生物醫(yī)學(xué)儀器(第二章)-副本

第二章生物電極和醫(yī)學(xué)傳感器

傳感器測量的一般知識生物醫(yī)學(xué)測量電極及分類常用醫(yī)學(xué)傳感器測量原理生物醫(yī)學(xué)傳感器技術(shù)的新發(fā)展傳感器和電極的性能好壞直接影響到醫(yī)學(xué)儀器的整體性能。主要內(nèi)容包括：2.1醫(yī)學(xué)傳感器測量的一般知識一、定義：

傳感器又稱換能器，能把反映人體生理信息的物理量或

化學(xué)量轉(zhuǎn)換成為與之有確定函數(shù)關(guān)系的電信息的變換裝置。電子線路敏感元件轉(zhuǎn)換元件生物信息對應(yīng)電信號二、基本組成：

2.1醫(yī)學(xué)傳感器測量的一般知識2.1.1生物醫(yī)學(xué)傳感器的用途和分類提供診斷信息人體控制臨床檢驗主要用途2.1醫(yī)學(xué)傳感器測量的一般知識2.1.1生物醫(yī)學(xué)傳感器的用途和分類生物傳感器利用生物活性物質(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傳感器一般分類方法利用化學(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2.1醫(yī)學(xué)傳感器測量的一般知識2.1.1生物醫(yī)學(xué)傳感器的用途和分類化學(xué)、物理性能好較高的靈敏度和信噪比傳感器的性能要求良好的線性和較高的響應(yīng)速度重復(fù)性、一致性和選擇性好電氣安全性好操作性好2.1醫(yī)學(xué)傳感器測量的一般知識2.1.2對生物前置放大器的要求三高：高輸入阻抗、高增益、高共模抑制比；

二低：低噪聲、低漂移；

二保護：人體安全保護電路、放大器輸入保護電路；一校準(zhǔn)：快速校準(zhǔn)電路。2.2生物醫(yī)學(xué)測量電極生物電位電極在整個電流傳導(dǎo)過程中起著傳感器的作用，把體內(nèi)的離子電流變成電極和導(dǎo)線中流動的電子電流。2.2.1生物電位電極金屬與溶液間的電位差的大小和符號，取決于金屬的種類和原來存在于溶液中的金屬離子的濃度等。2.2生物醫(yī)學(xué)測量電極2.2.1生物電位電極金屬與溶液之間界面的電位差稱為半電池電位。靜態(tài)狀態(tài)時——細胞膜對K+有特殊的通透性,K+從膜內(nèi)流向膜外,直到

達成一種動態(tài)的電化學(xué)平衡.當(dāng)細胞興奮時——細胞膜對Na+的通透性超過對K+的通透性,原有的動態(tài)

平衡被打破,膜外大量的Na+流向膜內(nèi),形成與靜態(tài)狀態(tài)

