压电薄膜传感器 生命体征.docx

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压电薄膜传感器生命体征

压电薄膜传感器与生命体征监测

——尹思源

一、特点

压电薄膜拥有独一无二的特性，作为一种动态应变传感器，非常适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。

一些薄膜元件灵敏到足以隔着外套探测出人体脉搏。

本文将着重介绍几种压电薄膜在生命特征监护方面的典型应用。

当你拉伸或弯曲一片压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜（压电薄膜），薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号（电荷或电压），并且同拉伸或弯曲的形变成比例。

一般的压电材料都对压力敏感，但对于压电薄膜来说，在纵向施加一个很小的力时，横向上会产生很大的应力，而如果对薄膜大面积施加同样的力时，产生的应力会小很多。

因此，压电薄膜对动态应力非常敏感，28μm厚的PVDF的灵敏度典型值为10~15mV/微应变（长度的百万分率变化）。

 如图：

压电薄膜很薄，质轻，非常柔软，可以无源工作，因此可以广泛应用于医用传感器，尤其是需要探测细微的信号时。

显然，该材料的特点在供电受限的情况下尤为突出（在某些结构中，甚至还可以产生少量的能量）。

而且压电薄膜极其耐用，可以经受数百万次的弯曲和振动。

二、应用

1.接触式传感器

利用压电薄膜的动态应变片特性，可以轻松的将压电薄膜直接固定在人体皮肤上（例如手腕内侧）。

精量电子—美国MEAS传感器的产品型号是一款通用传感器，传感器的一侧涂有压力敏感胶。

但这款胶未经生物兼容性认证，在短期试验中可以将3M9842（聚亚安酯胶带）固定在皮肤上，再将压电薄膜传感器粘贴在3M胶带上。

图2显示出重复握紧和松开物体时压电薄膜传感器的反应，输出振幅为3V左右（开路），或大约250με的动态应力。

压电薄膜之所以既能探测非常微小的物理信号又能感受到大幅度的活动，是因为PVDF膜的压电响应在相当大的动态范围内都是线性的（大约14个数量级）。

多数情况下，只要能明显区分目标信号和噪声的带宽，细小的目标信号都可以通过过滤器采集到。

类似的传感器已在睡眠紊乱研究中用于探测胸部、腿部、眼部肌肉和皮肤的运动。

另外，传感器可以通过探测肌肉（例如拇指和食指之间的肌肉）对电击的反应作为检验麻醉效果的指示器（神经肌肉传导）。

2. 加速度传感器 

 Minisense100是精量电子的一款标准产品，采用悬臂梁设计，一端用硬性PCB板夹紧并带有连接引脚，另一端装有质量块。

 质量块使传感器在受到振动时连贯反应。

质量块保持不动，而薄膜部分发生形变，从而产生非常高的电压灵敏度（大约1V/g）。

由这个元件派生出其他生命特征传感器，例如工作人员或病患佩戴的智能胸卡（内置RF遥感设备）。

通过阶段性采集佩戴者的信号来确定其位置和跟踪其状态。

传感器感测到胸卡被摘下时会将胸卡设置成睡眠状态；如果传感器感受到身体任何部位的运动，肌肉的震颤，甚至是脉搏的振动，会唤醒胸卡。

将传感器用一条轻薄而有弹性的绑带固定在胸部，可以“听”到心音的细节。

如果传感器电气接口频率非常低，同时还可以监控呼吸的情况（见图3）。

这个波形图显示呼吸引起的胸腔运动，大约4秒钟一个信号周期；同时也显示出心跳的信号，大概每秒一次（60bpm）。

将滤波器设置为1Hz~10Hz滤除图3波形中的呼吸信号和噪声，可以获得心跳的实时信号（见图4）。

