生物醫(yī)學傳感器

1、1生物醫(yī)學傳感器生物醫(yī)學傳感器原理及應用原理及應用陳陳 驥驥 主講主講2 課程教材：課程教材： 彭承琳彭承琳 等編，等編，生物醫(yī)學傳感器生物醫(yī)學傳感器 原理與應用原理與應用（第二版），重慶大學出版社，（第二版），重慶大學出版社，2011年版年版 參考教材：參考教材： 彭承琳彭承琳 主編，主編，生物醫(yī)學傳感器原理及應用生物醫(yī)學傳感器原理及應用，高等教育出版社，高等教育出版社，2000年年 楊玉星，楊玉星，生物醫(yī)學傳感器與檢測技術生物醫(yī)學傳感器與檢測技術，化學，化學工業(yè)出版社，工業(yè)出版社，20053第一章第一章 緒緒 論論1.1.傳感器（傳感器（Transducer/Sensor）的定義）的定義

2、我國國家標準我國國家標準( (GB7765-87中中) )傳感器的定義是：傳感器的定義是：“能能夠感受規(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信號的器件或裝置”。包含了以下幾方面的意思：包含了以下幾方面的意思：傳感器是測量裝置，能完成檢測任務；傳感器是測量裝置，能完成檢測任務；它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等。化學量、生物量等。它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、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、

3、電物理量，處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電物理量，但主要是電學物理量；但主要是電學物理量；輸出輸入有對應關系，且應有一定的精度程度。輸出輸入有對應關系，且應有一定的精度程度。4傳感器的組成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：分組成，組成框圖如圖所示：敏感元件敏感元件：是直接感受被測量，并輸出與被測量成確：是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。定關系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路

4、參量。轉(zhuǎn)換成電路參量。 基本轉(zhuǎn)換電路基本轉(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路，便：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)換基本轉(zhuǎn)換 5傳感器的組成傳感器的組成 一種氣體壓力傳感器的示意圖。一種氣體壓力傳感器的示意圖。 膜盒膜盒2 2的下半部分與殼體的下半部分與殼體1 1固接，固接，上半部分通過連桿與磁芯上半部分通過連桿與磁芯4 4相相連，磁芯連，磁芯4 4置于兩個電感線圈置于兩個電感線圈3 3中，后者接入轉(zhuǎn)換電路中，后者接入轉(zhuǎn)換電路5 5。 膜盒就是膜盒就是敏感元件敏感元件，其外部，其外部與大氣壓力相

5、通，內(nèi)部感受被與大氣壓力相通，內(nèi)部感受被測壓力。當變化時，引起膜盒測壓力。當變化時，引起膜盒上半部分移動，即輸出相應的上半部分移動，即輸出相應的位移量。位移量。 轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件是可變電感線圈是可變電感線圈3 3，它把輸入的位移量轉(zhuǎn)換成電感它把輸入的位移量轉(zhuǎn)換成電感的變化。的變化。6 實際上，有些傳感器很簡單，有些則較復雜，實際上，有些傳感器很簡單，有些則較復雜，大多數(shù)是開環(huán)系統(tǒng)，也有些是反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。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）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，如熱電組成，它感受被測量時直接輸

6、出電量，如熱電偶就是這樣。偶就是這樣。 如圖所示，兩種不同的金屬材料如圖所示，兩種不同的金屬材料A A和和B B，一端，一端連接在一起，放在被測溫度連接在一起，放在被測溫度T T中，另一端為參中，另一端為參考，溫度為考，溫度為T T0 0，則在回路中將產(chǎn)生一個與溫度，則在回路中將產(chǎn)生一個與溫度T T、T T0 0有關的電動勢，從而進行溫度測量有關的電動勢，從而進行溫度測量。78傳感器的組成傳感器的組成l 有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。如圖所示的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)量塊壓電式加速度傳感器，其中質(zhì)量塊m m是敏感元件，壓電是敏感元件，壓電片