完全相反的平衡狀態(tài).2.2生物醫(yī)學(xué)測量電極2.2.1生物電位電極極化電位：當(dāng)有電流流過電極的電解質(zhì)溶液時，電極會產(chǎn)生極化現(xiàn)象并產(chǎn)生極化電壓。電極電位：半電池電位與極化電位的總和?？缒る娢唬翰煌娊赓|(zhì)溶液之間的界面上或同一電解質(zhì)而濃度不同的兩個溶液之間的界面上產(chǎn)生的電位。幾個概念：2.2生物醫(yī)學(xué)測量電極2.2.1生物電位電極極化電位消除：Ag-AgCl電極具有半電池電位穩(wěn)定、極化電壓小、噪聲低，它是非極化電壓，常用來作為生物電位測量電極，特別是用于長期監(jiān)護電極。Ag-AgCl電極缺點：其生成物銀對生物組織有毒性，通常不適用于作體內(nèi)長期電極，只能用于體外測量。電極特性：2.2生物醫(yī)學(xué)測量電極2.2.1生物電位電極電極的生物醫(yī)學(xué)測量的等效電路：P31頁圖2.42.2生物醫(yī)學(xué)測量電極2.2.2生物電位電極分類刺激電極：宏電極電極分類檢測與刺激電極：心臟起博器檢測電極宏電極微電極體內(nèi)電極皮下電極植入電極體表電極：ECG、EEG金屬微電極玻璃微電極2.2生物醫(yī)學(xué)測量電極2.2.2生物電位電極分類1.體表電極電極直徑：0.3cm~5cm，通常在2cm左右。通常，放大器的輸入阻抗應(yīng)比它大100倍以上才能滿足要求，一般為1M，5.1M或10M。2.2生物醫(yī)學(xué)測量電極2.2.2生物電位電極分類1.體表電極肢體電極1、應(yīng)用于心電圖機的三種雙極導(dǎo)聯(lián)和三種加壓導(dǎo)聯(lián)；2、尺寸在3～6cm之間，電極材料：Ag-AgCl。吸杯電極應(yīng)用于心電圖機的六種胸導(dǎo)聯(lián)。柱形電極1、通常應(yīng)用于ICU病房長時間記錄和動態(tài)心電圖記錄；2、特點：電極內(nèi)部充有導(dǎo)電膏，用來減少皮膚產(chǎn)生的運動偽劣；3、采用導(dǎo)電膏原因：長時間的監(jiān)護容易發(fā)生電極的滑落和導(dǎo)電膏的干燥；4、要注意的問題：不能用于多汗和濕冷的皮膚；不能放置在有肋骨的區(qū)域（應(yīng)該粘在有肌肉的胸部和腹部）；電極需要在24小時內(nèi)更換一次。2.2生物醫(yī)學(xué)測量電極2.2.2生物電位電極分類2.體內(nèi)電極針電極1、應(yīng)用皮膚之下的組織；2、方法：在斜角或水平于皮膚表面的方向迅速插入。內(nèi)置電極1、插入身體內(nèi)部或組織深層的電極；2、方法：沿著靜脈血管進入心臟，以測量低幅度、高頻率的心室ECG波形。2.2生物醫(yī)學(xué)測量電極2.2.2生物電位電極分類3.腦電電極2.2生物醫(yī)學(xué)測量電極2.2.2生物電位電極分類4.微電極1、是一種超細微電極，用于測量細胞水平上的生物電位；2、種類：大多數(shù)為金屬微電極和液柱式玻璃電極；3、接觸部位尺寸為：1～2μm，具有高阻抗特性。2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2.3.1電阻式傳感器定義：利用電阻元件把待測量參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻阻值變化的一種傳感器，通過測量電阻阻值達到測量被測量參數(shù)的目的。1、電位器：最簡單的檢測位移的傳感元件；2、電阻應(yīng)變計：一個可變值的電阻，電阻的變化與外加機械應(yīng)變力成比例；3、彈性應(yīng)變計：利用彈性管內(nèi)的導(dǎo)電液體的電阻變化構(gòu)成的應(yīng)變計。應(yīng)用：繞于心室以測心室長度變化；繞胸部記錄呼吸變化；繞肢體，描記容積變化，以測量周圍供血情況。缺點是：線性度較差。2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2.3.2電容式傳感器定義：把位移轉(zhuǎn)換成電容量改變的一種傳感器。+++dA

d、A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。A—極板相對覆蓋面積；d—極板間距離；εr—相對介電常數(shù)；ε0—真空介電常數(shù)，ε0＝8.85pF/m；ε—電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2.3.2電容式傳感器變極距型變面積型變介質(zhì)型傳感器類型特點：高靈敏度、高精度。2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2.3.2電容式傳感器1、變極距d式電容傳感器

