第3章 医用传感器

丝式
箔式 薄膜式 薄膜型 半导体式 扩散型 PN结极其它形式
（1）金属丝式应变计： 转换转换元件：丝栅状的电阻丝，可以作成V，U，H形状。 V，H型-可以减小“横向效应”误差。
U型-弯头呈半圆型，制造简单，但易产生 “横向效应”误差。
（2）箔式应变计： 敏感栅是通过光刻、腐蚀工艺制成。特点：
线栅尺寸准确、均匀，电阻值离散程度小，可以制成任意形状；
辅助电路
医用传感器（Biomedical Sensors）
医用传感器：把人体的生理信息转换成为与之有确定函
数关系的电信息的变换装置。
人体生理信息有电信息和非电信息两大类，从分布来说 有体内的（如血压等各类压力），也有体表的（如心电 等各类生物电)和体外的(如红外、生物磁等） 医用传感器的设计要求 医用传感器作为传感器的一个重要分支，其设计与应 用必须考虑人体因素的影响，考虑生物信号的特殊性、 复杂性，考虑生物医学传感器的生物相容性、可靠性、 安全性。
3800-3900 （3800） -200-+200 (-200-200) 110-130 (400) ±20 900 (900) 700-7000 700-7000
0.09-0.11 0.45-0.54 1.0-1.1 1.24-1.42 0.941
9 ±20 13.2
高温应变片 最常用 多用于动态 中高温应变 片
二、医用传感器的组成和分类 1、医用传感器的组成 （1）物性性传感器 （2）结构型传感器
医用学传感器的分类
传感器的分类方法多种多样，有按传感器的工作
原理分的，有按输入信息的类型分的，也有按能 量关系或输出信号类型分的。医学测量中往往按 被测信号来分类，如脉搏传感器、呼吸波传感器 等。
电 学 量 参 数
第3章 医用传感器
3.1 概述
传感器是能感受规定的被测量并按照 一定的规律转换成可用输出信号的器 件或装置，它通常由敏感元件、转换 元件和基本转换电路组成。-(GB7665) 传感器的作用：
1、感官作用 2、现代信息技术的基础
按照国家标准对传感器的定义，传感器包括：
输出 被测信息 敏感元件 转换元件 信号调节 转换电路 电信号