7、是轉(zhuǎn)換元件。片是轉(zhuǎn)換元件。l 因轉(zhuǎn)換元件的輸出已是電量，故無需轉(zhuǎn)換電路。因轉(zhuǎn)換元件的輸出已是電量，故無需轉(zhuǎn)換電路。 l 敏感元件與轉(zhuǎn)換元件在結構上常是裝在一起的，由于敏感元件與轉(zhuǎn)換元件在結構上常是裝在一起的，由于空間的限制或者其他原因，轉(zhuǎn)換電路常裝入電箱中。空間的限制或者其他原因，轉(zhuǎn)換電路常裝入電箱中。l 盡管如此，因為不少傳感器要在通過轉(zhuǎn)換電路后才能盡管如此，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)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。節(jié)之一。MEMS技術技術 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

8、電路、通信系統(tǒng)以及電源于一體的微型機電系統(tǒng) MEMS技術是一種多學科交叉的前沿性領域，它幾乎涉及到自然及工程科學的所有領域，如電子、機械、光學、物理學、化學、生物醫(yī)學、材料科學、能源科學等 Micro-Electro-Mechanical Systems （USA） Micro-Machine (JAPAN) Micro-Systems (EUROPE)加速度傳感器加速度傳感器正文電梳驅(qū)動原理電梳驅(qū)動原理微觀結構微觀結構正文動作模擬演示動作模擬演示142. 2. 傳感器的作用傳感器的作用 人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。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

9、覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以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遠不夠了。為適應這種請及生產(chǎn)活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種請況，就需要傳感器。傳感器是人類五官的延長，是代替況，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。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確可靠的信息，在信息時代，首先要解決的就是獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領域中信息的主要途徑與手而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領域中信息的主要途徑與手段。段。 傳感器技術是現(xiàn)代醫(yī)學儀器及計算機應

10、用的關鍵技術。傳感器技術是現(xiàn)代醫(yī)學儀器及計算機應用的關鍵技術。 152. 2. 傳感器的作用傳感器的作用 在醫(yī)學上，在醫(yī)學上，生物醫(yī)學傳感器的主要用途有生物醫(yī)學傳感器的主要用途有: (1) 提供生物醫(yī)學提供生物醫(yī)學檢測檢測的信息的信息 (2) 提供連續(xù)提供連續(xù)監(jiān)護監(jiān)護的信息的信息 (3) 提供人體疾病治療和提供人體疾病治療和控制控制的信息的信息 162. 2. 傳感器的作用傳感器的作用(1) 提供生物醫(yī)學檢測的信息提供生物醫(yī)學檢測的信息: 如心音、血壓、脈搏、血流、呼吸、體溫等如心音、血壓、脈搏、血流、呼吸、體溫等信息、供臨床診斷和醫(yī)學研究用。信息、供臨床診斷和醫(yī)學研究用。 除直接從人體收集信

11、息外除直接從人體收集信息外,臨床上常從各種體臨床上常從各種體液液(血、尿、唾液等血、尿、唾液等)樣品獲得診斷信息。這類信樣品獲得診斷信息。這類信息是利用化學傳感器和生物傳感器來獲取生化檢息是利用化學傳感器和生物傳感器來獲取生化檢驗信息驗信息,是診斷各種疾病必不可少的依據(jù)。是診斷各種疾病必不可少的依據(jù)。172. 2. 傳感器的作用傳感器的作用 (2) 提供連續(xù)監(jiān)護的信息提供連續(xù)監(jiān)護的信息: 長時間連續(xù)測定某些參量長時間連續(xù)測定某些參量,監(jiān)視這些參量是否處監(jiān)視這些參量是否處于規(guī)定的范圍內(nèi)于規(guī)定的范圍內(nèi),以便了解病人的恢復過程以便了解病人的恢復過程,出出現(xiàn)異常時及時報警?，F(xiàn)異常時及時報警。 如心臟手

12、術后的病人需監(jiān)視其體溫、脈搏、動如心臟手術后的病人需監(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)的變脈壓、靜脈壓、呼吸和心電等一系列參數(shù)的變化情況化情況182. 2. 傳感器的作用傳感器的作用(3) 提供人體疾病治療和控制的信息：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。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；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，控制人工肢體的電子假肢用測得的肌電信號，控制人工肢體的運