其靜態(tài)電容量為當(dāng)活動極板移動x后，其電容量為2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2.3.2電容式傳感器1、變極距d式電容傳感器4、一般在極板間放置云母、塑料膜等介電常數(shù)高的物質(zhì)來提高絕緣性，1、電容量C與x不是線性關(guān)系，只有當(dāng)

x＜＜d時，才可認為是近似線形關(guān)系。2、要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d。3、當(dāng)d過小時，又容易引起擊穿。當(dāng)x＜＜d時則

2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2.3.2電容式傳感器2、變面積A式電容傳感器（1）線位移式當(dāng)動極板移動△l后，電容的改變量為：其靈敏度為2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2.3.2電容式傳感器2、變面積A式電容傳感器（2）角位移式

當(dāng)動片有一角位移時，兩極板間覆蓋面積發(fā)生變化，此時電容值為：

2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2.3.2電容式傳感器3、變介質(zhì)ε式電容傳感器(a)極板上覆蓋有介質(zhì)(b)介質(zhì)可移動2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2.3.2電容式傳感器3、變介質(zhì)ε式電容傳感器變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來測量電介質(zhì)的厚度、液位，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來測量介質(zhì)材料的溫度、濕度等。若忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形厚度傳感器如下圖，傳感器的電容量與厚度的關(guān)系為：

δx厚度傳感器C1C2C3C2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2.3.2電容式傳感器3、變介質(zhì)ε式電容傳感器若忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形線位移傳感器如下圖，傳感器的電容量與被位移的關(guān)系為：

C1C2C3CC4

a、b、lx:固定極板長度和寬度及被測物進入兩極板間的長度；δ:兩固定極板間的距離；δx、ε、ε0:被測物的厚度和它的介電常數(shù)、空氣的介電常數(shù)。l平板形lx2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2.3.2電容式傳感器4、電容式傳感器的生物醫(yī)學(xué)測量應(yīng)用C2C1d1d2ε0ε0ΔδVC1C3C4C2?2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2.3.2電容式傳感器4、電容式傳感器的生物醫(yī)學(xué)測量應(yīng)用初始時，當(dāng)中間極片向上位移x時，2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2.3.3電感式傳感器定義：利用單線圈電感的變化或兩個線圈互感變化來測量位移的一種裝置，即將機械位移轉(zhuǎn)換成電壓的裝置。自感式互感式差動變壓器式通常有三種類型2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2.3.3電感式傳感器1自感型--可變磁阻式可變導(dǎo)磁面積型差動型原理:電磁感應(yīng)由電工知識可知，線圈的自感量等于線圈中通入單位電流所產(chǎn)生的磁鏈數(shù)，即線圈的自感系數(shù)為式中，Ф為磁通（Wb）；I為流過線圈的電流（A），N為線圈匝數(shù)。

銜鐵移動δ改變磁阻變化電感值變化2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2.3.3電感式傳感器1自感型--可變磁阻式根據(jù)磁路歐姆定律知：式中，μ為磁導(dǎo)率；S為磁路截面積；l為磁路總長度。令Rm=l/μS為磁路的磁阻，可得線圈的電感量為：2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2.3.3電感式傳感器1自感型--可變磁阻式因鐵芯和銜鐵均為導(dǎo)磁材料，磁阻可忽略不計，則有：

式中，A為氣隙的等效截面積；μ0為空氣的磁導(dǎo)率。只要被測非電量能夠引起空氣隙長度或等效截面積發(fā)生變化，線圈的電感量就會隨之變化。2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2.3.3電感式傳感器2差動變壓器的原理EwEout16（兩次級線圈反相串聯(lián)，忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容）2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2.3.3電感式傳感器2差動變壓器的原理16（兩次級線圈反相串聯(lián)，忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容）銜鐵在平衡位置時……活動銜鐵向上移動時,由于磁阻的影響,w2a中磁通將大于w2b,使M1>M2

