生物醫(yī)學(xué)傳感器

生物醫(yī)學(xué)傳感器

原理及應(yīng)用

2021/10/101課程教材：彭承琳等編，《生物醫(yī)學(xué)傳感器—原理與應(yīng)用》（第二版），重慶大學(xué)出版社，2011年版參考教材：彭承琳主編，《生物醫(yī)學(xué)傳感器原理及應(yīng)用》，高等教育出版社，2000年楊玉星，《生物醫(yī)學(xué)傳感器與檢測技術(shù)》，化學(xué)工業(yè)出版社，20052021/10/102第一章緒論1.傳感器（Transducer/Sensor）的定義我國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB7765-87中)傳感器的定義是：“能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置”。包含了以下幾方面的意思：①傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；②它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等。③它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電物理量，但主要是電學(xué)物理量；④輸出輸入有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精度程度。2021/10/103傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成，組成框圖如圖所示：敏感元件：是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量。基本轉(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。傳感器只完成被測參數(shù)至電量的基本轉(zhuǎn)換2021/10/104傳感器的組成一種氣體壓力傳感器的示意圖。膜盒2的下半部分與殼體1固接，上半部分通過連桿與磁芯4相連，磁芯4置于兩個電感線圈3中，后者接入轉(zhuǎn)換電路5。膜盒就是敏感元件，其外部與大氣壓力相通，內(nèi)部感受被測壓力。當(dāng)變化時，引起膜盒上半部分移動，即輸出相應(yīng)的位移量。

轉(zhuǎn)換元件是可變電感線圈3，它把輸入的位移量轉(zhuǎn)換成電感的變化。2021/10/105

實際上，有些傳感器很簡單，有些則較復(fù)雜，大多數(shù)是開環(huán)系統(tǒng)，也有些是反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。最簡單的傳感器由一個敏感元件（兼轉(zhuǎn)換元件）組成，它感受被測量時直接輸出電量，如熱電偶就是這樣。如圖所示，兩種不同的金屬材料A和B，一端連接在一起，放在被測溫度T中，另一端為參考，溫度為T0，則在回路中將產(chǎn)生一個與溫度T、T0有關(guān)的電動勢，從而進(jìn)行溫度測量。2021/10/1062021/10/107傳感器的組成有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。如圖所示的壓電式加速度傳感器，其中質(zhì)量塊m是敏感元件，壓電片是轉(zhuǎn)換元件。因轉(zhuǎn)換元件的輸出已是電量，故無需轉(zhuǎn)換電路。敏感元件與轉(zhuǎn)換元件在結(jié)構(gòu)上常是裝在一起的，由于空間的限制或者其他原因，轉(zhuǎn)換電路常裝入電箱中。盡管如此，因為不少傳感器要在通過轉(zhuǎn)換電路后才能輸出電信號，從而決定了轉(zhuǎn)換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。2021/10/108MEMS技術(shù)從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處理和控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)以及電源于一體的微型機電系統(tǒng)MEMS技術(shù)是一種多學(xué)科交叉的前沿性領(lǐng)域，它幾乎涉及到自然及工程科學(xué)的所有領(lǐng)域，如電子、機械、光學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等Micro-Electro-MechanicalSystems（USA）Micro-Machine(JAPAN)Micro-Systems(EUROPE)2021/10/109加速度傳感器正文2021/10/1010電梳驅(qū)動原理2021/10/1011微觀結(jié)構(gòu)正文2021/10/1012動作模擬演示2021/10/10132.傳感器的作用

人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動中它們的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。為適應(yīng)這種請況，就需要傳感器。傳感器是人類五官的延長，是代替人體五種感覺器官（視、聽、觸、嗅、味）的裝置。

在信息時代，首先要解決的就是獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。傳感器技術(shù)是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器及計算機應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。2021/10/10142.傳感器的作用在醫(yī)學(xué)上，生物醫(yī)學(xué)傳感器的主要用途有:(1)提供生物醫(yī)學(xué)檢測的信息

(2)提供連續(xù)監(jiān)護(hù)的信息

(3)提供人體疾病治療和控制的信息

2021/10/10152.傳感器的作用(1)提供生物醫(yī)學(xué)檢測的信息:

如心音、血壓、脈搏、血流、呼吸、體溫等信息、供臨床診斷和醫(yī)學(xué)研究用。除直接從人體收集信息外,臨床上常從各種體液(血、尿、唾液等)樣品獲得診斷信息。這類信息是利用化學(xué)傳感器和生物傳感器來獲取生化檢驗信息,是診斷各種疾病必不可少的依據(jù)。2021/10/10162.傳感器的作用(2)提供連續(xù)監(jiān)護(hù)的信息:

