約為1.82.2mm。這種傳感器由一片硅片構(gòu)成。它的工作原理在吸附水上的聚酰亞胺薄膜電容的電介質(zhì)常數(shù)的變化，如圖1所示。我們可以看到，電極是一些同心圓（它有15m寬度的線條和10m的間距）,這些同心圓是暴露在空氣中的，并和一個大的聯(lián)合襯墊構(gòu)成通路，底部的電極是一個平坦的金屬薄膜，這種特殊的結(jié)構(gòu)能夠快速的吸收水并蒸發(fā)薄膜上的大部分水蒸氣，適合于吸收傳感器表面的每個區(qū)域的水。給出2Looyenga的半理想混合介質(zhì)常數(shù)公式：33/113/122v這里1和2分別是聚酰亞胺和水的介質(zhì)常數(shù)，V2是部分水的介質(zhì)常數(shù)。計算機仿真后，（考慮到幾何結(jié)構(gòu)，給1和2分別賦值，1=2.9、2=80并參照合適的理想常數(shù)）這種設(shè)備對于不同的溫度電容表達式CH=(0.278X1.275+3.533)3這里X為相對濕度。在圖2中畫出了它的立體曲線。圖上的點是測量的數(shù)據(jù)點，可以看出實驗數(shù)據(jù)和理想曲線是相一致的。位于相對濕度為100%處的三個點說明濃縮水的聚酰亞胺的影響已達到了飽和。幸運的是，一個嬰兒呼吸的空氣濕度的范圍為70%到95%。這種設(shè)備具有良好的濕度穩(wěn)定性。Sacher和Susho曾報道過各種聚酰亞胺對呼吸水的濃縮是獨立于溫度和厚度的。Schubert和Nevin已經(jīng)發(fā)現(xiàn)聚酰亞胺的介質(zhì)常數(shù)在50180的溫度范圍內(nèi)是不依賴于溫度的。傳感器的響應(yīng)時間在30s以內(nèi)（吸收水份的時間約為6S，蒸發(fā)水份的時間比較長）?？紤]到所吸收空氣水分的范圍非常小，響應(yīng)時間的影響是可以忽略不計的。用到的另一種設(shè)備是微型單臂橋氣流傳感器如圖3所示。它基本上是單片硅片上的集成導(dǎo)線微型機構(gòu)。它的活躍元素被提供的電壓（或當(dāng)前的電源）加熱到超過周圍溫度。這種橋電路是對稱的。在原理上，對周圍的任何溫度余數(shù)值應(yīng)是平衡的，然而，橋周圍的氣流對橋臂進行冷卻，這些臂和氣流是正交的。這時，把橋設(shè)置成不恒定，并對應(yīng)于氣流的流速給出一個輸出電壓。為了當(dāng)橋臂被流過的液氖流冷卻時，增加電阻的變化率，應(yīng)用了一種高度混合物，代替了普通的半導(dǎo)體中的輕度混合物。我們知道，對于普通的輕度混合物，主要影響電阻溫度常數(shù)的因素是載波遷移率。古典上它主要按著溫度的3/2次幕指數(shù)進行變化，橋臂電阻R可以表示為RCT3/2。這里C是比例常數(shù)。顯然，電阻的濕度系數(shù)非常小，因此對氣流的敏感度也小，對電阻濕度小的問題的解決是用高度混合物。這里高度混合物不包含離子化的指數(shù)模式進行變化。（就像輕度混合物在液氖溫度中一樣）于是，我們得到：R=BT-3/2EXP(-E/KT)。這里B是比例常數(shù)，E是輕度混合物的特征活躍能量，K是Boltzmann常數(shù)。在公式當(dāng)中，T3/2項和指數(shù)項比較起來，是可以忽略不計的。這樣就可以提高100000%濕度敏感度。磷金合金常常被用作高度混合物。熱量短暫問題是通過把具有金涂料的電阻加以相互獨立和用化學(xué)的方法在橋臂周圍蝕刻各向異性的硅材料來解決的。為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，通過在晶片的背面蝕刻各向3異性的薄膜來減少橋材料。最后，氣流傳感器的響應(yīng)時間可以降到微秒級范圍內(nèi)。圖4畫出了一個橋臂（蝕刻0.25mm厚的硅晶片）在不同驅(qū)動電源下的響應(yīng)。它的靈敏度和線性度都是非常好的，適合于對嬰兒的呼吸檢測。3.對檢測系統(tǒng)的描述上面描述的兩種傳感器由于它們獨特的特性：體積小、溫度穩(wěn)定性高和容易保持，很適合應(yīng)用于嬰兒的呼吸檢測系統(tǒng)。