，……反之……即：當(dāng)銜鐵位移發(fā)生變化時，輸出電壓會隨之發(fā)生變化

2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2.3.4溫度傳感器熱電阻——金屬電阻醫(yī)學(xué)常用溫度傳感器熱敏電阻PN結(jié)測溫?zé)犭娕紲囟壬摺饘俨牧想娮杪试龃蟆娮柚翟龃蟆郎囟忍匦载摐囟认禂?shù)、正溫度系數(shù)、臨界溫度溫度升高↑——PN結(jié)正向壓降降低↓2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理3.熱電偶熱電效應(yīng)

將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個閉合回路，當(dāng)兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理ABTT0k——玻耳茲曼常數(shù)，k=1.38*10-23e——電子電荷量，e=1.6*10-19T——接觸處的溫度NA，NB——分別為導(dǎo)體A和B的自由電子密度。2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理熱電偶測溫基本定律1)均質(zhì)導(dǎo)體定律

由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。TT02)中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。TT0V2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理3)參考電極定律兩種導(dǎo)體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，A和B兩極配對后的熱電動勢可用下式求得：ABTT0=ACTT0—CBTT0由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極。2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2.3.5電磁流量傳感器1、測量原理當(dāng)導(dǎo)體在磁場內(nèi)移動而切割磁力線時，就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其大小正比于導(dǎo)體移動速度。2、醫(yī)學(xué)應(yīng)用能夠連續(xù)測量血管內(nèi)血液的瞬時流速和平均流速，若知道血管內(nèi)徑就可以很容易換算出流量。缺點：有創(chuàng)測量，且要求測量電極必須與血管壁貼合。2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2.3.5電磁流量傳感器3、激勵法圖中所示為脈沖激勵壓力放大器的框圖，其激勵信號是一雙相短周期脈沖，由圖可見，一個脈沖的寬度為1ms，占整個周期的25％。

A1——直流放大器；A2——單位增益的相減級；S1~S5——CMOS電子開關(guān)；控制線（C）為高電平時，開關(guān)閉合，低電平時則打開。

——高電平時，數(shù)字表顯示最新數(shù)據(jù)；所有電路的動作由四相時鐘控制：激勵傳感器，并使放大器漂移抵消電路工作；使顯示表顯示最新數(shù)據(jù)，而相隨后使數(shù)據(jù)復(fù)原。

開關(guān)S2和S3、電容C1和放大器A2組成漂移抵消電路

S52.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理S1、S2和S5打開；S3和S4閉合

A1出現(xiàn)輸出電壓

通過A2和開關(guān)S4對電容器C2充電，C2上的電荷正比于加到傳感器的電壓。它持續(xù)1ms，接著的3ms傳感器斷開

傳感器受激期間：

相高電平，選通數(shù)字表顯示出電容器C2上的電壓，以后一直保持；相高電平時，關(guān)閉S5，使電容器C2放電。說明:分析時,暫時不考慮A1的溫漂3、激勵法2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理開關(guān)S1和S2閉合，其它開關(guān)打開S1將放大器A1輸入短路，A1輸出的漂移電壓將通過S2開關(guān)對電容器C1充電傳感器關(guān)斷期間：考慮A1的溫漂,這時電容器C1的輸出值即為溫漂干擾電壓3、激勵法2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理在下一周當(dāng)傳感器通時，開關(guān)S1和S2打開而S3、S4閉合

放大器A1的輸出電壓代表壓力信號Vp加上漂移電壓Voo，它加到A2的反相端；而C1上的電壓還保持著漂移電壓Voo值，并加到A2的同相端這時A2的輸出電壓為：Vo=-(Vp+Voo)+Voo=-Vp由A1引起的溫漂電壓同時加在A2的兩個輸入端而抵消,由此可見，漂移抵消電路能有效地保持基線穩(wěn)定，甚至當(dāng)放大器A1的輸入有明顯的熱漂移時也是如此。3、激勵法2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2.3.6光電傳感器1、光電效應(yīng)及其規(guī)律在光的照射下，從金屬表面釋放電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。特點：物質(zhì)在光照下引起其電特性發(fā)生變化?；疽?guī)律：（1）單位時間內(nèi)，受光照的金屬板釋放出來的電子數(shù)與入射光的強度成正比。（2）光電子從金屬表面逸出時具有一定的動能，最大初動能與入射光的強度無關(guān)。（3）光電子從金屬表面逸出的最大初動能與入射光的頻率成線性關(guān)系。當(dāng)入射光的頻率小于臨界頻率時，不管