長時間連續(xù)測定某些參量,監(jiān)視這些參量是否處于規(guī)定的范圍內(nèi),以便了解病人的恢復(fù)過程,出現(xiàn)異常時及時報警。

如心臟手術(shù)后的病人需監(jiān)視其體溫、脈搏、動脈壓、靜脈壓、呼吸和心電等一系列參數(shù)的變化情況2021/10/10172.傳感器的作用(3)提供人體疾病治療和控制的信息：利用檢測到的生理參數(shù)控制人體的生理過程。例如自動呼吸機用傳感器檢測病人的呼吸信號來控制呼吸機的動作，使之與人體呼吸同步；電子假肢用測得的肌電信號，控制人工肢體的運動;人工肝、人工腎（血液透析）體外循環(huán)中的血流、血壓控制等。2021/10/1018生物醫(yī)學(xué)測量上的各種參量位移

血管內(nèi)、外徑,主動脈、腔靜脈尺寸,左心室尺寸,肢體容積變化,胸廓變化,心臟收縮變化，骨胳肌收縮變化,胃收縮,腸蠕動速度血流速度,排尿速度,分泌速度,發(fā)汗速度,流淚速度,呼吸氣流速振動（加速度）心音,呼吸音,血管音,脈搏,心尖搏動,心瓣膜振動,手顫,頸動脈搏動,脈象,語音壓力血壓,眼壓,心內(nèi)壓,顱內(nèi)壓,胃內(nèi)壓,食道壓,膀胱壓,子宮內(nèi)壓力心肌力,肌肉力,咬合力,骨胳負(fù)載力,血液粘滯力,手握力2021/10/1019生物醫(yī)學(xué)測量上的各種參量流量血流量,呼吸流量,尿流量,心輸出量溫度口腔溫,直腸溫,皮膚溫,體核溫,心內(nèi)溫,腫物溫,中耳膜內(nèi)溫,臟器溫,血液溫生物電心電,腦電,肌電,眼電,胃電,神經(jīng)電,腦干電,皮膚電化學(xué)成分K,Na,Cl，Ca,O2

，CO2,H,Li生物物質(zhì)乳酸,血糖,蛋白質(zhì),膽固醇,酶，抗原,抗體,受體,激素,神經(jīng)遞質(zhì),DNA,RNA2021/10/10203.生物醫(yī)學(xué)傳感器的分類

生物醫(yī)學(xué)傳感器的分類方法有很多種（1）按被測量分為三大類：

1)物理傳感器；2)化學(xué)傳感器；3)生物傳感器

1）物理傳感器：用于測量血壓、體溫、血流量、血粘度、生物組織對輻射的吸收、反射或散射以及生物磁場等。這些被測量都屬于物理量，設(shè)計傳感器時多利用這些非電量的物理效應(yīng)。2021/10/10213.生物醫(yī)學(xué)傳感器的分類

2）化學(xué)傳感器：

化學(xué)傳感器是把人體內(nèi)某些化學(xué)成分、濃度等轉(zhuǎn)換成與之有確切關(guān)系的電學(xué)量的器件。

用于測量人體體液中離子的成分或濃度（如Ca+、K+、Na+、…）、pH值、氧分壓（po2）及葡萄糖濃度等。這些被測量都屬于化學(xué)量，不過這些被測物質(zhì)的分子量一般都不太大，利用電化學(xué)原理或物理效應(yīng)可以制成化學(xué)傳感器。利用各種化學(xué)傳感器測量人體中的某些化學(xué)成分,如用離子選擇性電極測量納、氯、鈣等離子;利用氣敏電極測定氧分壓和二氧化碳分壓。2021/10/10223.生物醫(yī)學(xué)傳感器的分類

生物電位（如心電、腦電、眼電、肌電等）本來屬于物理量，但由于測量生物電位時不可避免地使用電極，電極和皮膚或軟組織之間的界面是一個半電池。電極是電化學(xué)研究的對象，如把測量生物電位的電極也看作是一種傳感器，則應(yīng)將其列入化學(xué)傳感器。2021/10/1023一次性心電電極通用型一體五導(dǎo)聯(lián)線吸球心電電極2021/10/1024ECG-2203B心電圖機多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀2021/10/10252021/10/10263.生物醫(yī)學(xué)傳感器的分類