3.听诊器 

很多电子听诊器都采用了压电薄膜作为传感器元件，因为它耐用，灵敏度高，带宽范围宽。

在该应用中，传感器元件通常都封装在传统的金属听诊头中，因为传感器需要与身体形成“作用力”。

一旦动态的压力信号转换成电信号，就可以有选择性的过滤或放大、作为音频信号回放、运用更复杂的运算方法判断出具体的状况、或传输到远程基站进行进一步 分析存储等。

4. 传感器组 

一个复合声传感器可以同时监控多个点。

DeepBreeze公司用一个有差不多100个传感器的传感器组采集病人吸气和呼气的声音信息。

用真空罩将传感器贴在皮肤表面。

采集到的信号在加工处理后转换成声音的“图像”，因而气管和肺里的气流可以像动画片一样成像。

任何异物和不正常现象在这些图像中都一目了然。

这种方式比X光可靠，而且安全。

5.病床监护 

压电薄膜和压电电缆都可以安装在床垫上探测病人的心跳、呼吸和身体运动。

HoanaMedicalInc.的监护床报警系统在床垫和被单之间安装了一组传感器。

病人坐或躺在监护床上时，传感器可以隔着衣服和被单准确测量收集患者的生命特征信息。

柔性开关用于采集静态信号，病患所有的动态信号都由压电薄膜采集并转换成相应的电信号，在病床边上的显示器显示。

病人的心率和呼吸速率不正常，或病人擅自下床时，系统可以提前报警。

这一切都由传感器完成，而无需与病人直接接触。

6.呼吸热电监测 

PVDF对温度的动态变化也相当敏感（28μm厚压电薄膜的典型值是8V/oC）。

英国C-Lect医疗公司开发了一款监控器，用来监测呼吸速率。

用面罩将一小块压电薄膜元件固定在口鼻处，吸进和呼出气体的温度变化产生强劲的电信号。

即使吸入的是加热过的氧气/空气，测量结果仍然十分准确。

PIPPA监控器由电池供电，LCD显示每分钟的呼吸次数。

用压电薄膜制造的嘴唇接触式传感器运用了相同的原理，探测通过嘴或鼻子的气流。

相对于热敏电阻来说，压电薄膜灵敏度高，响应速度快，柔软，并且探测面积大。

三、压电薄膜传感器在心脏监测中的具体实现

压电薄膜传感器的设计主要考虑了传感器的灵敏度和信噪比，根据测量信号的频率和响应幅度，我们设计薄膜传感器的结构有如同图1所示的几种。

在采集人体心音的信号时，由于心音的频响范围较宽，同时其输出的物理信号值也很微弱，采用硬质衬底和中空的设计。

这样可以提高传感器中薄膜在收到心音信号时的形变量，从而提高信号强度。

这样结构设计的缺点是结构不牢固，使用时间长了需要校正。

PVDF压电薄膜的压电常数一般为D33=15×10-12C/N，g值比较高，但是具有很高的内阻抗，一般高达1012Ω，制作出的传感器的输出阻抗较大，不利于后面的信号采集和放大。

为防止信号的衰减，我们采用高输出阻抗的场效应管作为阻抗变换器，即为测量系统的前置电路。

我们利用结型场效应管的高输入阻抗的特点，根据其静态工作点设计阻抗变换器，如图2（a）所示，传感器获得的人体信号经过阻抗变换器后，得到可靠的低阻抗的输出信号。

其输出阻抗如图2（b）图所示。

可以看出，在信号频率变化的情况下，传感器的输出阻抗保基本保持不变。

1、信号的采集

信号采集部分心音和心电综合检测系统的信号拾取包括心电和心音信号的拾取，鉴于二者的产生机理不同，该部分由心电电极和心音传感器组成。

心电电极我们采用市售的普通一次性心电电极，心音传感器采用我们自己研制PVDF压电薄膜传感器。

通过压电薄膜传感器采集的心音信号强度仅有几个毫伏的数量级，需要对信号进行放大，我们利用一种高共模抑制比、高输入阻抗的运算放大器，利用电路的高度对称性，来控制放大倍数。