13、動運動; 人工肝、人工腎（血液透析）體外循環(huán)中的血人工肝、人工腎（血液透析）體外循環(huán)中的血流、血壓控制等。流、血壓控制等。19生物醫(yī)學測量上的各種參量生物醫(yī)學測量上的各種參量位移位移 血管內(nèi)、外徑血管內(nèi)、外徑, ,主動脈、腔靜脈尺寸主動脈、腔靜脈尺寸, ,左心室左心室尺寸尺寸, ,肢體容積變化肢體容積變化, ,胸廓變化胸廓變化, ,心臟收縮變心臟收縮變化，骨胳肌收縮變化化，骨胳肌收縮變化, ,胃收縮胃收縮, ,腸蠕動腸蠕動速度速度血流速度血流速度, ,排尿速度排尿速度, ,分泌速度分泌速度, ,發(fā)汗速度發(fā)汗速度, ,流淚速度流淚速度, ,呼吸氣流速呼吸氣流速振動振動（加速度）（加速度）心音心音

14、, ,呼吸音呼吸音, ,血管音血管音, ,脈搏脈搏, ,心尖搏動心尖搏動, ,心瓣膜振動心瓣膜振動, ,手顫手顫, ,頸動脈搏動頸動脈搏動, ,脈象脈象, ,語音語音壓力壓力血壓血壓, ,眼壓眼壓, ,心內(nèi)壓心內(nèi)壓, ,顱內(nèi)壓顱內(nèi)壓, ,胃內(nèi)壓胃內(nèi)壓, ,食道壓食道壓, ,膀胱壓膀胱壓, ,子宮內(nèi)壓子宮內(nèi)壓力力心肌力心肌力, ,肌肉力肌肉力, ,咬合力咬合力, ,骨胳負載力骨胳負載力, ,血液粘滯力血液粘滯力, ,手握力手握力20生物醫(yī)學測量上的各種參量生物醫(yī)學測量上的各種參量流量流量血流量血流量, ,呼吸流量呼吸流量, ,尿流量尿流量, ,心輸出量心輸出量溫度溫度口腔溫口腔溫, ,直腸溫直腸

15、溫, ,皮膚溫皮膚溫, ,體核溫體核溫, ,心內(nèi)溫心內(nèi)溫, ,腫物溫腫物溫, ,中耳膜內(nèi)溫中耳膜內(nèi)溫, ,臟器溫臟器溫, ,血液溫血液溫生物電生物電心電心電, ,腦電腦電, ,肌電肌電, ,眼電眼電, ,胃電胃電, ,神經(jīng)電神經(jīng)電, ,腦腦干電干電, ,皮膚電皮膚電化學化學成分成分K, Na ,Cl K, Na ,Cl ，Ca ,OCa ,O2 2 ，COCO2 2 ,H ,Li ,H ,Li生物生物物質(zhì)物質(zhì)乳酸乳酸, ,血糖血糖, ,蛋白質(zhì)蛋白質(zhì), ,膽固醇膽固醇, ,酶，抗原酶，抗原, ,抗體抗體, ,受體受體, ,激素激素, ,神經(jīng)遞質(zhì)神經(jīng)遞質(zhì),DNA,RNA,DNA,RNA213.3.

16、生物醫(yī)學傳感器的分類生物醫(yī)學傳感器的分類 生物醫(yī)學傳感器的分類方法有很多種生物醫(yī)學傳感器的分類方法有很多種 （1 1）按被測量分為三大類：）按被測量分為三大類： 1)1)物理傳感器；物理傳感器；2)2)化學傳感器；化學傳感器；3)3)生物傳感器生物傳感器 1 1）物理傳感器：）物理傳感器： 用于測量血壓、體溫、血流量、血粘度、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，設計傳感磁場等。這些被測量都屬于物理量，設計傳感器時多利用這些非電量的物理效應。器時多利用這些非電量的物理效應。 223.3