3)生物傳感器：用于酶、抗原、抗體、激素、脫氧核糖核酸（DNA）等物質(zhì)的傳感。這類物質(zhì)也屬于化學(xué)物質(zhì)，但它們的分子量較大，分子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般的化學(xué)傳感器很難對它們進(jìn)行識別。生物傳感器的敏感部分具有生物識別功能，有很強的特異性和高度的敏感性，能有選擇地與被測物質(zhì)起作用。

生物傳感器是具有生物識別能力的化學(xué)傳感器。2021/10/1027生物傳感器生理參數(shù)利用生物活性物質(zhì)選擇性識別來測定生化物質(zhì)利用材料的物理變化物理傳感器非電學(xué)量參數(shù)機體的各種生物電（心電、腦電、肌電、神經(jīng)元放電等）生物電電極電學(xué)量參數(shù)利用化學(xué)反應(yīng)原理，把化學(xué)成分、濃度轉(zhuǎn)換成電信號化學(xué)傳感器2021/10/10283.生物醫(yī)學(xué)傳感器的分類

（2）按工作原理分類：電阻式傳感器、

電感式傳感器、

電容式傳感器、

壓電式傳感器、

光電式傳感器、光導(dǎo)纖維式傳感器、紅外傳感器、

熱電式傳感器、

超聲波式傳感器、

半導(dǎo)體式傳感器、

聲表面波傳感器、

超導(dǎo)傳感器等。

2021/10/10293.生物醫(yī)學(xué)傳感器的分類

（3）按被測對象分類：血壓傳感器、血氧傳感器、溫度傳感器、心音傳感器、

脈搏波傳感器、呼吸傳感器、

葡萄糖傳感器、基因傳感器等。2021/10/1030血氧飽和度指夾儀.血氧飽和度探頭紅外脈搏傳感器壓電式脈搏傳感器2021/10/1031BP300T壓力傳感器腕式電子血壓計上臂式電子血壓計新型上臂式電子血壓計2021/10/1032溫度傳感器模塊DS18B20SHT11／15溫濕度智能傳感器2021/10/1033OTP-538紅外測溫傳感器SDT-718熱釋電紅外模塊紅外測溫儀2021/10/1034醫(yī)用傳感器應(yīng)具有以下特性:1．較高的靈敏度和信噪比,以保證能檢測出微小的有用信息。

2．良好的線性和快速響應(yīng),以保證信號變換后不失真并能使輸出信號及時跟隨輸入信號的變化。

3．良好的穩(wěn)定性和互換性,以保證輸出信號受環(huán)境影響小而保持穩(wěn)定。同類型傳感器的性能要基本相同,在互相調(diào)換時不影響測量數(shù)據(jù)。2021/10/1035除具有上述特性外，還必須考慮到生物體的解剖結(jié)構(gòu)和生理功能，尤其是安全性和可靠性更應(yīng)特別重視。傳感器必須與生物體內(nèi)的化學(xué)成分相容，既不被腐蝕也不給生物體帶來毒性；傳感器的形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)應(yīng)和被檢測部位的結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，使用時不應(yīng)損傷組織，不給正常生理活動帶來干擾；傳感器有更嚴(yán)格安全要求和其它生物方面的要求。2021/10/10364.開發(fā)新型傳感器的途徑1）采用新原理

利用新的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)可研制出新一代傳感器。例如利用約瑟夫遜效應(yīng)開發(fā)的磁場傳感器可以檢測極微弱的磁場，使超高靈敏度的測量成為現(xiàn)實，可用于超低溫中的磁導(dǎo)率測量、生物體磁場的測量等方面。光纖傳感器、聲表面波傳感器、DNA傳感器等已取得很大進(jìn)展。2021/10/1037約瑟夫遜效應(yīng)（超導(dǎo)隧道效應(yīng)）：1962年，劍橋大學(xué)研究生約瑟夫遜分析了由極薄絕緣層（厚度約為百萬分之一毫米）隔開的兩個超導(dǎo)體斷面處發(fā)生的現(xiàn)象，超導(dǎo)—絕緣—超導(dǎo)(SIS)結(jié)，稱為約瑟夫遜結(jié)。通過調(diào)節(jié)兩塊超導(dǎo)體間的絕緣層的厚薄，可以使其電壓比某一特定值大時才有電流通過，小時則沒有電流通過。