心电放大单元包括输入缓冲电路、高共模抑制比高增益差动放大器、低通滤波器、QRS波检测电路等部分。

图3是我们的设计的前两级放大电路的频率响应图谱。

从图中可以看出来，在包括心音和心电信号的很大的一个宽频率范围内，电路能够对信号有效放大，并且其增益基本相同。

有效的减少了由于基线和信号放大不均所造成的误诊和漏诊。

数据采集系统是很多应用领域中不可缺少的部分。

它是实时采集与温度、湿度、压力、流量、速度等有关的连续变化的模拟量信号，通过模/数转换器把这些模拟信号变成数字信号或直接采集代表某些状态特性的开关量，送计算机进行处理。

我们的数据采集系统的硬件结构如图4所示。

图4中，译码器用最高3位进行译码。

它的输出分别作为ROM、RAM、通道地址锁存器、模/数转换器、数/模转换器、8255等片选信号。

系统配置8K字节的EPROM监控程序，实现系统自检、输入/输出驱动;提供扩展8K字节RAM的能力。

8路开关输入量通过光隔离器件后，直接连到P1口的8位。

8路开关输出接口到8255P的B通道。

8模拟输入通道连接到模拟开关，用软件控制切换，分时使用一片模/数转换器。

模拟输出通道采用带输入数据缓冲器的数/模转换芯片。

系统直接使用8031片内的串行输入、输出功能作为全双工的串行输入、输出口。

数据的采样是依据采样定理，采样定理可以描述为：

只要采样频率大于模拟信号中最高频率分量频率的两倍，则模拟信号中所包含的全部信息，也包含在它的采样值中。

 根据这个定理我们可通过模/数转换器，定时（满足采样频率大于模拟信号最高频率）对检测波形进行采样，得到的采样数据（携带有检测波形的全部信息）可保存在存储器中，来实现波形的存储和输出。

我们使用8位逐次逼近式A/D转换器AD0804，采用差动双端模拟输入。

AD0804的WR信号控制三态门，实现数据输出线与系统数据线的连接。

2、信号处理控制

　　信号处理控制器，该控制器由8031单片机完成。

压电传感器获得通道一（心音）数据、心电电极获得通道二（心电）数据后，通过模拟电路先对其放大，后对其模拟信号进行整形，转化为脉冲形式（开关量）。

利用8031单片机中的两个定时器/计数器T0和T1分别工作于定时和计数方式，对心音心电波形整形后的脉冲进行计数，然后通过软件计算脉搏心率每分钟跳动次数，并根据软件分析心电心音数据相关的量。

3、信号的输出

　　信号的输出部分包括接口电路和显示。

接口电路部分采用了可编程输入输出接口片子8255，通过它可直接将CPU总线接向外设。

我们选用8255的能输入/输出方式，完成微型记录盒与PC机数据传送。

为了方便计算机正确地找到该接口电路，赋予8255接口特定的地址，通过口地址译码确定接口电路地址。

译码电路如图5所示。

选择采用数据查询式传送方式向外界传送数据，其优点是当CPU与外部过程不同步时，也可以很好地解决CPU的时序和I/O端口的时序之间的配合问题，从而不同外设的状态信息，可以使用同一端口，而使用不同的位就行。

结果显示部分由液晶显示块显示。

选用点阵式液晶显示块显示心音和心电中心脏跳动次数及记录仪的工作时间、状态等。

前景预测：

利用高分子压电材料聚偏氟乙稀研制成压电薄膜传感器应用于心音心电监测系统，能够准确不失真的采集人体微弱的心音脉搏信号。

该薄膜传感器与心音心电整机之间结构、性能匹配，通过实验，本心音心电监测系统可以初步监测人体的心音心电信号，该系统将应用于临床试验，预计不久将可能推广应用。