入射光的強度多大，都不會產(chǎn)生光電效應(yīng)。2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2、光電效應(yīng)光子是具有能量的粒子，每個光子的能量：E=hνh—普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s；ν—光的頻率（s-1）據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個電子只能接受一個光子的能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2、光電效應(yīng)根據(jù)能量守恒定理

式中m—電子質(zhì)量；v0—電子逸出速度。該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2、光電效應(yīng)光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值，稱為極限頻率或波長限。光線頻率低于極限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于極限頻率的入射光，光強再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于極限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正比。即光強愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。光電子逸出物體表面具有初始動能mv02/2

，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理3、光電傳感器及其分類光電傳感器：把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器，它可以直接檢測來自人體的光輻射信息，也可以將人體的其他信息轉(zhuǎn)換成光信號。光電效應(yīng)分類外光電效應(yīng)：入射光子與物質(zhì)中的電子相互作用，使電子逸出表面。內(nèi)光電效應(yīng)：受光照物體電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動勢。光電導(dǎo)效應(yīng)：光敏電阻光生伏特效應(yīng)：光電池光敏二極管光敏三極管半導(dǎo)體位置敏感器件2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理4、光電池

光生伏特效應(yīng)指半導(dǎo)體材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動勢的效應(yīng)。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。I光PN當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，在N區(qū)聚積負電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理應(yīng)用204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm1——硒光電池2——硅光電池常用的光電池有硅光電池和硒光電池。從光電池的光譜特性曲線可看出，硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，適宜測可見光。硅光電池應(yīng)用的范圍400nm—1100nm，峰值波長在850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理（1）光敏二極管光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，如圖所示。PN光光敏二極管符號RL

PN光敏二極管接線

5、光敏二極管和光敏三極管2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理光敏二極管在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小。反向電流也叫做暗電流．當(dāng)光照射時，光敏二極管的工作原理與光電池的工作原理很相似。當(dāng)光不照射時，光敏二極管處于載止?fàn)顟B(tài)，這時只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流；受光照射時，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流。

光敏二極管的光電流I與照度之間呈線性關(guān)系。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應(yīng)用。2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理（2）光敏三極管光敏三極管結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，具有電流增益,只是它的發(fā)射極一邊做的很大,以擴大光的照射面積,且其基極不接引線。當(dāng)集電極加上正電壓,基極開路時,集電極處于反向偏置狀態(tài)。

當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時,會產(chǎn)生電子-空穴對,在內(nèi)電場的作用下,光生電子被拉到集電極,基區(qū)留下空穴,使基極與發(fā)射極間的電壓升高,這樣便有大量的電子流向集電極,形成輸出電流,且集電極電流為光電流的β倍。

NNPe

bcRLE2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理2.3.7壓電式傳感器壓電式傳感器是以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量。壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測量最終能變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等。壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點。近年來，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著與之配套的二次儀表以及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感器的使用更為方便。因此，在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油勘探、聲波測井、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理1、壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力，當(dāng)外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。電能機械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理（1）石英晶體的壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個正六面體，在晶體學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸Z－Z稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的X－X軸稱為電軸；與X－X軸和Z－Z軸同時垂直的Y－Y軸（垂直于正六面體的棱面）稱為機械軸。通常把沿電軸X－X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機械軸Y－Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸Z－Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形(b)坐系標(biāo)ZYX2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理