17、.生物醫(yī)學傳感器的分類生物醫(yī)學傳感器的分類2 2）化學傳感器：）化學傳感器： 化學傳感器是把人體內(nèi)某些化學成分、濃度等化學傳感器是把人體內(nèi)某些化學成分、濃度等轉(zhuǎn)換成與之有確切關系的電學量的器件。轉(zhuǎn)換成與之有確切關系的電學量的器件。 用于測量人體體液中離子的成分或濃度（如用于測量人體體液中離子的成分或濃度（如CaCa+ +、K K+ +、Na+Na+、）、）、pHpH值、氧分壓（值、氧分壓（po2po2）及）及葡萄糖濃度等。這些被測量都屬于化學量，不過葡萄糖濃度等。這些被測量都屬于化學量，不過這些被測物質(zhì)的分子量一般都不太大，利用電化這些被測物質(zhì)的分子量一般都不太大，利用電化學原理或物理效應可以

18、制成化學傳感器。學原理或物理效應可以制成化學傳感器。 利用各種化學傳感器測量人體中的某些化學利用各種化學傳感器測量人體中的某些化學成分成分,如用離子選擇性電極測量納、氯、鈣等離如用離子選擇性電極測量納、氯、鈣等離子子;利用氣敏電極測定氧分壓和二氧化碳分壓。利用氣敏電極測定氧分壓和二氧化碳分壓。233.3.生物醫(yī)學傳感器的分類生物醫(yī)學傳感器的分類 生物電位生物電位（如心電、腦電、眼電、肌電等）（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免地使用電極，電極和皮膚或軟組織之間的界面是一

19、個半電池。電極是電化學研究的對象，如把測量一個半電池。電極是電化學研究的對象，如把測量生物電位的電極也看作是一種傳感器，則應將其列生物電位的電極也看作是一種傳感器，則應將其列入化學傳感器。入化學傳感器。24一次性心電電極通用型一體五導聯(lián)線吸球心電電極25ECG-2203B 心電圖機多參數(shù)監(jiān)護儀26273.3.生物醫(yī)學傳感器的分類生物醫(yī)學傳感器的分類 3)3)生物傳感器：生物傳感器：l 用于酶、抗原、抗體、激素、脫氧核糖核酸用于酶、抗原、抗體、激素、脫氧核糖核酸（DNADNA）等物質(zhì)的傳感。）等物質(zhì)的傳感。l 這類物質(zhì)也屬于化學物質(zhì)，但它們的這類物質(zhì)也屬于化學物質(zhì)，但它們的分子量較大，分子量較大

20、，分子結構比較復雜分子結構比較復雜，一般的化學傳感器很難對它，一般的化學傳感器很難對它們進行識別。們進行識別。l 生物傳感器的敏感部分具有生物識別功能，有很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)起作用物質(zhì)起作用。l 生物傳感器是具有生物識別能力的化學傳感器生物傳感器是具有生物識別能力的化學傳感器。28生物傳感器生生理理參參數(shù)數(shù)利用生物活性物質(zhì)選擇利用生物活性物質(zhì)選擇性識別來測定生化物質(zhì)性識別來測定生化物質(zhì)利用材料的物理變化利用材料的物理變化物理傳感器非電學量參數(shù)非電學量參數(shù)機體的各種生物電機體的各種生物

21、電（心電、腦電、肌電、（心電、腦電、肌電、神經(jīng)元放電等）神經(jīng)元放電等）生物電電極電學量參數(shù)電學量參數(shù)利用化學反應原理，利用化學反應原理，把化學成分、濃度轉(zhuǎn)把化學成分、濃度轉(zhuǎn)換成電信號換成電信號化學傳感器293.3.生物醫(yī)學傳感器的分類生物醫(yī)學傳感器的分類 （2 2）按工作原理分類：）按工作原理分類： 電阻式傳感器、電阻式傳感器、 電感式傳感器、電感式傳感器、 電容式傳感器、電容式傳感器、 壓電式傳感器、壓電式傳感器、 光電式傳感器、光導纖維式傳感器、紅外傳感器、光電式傳感器、光導纖維式傳感器、紅外傳感器、 熱電式傳感器、熱電式傳感器、 超聲波式傳感器、超聲波式傳感器、 半導體式傳感器、半導體式