2021/10/1038約瑟夫遜效應(yīng)（超導(dǎo)隧道效應(yīng)）：約瑟夫遜預(yù)言，超導(dǎo)電流可以穿過絕緣層，在薄絕緣層隔開的兩種超導(dǎo)材料之間有電流通過，即“電子對”能穿過薄絕緣層（隧道效應(yīng)）；同時還產(chǎn)生一些特殊的現(xiàn)象：只要超導(dǎo)電流不超過某一臨界值，則電流穿過絕緣層時將不產(chǎn)生電壓，即電流通過薄絕緣層無需加電壓。這些預(yù)言被美國貝爾實驗室用試驗證實，而這一超導(dǎo)物理現(xiàn)象則被稱為“約瑟夫遜效應(yīng)”。約瑟夫遜效應(yīng)是超導(dǎo)體的電子學(xué)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。

2021/10/1039SQUID傳感器(超傳導(dǎo)量子干涉器件)腦磁圖測量系統(tǒng)的核心部件是SQUID傳感器地球的磁場為約0.3×10-4T（特拉斯）腦生物磁場50～1000fT(1fT=10－15T）SQUID傳感器可檢測到地球磁場十億分之一的變化量。2021/10/1040SQUID傳感器(超傳導(dǎo)量子干涉器件)最新式的腦磁圖測量系統(tǒng)可提供多達(dá)275個傳感器，其中的關(guān)鍵技術(shù)是SQUID；SQUID傳感器是由超導(dǎo)材料鈮金屬，使用約瑟夫遜隧道效應(yīng)的技術(shù)制作而成。SQUID傳感器均勻的分布在底部為頭盔型的液氦杜瓦容器內(nèi)，工作在零下－269℃的超低溫液態(tài)氦中，其工作溫度接近于絕對零度，即零下273.16℃。

2021/10/1041腦磁圖傳感器矩陣列腦磁圖傳感器均勻緊密地分布在大致成六角形的頭盔內(nèi)表面。頭盔和液氦杜瓦容器做成一體。傳感器矩陣列從64個至275個可供選擇。浸泡在液態(tài)氦中的測量線圈離液氦杜瓦容器頭盔外表面的間距小于17毫米。2021/10/1042SQUID（超傳導(dǎo)量子干涉器件）

SQUID是基于鈮金屬合金超導(dǎo)材料，使用約瑟夫隧道連接技術(shù)制作而成的。每塊晶片上制作80個SQUID電路，且一次同時加工十塊晶片，在技術(shù)上保證了制作成的SQUID具有高度的均勻一致性，也就保證了所有信道的特性相同。圖中顯示了一個SQUID傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的電子顯微鏡放大圖。2021/10/1043液氦杜瓦容器頭盔形的液氦杜瓦容器是優(yōu)化低溫系統(tǒng)的一部分，并留有放置腦電圖電極的空間。為了抗無線電波的干擾，液氦杜瓦真空容器內(nèi)還安裝了抗電磁波干擾的屏蔽層。在杜瓦真空容器內(nèi)還涂有一層低溫吸著材料以維持其真空度。

2021/10/1044磁場屏蔽室一般由兩層

m金屬板和一層鋁板構(gòu)成，可同時屏蔽低頻和高頻的噪聲干擾，重約７噸。m金屬層是具有很高磁導(dǎo)率的合金，主要用來屏蔽來自室外的低頻噪聲(<10Hz)。鋁板層主要用渦電流來屏蔽來自室外的高頻電磁噪聲(>10Hz)。磁場屏蔽室之所以能有屏蔽效能，是因為電磁波穿過電磁屏蔽體時會產(chǎn)生吸收損耗和反射損耗。2021/10/1045MEG信號的發(fā)生原理

腦磁圖是研究腦磁場信號的腦功能圖象技術(shù)。一組緊密排列的腦神經(jīng)元細(xì)胞產(chǎn)生的生物電流可看作為一個信號源。由這一電流源產(chǎn)生的生物磁場可穿透腦組織以及顱骨到達(dá)頭部之外，可用一組探測器陣列來測量分布在頭皮表面上的這種磁場以確定腦內(nèi)信號源的精確位置和強度。由腦磁圖探測到的大腦活動部位可以是由外界激發(fā)產(chǎn)生的結(jié)果，比如視覺刺激，或者是自發(fā)性產(chǎn)生的結(jié)果，比如癲癇活動。把握這些活動部位的精確位置對于各種臨床診斷，腦外科手術(shù)前的手術(shù)計劃制定，以及腦的基礎(chǔ)研究都具有十分重要的意義。2021/10/1046MEG/EEG信號的發(fā)生原理