石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子O2-在Z平面投影，如圖(a)。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊形排列，圖中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。(b)(a)++---YXXY硅氧離子的排列示意圖(a)硅氧離子在Z平面上的投影（b）等效為正六邊形排列的投影+2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理

當(dāng)作用力FX=0時，正、負離子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個互成120o夾角的偶極矩P1、P2、P3，如圖（a）所示。此時正負電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即

P1＋P2＋P3＝0當(dāng)晶體受到沿X方向的壓力（FX<0）作用時，晶體沿X方向?qū)a(chǎn)生收縮，正、負離子相對位置隨之發(fā)生變化，如圖（b）所示。此時正、負電荷中心不再重合，電偶極矩在X方向的分量為(P1+P2+P3)X>0在Y、Z方向上的分量為（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0由上式看出，在X軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。Y+++---X(a)FX=0P1P2P3FXXY++++－－－－FX(b)FX<0+++---P1P2P32.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理可見，當(dāng)晶體受到沿X(電軸)方向的力FX作用時，它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體在Y軸方向力FY作用下的情況與FX相似。當(dāng)FY＞0時，晶體的形變與圖（b）相似；當(dāng)FY＜0時，則與圖（c）相似。由此可見，晶體在Y（即機械軸）方向的力FY作用下，使它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。（P1+P2+P3）X<0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0X(c)FX>0Y+++---+++－－－FXFXP2P3P1+－當(dāng)晶體受到沿X方向的拉力（FX＞0）作用時，其變化情況如圖（c）。此時電極矩的三個分量為在X軸的正向出現(xiàn)負電荷，在Y、Z方向則不出現(xiàn)電荷。2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理

晶體在Z軸方向力FZ的作用下，因為晶體沿X方向和沿Y方向所產(chǎn)生的正應(yīng)變完全相同，所以，正、負電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就表明，沿Z(即光軸)方向的力FZ作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。假設(shè)從石英晶體上切下一片平行六面體——晶體切片，使它的晶面分別平行于X、Y、Z軸，如圖。并在垂直X軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。

當(dāng)晶片受到沿X軸方向的壓縮力Fx作用時，晶片將產(chǎn)生厚度變形，在垂直于電軸的兩表面產(chǎn)生電荷：ZYXbl石英晶體切片t2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理

下圖表示晶體切片在X軸方向施加壓力和拉力時的具體情況。（a)表示施加壓力時的情況，石英晶體的X軸正向帶正電；如果作用力FX改為拉力，則在垂直于X軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反，見圖(a)、(b)。FXFX++++－－－－－－－－++++(a)(b)XX如果在同一晶片上作用力是沿著機械軸的方向，其電荷仍在與X軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見圖（c）、（d），此時電荷的大小為++++++++－－－－－－－－(c)(d)FYFYXX2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理總結(jié)：

①無論是正逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場強度）之間呈線性關(guān)系；

②晶體在哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)；

③石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。

2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理（2）

壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場。在無外電場作用時，各個電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零，見圖（a）。

直流電場E剩余極化強度剩余伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理但是，當(dāng)把電壓表接到陶瓷片的兩個電極上進行測量時，卻無法測出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強度。這是因為陶瓷片內(nèi)的極化強度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外界的作用。所以電壓表不能測出陶瓷片內(nèi)的極化程度，如圖。－－－－－

－－－－－

＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極電極極化方向陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力F，如圖，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變（圖中虛線），片內(nèi)的正、負束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變小。因此，原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀(這是一個膨脹過程)，片內(nèi)的正、負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)。

＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

極化方向正壓電效應(yīng)示意圖（實線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）F－＋2.3常用生物醫(yī)學(xué)傳感器測量原理

同樣，若在陶瓷片上加一個與極化方向相同的電場，如圖，由于電場的方向與極化強度的方向相同，所以電場的作用使極化強度增大。這時，陶瓷片內(nèi)的正負束縛電荷之間距離也增大，就是說，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變（圖中虛線）。同理，如果外加電場的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械效應(yīng)或