22、傳感器、 聲表面波傳感器、聲表面波傳感器、 超導傳感器等。超導傳感器等。 303.3.生物醫(yī)學傳感器的分類生物醫(yī)學傳感器的分類 （3 3）按被測對象分類：）按被測對象分類： 血壓傳感器、血氧傳感器、血壓傳感器、血氧傳感器、 溫度傳感器、心音傳感器、溫度傳感器、心音傳感器、 脈搏波傳感器、呼吸傳感器、脈搏波傳感器、呼吸傳感器、 葡萄糖傳感器、基因傳感器等。葡萄糖傳感器、基因傳感器等。31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32BP300T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33溫度傳感器模塊 DS18B20SHT1115溫濕度智能傳感器34OTP

23、-538紅外測溫傳感器SDT-718 熱釋電紅外模塊紅外測溫儀35 醫(yī)用傳感器應具有以下特性醫(yī)用傳感器應具有以下特性: 1較高的靈敏度和信噪比較高的靈敏度和信噪比,以保證能檢測出微以保證能檢測出微小的有用信息。小的有用信息。 2良好的線性和快速響應良好的線性和快速響應,以保證信號變換后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)定性和互換性良好的穩(wěn)定性和互換性,以保證輸出信號受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要基本相同,在互相調(diào)換時不影響測量數(shù)據(jù)。在

24、互相調(diào)換時不影響測量數(shù)據(jù)。36 除具有上述特性外，還必須考慮到生物體的解除具有上述特性外，還必須考慮到生物體的解剖結構和生理功能，尤其是安全性和可靠性更剖結構和生理功能，尤其是安全性和可靠性更應特別重視。應特別重視。 傳感器必須與生物體內(nèi)的化學成分相容，既不傳感器必須與生物體內(nèi)的化學成分相容，既不被腐蝕也不給生物體帶來毒性；被腐蝕也不給生物體帶來毒性； 傳感器的形狀、尺寸和結構應和被檢測部位的傳感器的形狀、尺寸和結構應和被檢測部位的結構相適應，使用時不應損傷組織，不給正常結構相適應，使用時不應損傷組織，不給正常生理活動帶來干擾；生理活動帶來干擾； 傳感器有更嚴格安全要求和其它生物方面的要傳感器

25、有更嚴格安全要求和其它生物方面的要求。求。374.4.開發(fā)新型傳感器的途徑開發(fā)新型傳感器的途徑1 1）采用新原理）采用新原理 利用新的物理效應、化學效應可研制出新一代傳利用新的物理效應、化學效應可研制出新一代傳感器。感器。 例如利用例如利用約瑟夫遜效應約瑟夫遜效應開發(fā)的磁場傳感器可以開發(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)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率測量、生物體磁場實，可用于超低溫中的磁導率測量、生物體磁場的測量等方面。的測量等方面。 光纖傳感器、聲表面波傳感器、光纖傳感器、聲表面波傳感器、DNADNA傳感器等已傳感器等已取得很大進

26、展。取得很大進展。38約瑟夫遜效應約瑟夫遜效應（超導隧道效應）：（超導隧道效應）：l 19621962年，劍橋大學研究生約瑟夫遜分析了由極年，劍橋大學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）隔開的薄絕緣層（厚度約為百萬分之一毫米）隔開的兩個超導體斷面處發(fā)生的現(xiàn)象，超導兩個超導體斷面處發(fā)生的現(xiàn)象，超導絕緣絕緣超導超導 (SIS)(SIS)結，稱為約瑟夫遜結。結，稱為約瑟夫遜結。l 通過調(diào)節(jié)兩塊超導體間的絕緣層的厚薄，可以通過調(diào)節(jié)兩塊超導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。時則沒有電流通過。 3

27、9約瑟夫遜效應約瑟夫遜效應（超導隧道效應）：（超導隧道效應）：l 約瑟夫遜預言，超導電流可以穿過絕緣層，在約瑟夫遜預言，超導電流可以穿過絕緣層，在薄絕緣層隔開的兩種超導材料之間有電流通過，薄絕緣層隔開的兩種超導材料之間有電流通過，即即“電子對電子對”能穿過薄絕緣層（隧道效應）；能穿過薄絕緣層（隧道效應）；l 同時還產(chǎn)生一些特殊的現(xiàn)象：只要超導電流不同時還產(chǎn)生一些特殊的現(xiàn)象：只要超導電流不超過某一臨界值，則電流穿過絕緣層時將不產(chǎn)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。生電壓，即電流通過薄絕緣層無需加電壓。l 這些預言被美國貝爾實驗室用試驗證實，而這這些預言被