為了檢測呼吸氣體的濕度，把濕度傳感器放在一個振蕩器中（用的是555定時器）輸出頻率相對于傳感器的相對濕度。校驗了的濕度計具有3%的精確度，這很好的達到了我們的目的。氣流傳感器被濾波電路和整形電路進行處理（為了消除不寬于1ms的脈沖寬度的偏移）。被處理了的信號是和輸入相對應(yīng)的。單片機能夠記錄呼吸的濕度和呼吸率。當(dāng)呼吸超過允許的范圍時，它可以報警。這樣，就可以讓醫(yī)生和護士們知道嬰兒實際的呼吸狀況（太快或太慢，太干或太濕，危險趨勢和另外一些緊急狀況）通過詢問兒科醫(yī)師，一系列危急參數(shù)已被公式化出來，并且存儲于中央處理器中。這數(shù)參數(shù)包括正常的呼吸率，對沒有呼吸、太快、太慢的呼吸進行報警，還有濕度范圍。這些系統(tǒng)也適用于給其它的狀況進行報警，報警點可以人為設(shè)置來滿足個人需要和醫(yī)師們的喜好。圖5畫出了檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。主要的設(shè)備是一片MCS51單片機。它可以進行數(shù)據(jù)采集，危急值設(shè)定、比較、報警和顯示。一個彩色的陰極發(fā)射線試管檢測器用于以形象的圖表形式實時顯示實際的濕度變化和呼吸率相關(guān)數(shù)據(jù)和危急報警顯示如：太快、太慢、太濕、太干、從慢到快和從快到慢。所有不同的危急信號都伴有不同的報警聲音。嬰兒正常的呼吸率約為每分鐘44次。4.結(jié)論我們已經(jīng)介紹了一種價格便宜、體積微小且具有智能化的系統(tǒng)。醫(yī)生和護士可以把它當(dāng)成診斷病情的顧問。系統(tǒng)用到了兩種傳感器。一個聚酰亞胺基傳感器和一個氣流傳感器。系統(tǒng)多項功能如：呼吸率、濕度值顯示、越限報警顯示、危急趨勢報警顯示等都基本上滿足了診斷新生嬰兒的要求。尤其為用用戶設(shè)計的個人手動設(shè)置報警功能對醫(yī)學(xué)實踐是非常有用的。致謝作者感謝H.T.Henderson和J.H.Nevin教授在作者設(shè)計此系統(tǒng)和準備階4段所給予的幫助和鼓勵。溫度測量1.概論溫度可能是最廣泛應(yīng)用的物理量。Galile因1595年發(fā)明了第一個溫度計而給予很高的榮譽。好多年過去了，技術(shù)得到了提高。現(xiàn)在市場上有很多高精度和高可靠性的溫度計。新的測量原理出現(xiàn)了，現(xiàn)在的原理也在得到不斷的提高。這部分，給出了一些選擇合適溫度測量設(shè)備的基本知識。然而，選擇儀器對使用者的經(jīng)驗進行考慮是必要的。在過程應(yīng)用中，典型的溫度測量系統(tǒng)包含了熱電偶套管，測量物體，一些補償線和一個溫度變送器（當(dāng)?shù)鼗蜻h程）。溫度測量物通常有一個彈簧機構(gòu)，以確保測量物體的尖部和筒的內(nèi)底得到確切的連接。2.安裝好了的系統(tǒng)一個安裝好了的系統(tǒng)包含了一些金屬物體。有：一個球狀物，小直徑試管（被認為是毛細的）和一個Bourdon彈簧。一個指示器連接在Bourdon試管上用于指示溫度，它常常用風(fēng)箱和薄膜來代替。此系統(tǒng)填充了液體或氣體。隨著球狀物測得的溫度的升高或降低，這些氣體或液體會膨脹或收縮，這種膨脹或收縮轉(zhuǎn)變成了機械移動，液體引起了體積改變，氣體引起了壓力改變。應(yīng)用這種類型的溫度測量常用于當(dāng)?shù)販囟戎甘?。多年過去了，它的應(yīng)用已降低了，但現(xiàn)在仍舊有些應(yīng)用。這種設(shè)備是充液管式溫度計改善來的。不需要給它提供能量。簡單，堅固，是自封裝的。并且在很窄的溫度范圍內(nèi)是準確的。但是球體太大了，以至于不能適合現(xiàn)在的應(yīng)用。一旦小球不能工作后，整個系統(tǒng)必須重新改換（這是昂貴的）。而且毛細試管被限制在250共英尺內(nèi)（80米），此系統(tǒng)整體來說響應(yīng)慢，