（2 2）
电阻相对变化量为：
dR dL d dA （2 3） R L A
l 2r 2(r-dr)
若电阻丝是圆形的， 则A=πr ²,对r 微分 得dA=2πr dr，则：
l+ dl
F
图2-1 金属丝的应变效应
dA 2rdr dr 2 2 A r r
（2 4）
2.1.2 电阻应变片的结构和工作原理
对于一长为L、横截面积为A、电阻率为ρ的金 属丝，其电阻值R为：
L R A （2 1）
如果对电阻丝长度作用均匀应力，则 ρ 、 L 、 A
的变化 (dρ 、 dL 、 dA) 将引起电阻 R 变化 dR ，
dR可通过对上式的全微分求得：
L L dR dL d 2 dA A A A
温度(°C)
温度(°C)
4、半导体应变元件 60年代发展的高应变系数半导体应变元件是
应变式传感技术的重大进展。但有较大的温漂和
非线性。半导体元件能制成粘贴型、非粘贴型和 集成的应变式元件。这些集成器件可用P型或N型 的硅或锗基片作为结构部件，反型材料扩散到基 片里。N型和P型基片应变片具有相反符号的应变 系数。
筒式压力传感器
受张力的电阻丝传感元件和波纹膜片组成的
血管外血压传感器 。
脉象传感器 脉象传感器的脉波
经传感顶子作用于等强
度悬臂梁的自由端，使 之弯曲变形。粘贴在梁 上、下两面的应变片接成全桥或半桥，输出电压 波形反映脉管波动变化波形。其频率上限受悬臂 梁的谐振频率的限制。
水银(或导电液)—橡胶管应变仪
压阻（效应）传感器 压电（效应）传感器
光电（效应）传感器
霍尔（效应）传感器
3.1.3 医用传感器的发展
1、传感器本身的研究和开发 （1）传统传感器通过技术处理方式 （2）新型传感器
2、传感系统的研究和开发
（1）改善传感器技术性能方法
1、差动技术 2、平均技术 3、补偿与修正技术 4、屏蔽、隔离与干扰抑制 5、稳定性处理
阻式传感器，具有灵敏度高、动态响应好、精
度高、易于微型化和集成化等特点，获得广泛 应用，而且是发展非常迅速的一种新的物性型 传感器。它易于批量生产，能够方便地实现微 型化、集成化和智能化。
1、压阻效应 压阻效应——单晶硅材料在受到应力作用后， 其电阻率发生明显变化，这种现象被称为压阻
效应。
对于一条形半导体材料，其电阻相对变化量为
正比关系。 根据应力和应变的关系: 应力 σ=εE，即 σ∝ε，
dR
（2 9）
上式表示金属丝的电阻相对变化与轴向应变成
而 ε∝dR，所以 σ∝dR .
常用的应变电阻材料的特性
应变系数 mI 或 G 电阻温度系数α
R(10 -6 0
电阻率ρ （³ 10 Ω ²mm）
-9
膨胀温度系数 α E(10 / C)
尺寸小（0.2mm），厚度薄（0.003~0.01mm），可饶性好；
蠕变小，疲劳寿命高； 表面积大，散热好，电流通过力大。
（3）薄膜式应变计： 薄膜：<0.1um 厚膜：25um
金属薄膜应变计采用真空溅射或真空沉积等方法制成。 特点：灵敏度高（比丝式高1~2个数量级以上）；具有负 电阻温度系数，稳定性较差。
a）柱式传感器（b）结构
（c）圆柱面展开图(d)桥路连接图
应变式荷重传感器的外形及应 变片的粘贴位置
F
R
4
R1
R 2
荷重传感器原理演示 荷重传 感器上的应 变片在重力 作用下产生 变形。轴向 变短，径向 变长。
电子称的工作过程
电子天平
电子天平的精度 可达十万分之一
2、 应变式压力传感器 应变式压力传感器的测量范围在104～107Pa之间。 常见的结构形式有简式、膜片式和组合式等。 筒式压力传感器见下图，通常用于测量较大的压 力。它的一端为盲孔，另一端为法兰与被测系统联 接。应变片贴于筒的外表面，工作片贴于空心部分， 补偿片贴在实心部分。
（2）新型传感器
1、新型传感器（新原理、仿生） 2、新材料（半导体敏感材料、陶瓷材料、 磁性材料和智能材料等） 3、新工艺 4、集成化、多功能化与智能化
现在传感器的发展方向
1、智能传感器 2、微型化传感器 3、多参数传感器 4、遥控传感器 5、无创检测传感器
第二节 变电阻传感器