28、美國貝爾實驗室用試驗證實，而這一超導物理現(xiàn)象則被稱為一超導物理現(xiàn)象則被稱為“約瑟夫遜效應約瑟夫遜效應”。l 約瑟夫遜效應是超導體的電子學應用的理論基約瑟夫遜效應是超導體的電子學應用的理論基礎。礎。 40SQUIDSQUID傳感器傳感器( (超傳導量子干涉器件超傳導量子干涉器件) )l 腦磁圖測量系統(tǒng)的核心部件是腦磁圖測量系統(tǒng)的核心部件是SQUIDSQUID傳感器傳感器l 地球的磁場為約地球的磁場為約0.30.31010-4 -4 T T（特拉斯）（特拉斯）l 腦生物磁場腦生物磁場50501000fT (1fT=101000fT (1fT=101515 T T ）l SQUIDSQUID傳感器可

29、檢測到地球磁場十億分之一傳感器可檢測到地球磁場十億分之一的變化量。的變化量。41SQUIDSQUID傳感器傳感器( (超傳導量子干涉器件超傳導量子干涉器件) ) 最新式的腦磁圖測量系統(tǒng)可提供多達最新式的腦磁圖測量系統(tǒng)可提供多達275275個傳感器，個傳感器， 其中的關鍵技術是其中的關鍵技術是SQUIDSQUID； SQUIDSQUID傳感器是由超導材料鈮金屬，使用約瑟夫遜傳感器是由超導材料鈮金屬，使用約瑟夫遜隧道效應的技術制作而成。隧道效應的技術制作而成。 SQUIDSQUID傳感器均勻的分布在底部為頭盔型的液氦杜傳感器均勻的分布在底部為頭盔型的液氦杜瓦容器內(nèi)，工作在零下瓦容器內(nèi)，工作在零下2

30、69269的超低溫液態(tài)氦中，的超低溫液態(tài)氦中，其工作溫度接近于絕對零度，即零下其工作溫度接近于絕對零度，即零下273.16273.16。 42腦磁圖腦磁圖傳感器矩陣列傳感器矩陣列l(wèi) 腦磁圖傳感器均勻緊密腦磁圖傳感器均勻緊密地分布在大致成六角形地分布在大致成六角形的頭盔內(nèi)表面。的頭盔內(nèi)表面。l 頭盔和液氦杜瓦容器做頭盔和液氦杜瓦容器做成一體。成一體。 l 傳感器矩陣列從傳感器矩陣列從6464個至個至275275個可供選擇。個可供選擇。l 浸泡在液態(tài)氦中的測量浸泡在液態(tài)氦中的測量線圈離液氦杜瓦容器頭線圈離液氦杜瓦容器頭盔外表面的間距小于盔外表面的間距小于1717毫米。毫米。43SQUIDSQUID

31、（超傳導量子干涉器件）（超傳導量子干涉器件）l SQUIDSQUID是基于鈮金屬合金超是基于鈮金屬合金超導材料，使用約瑟夫隧道連導材料，使用約瑟夫隧道連接技術制作而成的。接技術制作而成的。l 每塊晶片上制作每塊晶片上制作8080個個SQUIDSQUID電路，且一次同時加工十塊電路，且一次同時加工十塊晶片，在技術上保證了制作晶片，在技術上保證了制作成的成的SQUIDSQUID具有高度的均勻具有高度的均勻一致性，也就保證了所有信一致性，也就保證了所有信道的特性相同。道的特性相同。l 圖中顯示了一個圖中顯示了一個SQUIDSQUID傳感傳感器的內(nèi)部結構的電子顯微鏡器的內(nèi)部結構的電子顯微鏡放大圖放大圖