腦磁圖主要用于正切磁場的測量，而腦電圖則用于徑向磁場的測量。腦磁圖是測量細(xì)胞內(nèi)的電流，而腦電圖則是測量細(xì)胞外的電流。腦磁圖為腦功能圖像化提供了最為精確的測量系統(tǒng)。2021/10/1047腦電圖信號的失真1）由于頭部各組織的導(dǎo)電率各不相同的效應(yīng)，使得腦電圖信號在到達(dá)頭皮表面時會產(chǎn)生失真，從而使得信號源的精確定位很困難或根本不可能。2）而腦磁場信號和各種腦組織的導(dǎo)電率無關(guān)，因此腦磁圖信號在穿透頭皮后不會產(chǎn)生任何失真。腦磁圖可用于腦內(nèi)信號源的精確定位，而且事先沒有必要知道頭皮，顱骨和腦組織的精確的導(dǎo)電率值。

2021/10/1048MEG信號檢測

對正常人聽覺刺激的數(shù)據(jù)分析：上圖顯示了均勻分布在整個頭部的143個腦磁圖傳感器所測到的腦磁場變化曲線。所示曲線為100次數(shù)據(jù)采樣的平均值，所示時間范圍約600毫秒。下圖顯示了在同一時間坐標(biāo)軸上所有信道的腦磁場變化曲線的重迭。從此例可以清楚地看出，磁場強度的最大值（100毫微特斯拉）發(fā)生在聽到刺激聲音之后的97毫秒，用紅線表示。

2021/10/10494.開發(fā)新型傳感器的途徑

2）采用新材料由于材料科學(xué)的巨大進(jìn)步，新的功能材料的開發(fā)將導(dǎo)致新型傳感器的出現(xiàn)。半導(dǎo)體材料研究的進(jìn)步，促進(jìn)了半導(dǎo)體傳感器的迅速發(fā)展；壓電半導(dǎo)體材料為壓電傳感器集成化提供了方便；高分子壓電薄膜的研制成功，將使機器人的觸覺系統(tǒng)更接近人的觸覺系統(tǒng)——皮膚。2021/10/10504.開發(fā)新型傳感器的途徑精細(xì)陶瓷、形狀記憶合金等是很有希望的傳感器材料，尤其是記憶合金，當(dāng)它復(fù)原時會產(chǎn)生相當(dāng)大的力，可作力敏感元件和執(zhí)行元件的結(jié)合體。在功能材料方面，把酶或活體組織的一部分作為敏感元件，它對特定的化學(xué)物質(zhì)具有高度的選擇性。不僅可測量各種分于量和結(jié)構(gòu)的化學(xué)物質(zhì)，而且有可能測量食品的新鮮度。隨著材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，適用于敏感元件的材料會大量增加，新型傳感器將不斷地出現(xiàn)。2021/10/10514.開發(fā)新型傳感器的途徑

3）采用新的加工技術(shù)與工藝采用新的加工技術(shù)可以制造出新型傳感器，如采用光刻、擴散等方法，可以制造出微型化和集成化傳感器，現(xiàn)在已經(jīng)制造出能裝在注射針上的壓力傳感器和成分傳感器。

MEMS技術(shù)，采用半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)在同一個芯片上同時制造幾個傳感器或傳感器陣列，而且這些傳感器輸出信號的放大、運算等處理電路也集成在這個芯片上，從而可構(gòu)成多功能傳感器、分布式傳感器。2021/10/1052MEMS制造工藝1.體微加工技術(shù)（蝕刻：干法蝕刻和濕法蝕刻）2.表面微加工技術(shù)（光刻）3.鍵合(bonding)技術(shù)（硅熔融鍵合和靜電鍵合）4.LIGA技術(shù)（Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(電鑄)Abformung(塑鑄)）2021/10/1053體加工技術(shù)BareSiliconWaferDepositSacrificialFilm(servingasamask)Bulk

MicromachiningFabricationCyclePatternSacrificialFilmPatternBulkMaterial(Si)RemoveSacrificialFilm(servingasamask)2021/10/1054表面加工技術(shù)BareSiliconWaferDepositMechanicalFilmPatternMechanicalFilmDepositSacrificialFilmPatternSacrificialFilmDepositMechanicalFilmPatternMechanicalFilmReleaseStructureSurfaceMicromachiningFabricationCycle2021/10/1055體加工&表面加工SurfaceMicromachiningBulkMicromachiningTrenchBridgeCantileversWaferSurfaceCavityNozzleMembrane2021/10/1056體加工&表面加工膜越厚，腐蝕次數(shù)越少。去除下層材料，釋放機械結(jié)構(gòu)

采用特殊的檢測和劃片工藝保護(hù)釋放出來的機械結(jié)構(gòu)封裝時暴露部分零件機、電系統(tǒng)全面測試DEPOSITIONOFMATERIALPATTERNTRANSFER