d /

d / E
（2） 影响压阻系数的因素
影响压阻系数的因素主要是扩散电阻的表面 杂质浓度和温度。 1.扩散杂质浓度Ns
增加时，压阻系
数就会减小。
表面杂质浓度Ns(1/cm3)
2.压阻系数与温度的关系
为了降低温度影响，扩散电阻表面杂质浓度 高些较好，但扩散表面杂质浓度高时，压阻系数 要降低。
-6 0
/ C)
特点
铂 康铜 Ni45Cu55 镍铬合金 Ni80Gr20 镍铬铝合金 Ni74Gr20Fe3Al3 软管里的水 银 Hg SI (P 型) （N 型） Ge(P 型) (N 型)
4-6 （6） 1.9-2.1 (2.1) 2.1-2.3 (2.5) 2.4-2.6 2 (2) 100-170 -100--140 120 -150
对医用传感器的基本要求
1.传感器本身具有良好的技术性能，如灵敏度、 线性、迟滞、重复性、频率响应范围、信噪比、 温度漂移、零点漂移、灵敏度漂移等。 2. 传感器的形状和结构应与被检测部位的解剖 结构相适应，使用时，对被测组织的损害要小。 3. 传感器对被测对象的影响要小，不会对生理 活动带来负担，不干扰正常生理功能。 4. 传感器要有足够的牢固性，引进到待测部位 时，不致脱落、损坏。
水银(或导电液)—橡胶管应变仪通常在一个
可伸缩的橡胶管中充满导电液体而制成。导电液
R L L 2 2 ( ) 。在应变很小 体积不变，则有 R L L
时，电阻变化与应变成线性关系。可测量心脏、 血管、手足 和胸腔尺寸 腿部血栓、呼吸阻抗 的变化。
二、压阻传感器 利用硅的压阻效应和微电子技术制成的压
１、力和扭矩传感器
柱式测力传感器
（
弹性元件上应变片的粘贴和桥路连接应尽可能的清除 偏心、弯矩影响。一般应变片均匀贴在圆柱表面中间 部分，R1R2、R3R4串联摆放在两对臂内，当有偏心应 力时，一方受拉另一方受压，产生相反变化，可减小 弯矩的影响。 横向粘贴的应变片为温度补偿片，并有提高灵敏度的 作用。
对医用传感器的基本要求
5. 传感器与人体要有足够的电绝缘，以保证人 体安全。； 6.传感器进入人体能适应生物体内的化学作用， 与生物体内的化学成分相容，不易被腐蚀、对 人体无不良刺激，并且无毒。 7. 传感器进入血液中或长期埋于体内，不应引 起血凝。 8. 传感器应操作简单、维护方便，结构上便于 消毒。
dL 令 x — —金属的轴向应变 L dr y — —金属的径向应变 r
由材料力学的知识：在弹性范围内，金 属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩
短，则轴向应变和径向应变的关系为：
εy=-μεx
（2-5）
μ为金属材料的泊松系数。
将（2-4）式、（2-5）代入（2-3）式得：
dR d ( 1 2 ) x R d dR R 或 ( 1 2 )
非电量 应变 电阻应变片 弹性原件
传感器
电阻变化
金属应变片型 半导体扩散型
常见的电阻应变式传感器
广泛应用于－ 各种电子秤
2.1 电阻应变片
应变式传感器的核心元件是电阻应变片，它可将 试件上的应力变化转换成电阻变化。
2.1.1 应变效应
导体或半导体在受到外界力的作用时，产生机 械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形 变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。
机体的各种生物电（心 电、脑电、肌电、神经 元放电等）
生物电电极
生 理 参 数 （ 原 理）
非 电 学 量 参 数
利用材料的物理变化
物理传感器 化学传感器 生物传感器
利用化学反应原理， 把化学成分、浓度转 换成电信号 利用生物活性物质选择 性识别来测定生化物质
电阻式传感器
电容式传感器
电感式传感器
物理传感器
dR d (1 2 ) R
dR 上式也可以近似写成 ： E R
π——压阻系数； σ——应力； E——弹性模量； ε——应变。
上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻 效应。
3、压阻系数 （1） 压阻系数的定义
半导体电阻的相对变化近似等于电阻率的相
对变化，而电阻率的相对变化与应力成正比，二 者的比例系数就是压阻系数。即
常见的几种电阻应变片
半导体应变片
箔式应变片的外形
常 用 应 变 片 的 形 式
金属应变计
四、应变效应的应用
应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、 弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。 第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接 到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用 应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各 种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般 为桥路； 第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到 应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量 。
金属丝 图2-2 金属丝应变片结构
覆盖一层薄膜，使它们变成一个整体。
（二）结构与分类 1、结构
电阻丝-是应变片的转换元件；
基底-将传感器弹性体表面的应变传递到电阻丝栅上的中 间介质并起到电阻丝与弹性体之间绝缘和保护的作用；
黏合剂-将电阻丝与基底粘贴在一起； 引出线-连接测量导线。
2、分类 金属式 应变计
30 2.3 2.3 5.8 5.8
水银-橡胶 管应变仪 半导体应变 片压阻元件 半导体应变 片压阻元件
2.1.3 电阻应变片的分类
金属电阻应变片
半导体电阻应变片 1．金属电阻应变片:丝式、箔式、薄膜式。
(1)金属丝式应变片：4部分,作用
将金属电阻丝
（一般是合金，
引线
覆盖层 基片
电阻率较高，直径
约0.02mm）粘贴在 绝缘基片上，上面
（2 6）
x
x
（2 7）
令 KS
dR
d
x
R ( 1 2 )

x
（2 8）
KS称为金属丝的灵敏系数，表示单位应变
所引起的电阻的相对变化。
对于确定的材料，(1+2μ)项是常数，其数值约在 1~2之间，实验证明dρ/ρ╱εx 也是一个常数。
dR R K S x ，或 K S R x