32、。44液氦杜瓦容器液氦杜瓦容器l 頭盔形的液氦杜瓦容器是優(yōu)化低溫系統(tǒng)的一部分，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。并留有放置腦電圖電極的空間。l 為了抗無線電波的干擾，液氦杜瓦真空容器內(nèi)還安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。裝了抗電磁波干擾的屏蔽層。l 在杜瓦真空容器內(nèi)還涂有一層低溫吸著材料以維持在杜瓦真空容器內(nèi)還涂有一層低溫吸著材料以維持其真空度其真空度。 45磁場屏蔽室磁場屏蔽室l 一般由兩層一般由兩層 m m 金屬板和一層鋁板構成，可同時屏蔽金屬板和一層鋁板構成，可同時屏蔽低頻和高頻的噪聲干擾，重約噸。低頻和高頻的噪

33、聲干擾，重約噸。l m m金屬層是具有很高磁導率的合金，主要用來屏蔽金屬層是具有很高磁導率的合金，主要用來屏蔽來自室外的低頻噪聲來自室外的低頻噪聲(10Hz)(10Hz)(10Hz)。l 磁場屏蔽室之所以能有屏蔽效能，是因為電磁波穿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。過電磁屏蔽體時會產(chǎn)生吸收損耗和反射損耗。46MEGMEG信號的發(fā)生原理信號的發(fā)生原理 腦磁圖是研究腦磁場信號的腦功能圖象技術。腦磁圖是研究腦磁場信號的腦功能圖象技術。一組緊密排列的腦神經(jīng)元細胞產(chǎn)生的生物電流可看一組緊密排列的腦神經(jīng)元細胞產(chǎn)生的生物電流可看作為一個信號源。由這一電流源產(chǎn)

34、生的生物磁場可作為一個信號源。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頭部之外，可用一組探測穿透腦組織以及顱骨到達頭部之外，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。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)生的結果，比如視覺刺激，或者是自發(fā)性產(chǎn)激發(fā)產(chǎn)生的結果，比如視覺刺激，或者是自發(fā)性產(chǎn)生的結果，比如癲癇活動。把握這些活動部位的精生的結果，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，腦外科手術前的手術計確位置對

35、于各種臨床診斷，腦外科手術前的手術計劃制定，以及腦的基礎研究都具有十分重要的意義。劃制定，以及腦的基礎研究都具有十分重要的意義。 47MEG/EEGMEG/EEG信號的發(fā)生原理信號的發(fā)生原理 腦磁圖主要用于正切腦磁圖主要用于正切磁場的測量，而腦電圖磁場的測量，而腦電圖則用于徑向磁場的測量。則用于徑向磁場的測量。 腦磁圖是測量細胞內(nèi)腦磁圖是測量細胞內(nèi)的電流，而腦電圖則是的電流，而腦電圖則是測量細胞外的電流。測量細胞外的電流。 腦磁圖為腦功能圖像腦磁圖為腦功能圖像化提供了最為精確的測化提供了最為精確的測量系統(tǒng)量系統(tǒng)。 48腦電圖信號的失真腦電圖信號的失真1 1）由于頭部各組織的導電率各不）由于頭部

36、各組織的導電率各不相同的效應，使得腦電圖信號相同的效應，使得腦電圖信號在到達頭皮表面時會產(chǎn)生失真，在到達頭皮表面時會產(chǎn)生失真，從而使得信號源的精確定位很從而使得信號源的精確定位很困難或根本不可能。困難或根本不可能。2 2）而腦磁場信號和各種腦組織的）而腦磁場信號和各種腦組織的導電率無關，因此腦磁圖信號導電率無關，因此腦磁圖信號在穿透頭皮后不會產(chǎn)生任何失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，而且事先沒有必的精確定位，而且事先沒有必要知道頭皮，顱骨和腦組織的要知道頭皮，顱骨和腦組織的精確的導電率值。精確的導電率值。 49MEGMEG信號檢測信號檢

37、測 對正常人聽覺刺激的數(shù)據(jù)分析：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上圖顯示了均勻分布在整個頭部的頭部的143143個腦磁圖傳感器所測個腦磁圖傳感器所測到的腦磁場變化曲線。所示曲線到的腦磁場變化曲線。所示曲線為為100100次數(shù)據(jù)采樣的平均值，所次數(shù)據(jù)采樣的平均值，所示時間范圍約示時間范圍約600600毫秒。毫秒。 下圖顯示了在同一時間坐標下圖顯示了在同一時間坐標軸上所有信道的腦磁場變化曲線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，的重迭。從此例可以清楚地看出，磁場強度的最大值（磁場強度的最大值（100100毫微特毫微特斯拉）發(fā)生在聽到刺激聲音之后斯拉）發(fā)生在

38、聽到刺激聲音之后的的9797毫秒，用紅線表示。毫秒，用紅線表示。 504.4.開發(fā)新型傳感器的途徑開發(fā)新型傳感器的途徑 2 2）采用新材料）采用新材料 由于材料科學的巨大進步，新的功能材由于材料科學的巨大進步，新的功能材料的開發(fā)將導致新型傳感器的出現(xiàn)。料的開發(fā)將導致新型傳感器的出現(xiàn)。 半導體材料研究的進步，促進了半導體半導體材料研究的進步，促進了半導體傳感器的迅速發(fā)展；傳感器的迅速發(fā)展； 壓電半導體材料為壓電傳感器集成化提壓電半導體材料為壓電傳感器集成化提供了方便；供了方便； 高分子壓電薄膜的研制成功，將使機器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)人的觸覺系統(tǒng)更接近人

39、的觸覺系統(tǒng)皮膚。皮膚。514.4.開發(fā)新型傳感器的途徑開發(fā)新型傳感器的途徑l 精細陶瓷、形狀記憶合金等是很有希望的傳感器精細陶瓷、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，當它復原時會產(chǎn)生相當材料，尤其是記憶合金，當它復原時會產(chǎn)生相當大的力，可作力敏感元件和執(zhí)行元件的結合體。大的力，可作力敏感元件和執(zhí)行元件的結合體。l 在功能材料方面，把酶或活體組織的一部分作為在功能材料方面，把酶或活體組織的一部分作為敏感元件，它對特定的化學物質(zhì)具有高度的選擇敏感元件，它對特定的化學物質(zhì)具有高度的選擇性。不僅可測量各種分于量和結構的化學物質(zhì)，性。不僅可測量各種分于量和結構的化學物質(zhì)，而且有可能測量

40、食品的新鮮度。而且有可能測量食品的新鮮度。l 隨著材料科學技術的發(fā)展，適用于敏感元件的材隨著材料科學技術的發(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)。料會大量增加，新型傳感器將不斷地出現(xiàn)。524.4.開發(fā)新型傳感器的途徑開發(fā)新型傳感器的途徑 3 3）采用新的加工技術與工藝）采用新的加工技術與工藝 采用新的加工技術可以制造出新型傳感器，如采用新的加工技術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。壓力傳感器和

41、成分傳感器。 MEMS技術技術，采用半導體集成電路制造技術在采用半導體集成電路制造技術在同一個芯片上同時制造幾個傳感器或傳感器陣列，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，從而可構成多功能傳感路也集成在這個芯片上，從而可構成多功能傳感器、分布式傳感器。器、分布式傳感器。MEMS制造工藝制造工藝1. 體微加工技術體微加工技術（蝕刻：干法蝕刻和濕法蝕刻）2. 表面微加工技術表面微加工技術（光刻）3. 鍵合鍵合( bonding)技術技術（硅熔融鍵合和靜電鍵合）4. L IGA技術技術（Li

42、thograpie(光刻)、Galvanoformung(電鑄) Abformung(塑鑄)）體加工技術體加工技術Bare Silicon WaferDeposit Sacrificial Film(serving as a mask)Bulk MicromachiningFabrication CyclePattern Sacrificial FilmPattern Bulk Material (Si)Remove Sacrificial Film(serving as a mask)表面加工技術表面加工技術Bare Silicon WaferDeposit Mechanical FilmP

43、attern Mechanical FilmDeposit Sacrificial FilmPattern Sacrificial FilmDeposit Mechanical FilmPattern Mechanical FilmRelease StructureSurface MicromachiningFabrication Cycle體加工體加工&表面加工表面加工Surface MicromachiningBulk MicromachiningTrenchBridgeCantileversWafer SurfaceCavityNozzleMembrane體加工體加工&表面加工表面加工膜越厚，腐蝕膜越厚，腐蝕 次數(shù)越少。次數(shù)越少。去除下層材料，去除下層材料，釋放機械結構釋放機械結構