生物医学传感器全解

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2.4.5 常用敏感元件的形式及原理
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关于上表中几种效应的解释
压磁效应：①材料受压力时，作用力方向磁导率μ减小，作
用力垂直方向，μ略有增大。受拉力时，效果相反； ②作用力取消后，磁导率复原。
压电效应:某些电介后物质在一定方向上受外力作用，内部
产生极化现象，表面产生电荷，外力去掉重回到不带电状 态。 机械能→电能。
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(1)．元素半导体 1）．单晶硅 目前的固态传感器大部分是用单晶硅材料制造，因为单 晶硅具有优良的机械、物理特性，材质纯，内耗低，功耗 小。单晶硅的机械品质因数很高，滞后和蠕变极小，几乎 为零，机械稳定性好。 单晶硅又是半导体材料，具有优良的电学性质．其压阻 效应取决于晶向。 单晶硅的应变灵敏系数比金属的高1—2个数量级。 单晶硅传感器的制造工艺与硅集成电路工艺有很好的兼 容性。硅传感器与调理电路单片集成可实现微型化、低功 耗，并有利于提高传感器的一致性、可靠性和快响应。
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2.弹性后效： 当载荷改变后，在一定时间间隔逐渐完成变形的现象。 如图2.29所示。
弹性后效现象使弹性敏感元 件的变形始终不能迅速跟随 作用力的改变而改变，造成 测量误差，尤其在动态测量 中影响较大。
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2.4.3.固有振动频率: 由振动质量和材料刚度综合表征的弹性元件特征。决定弹 性元件的动态特性和变换被测参数的滞后作用，希望 f 0 （或 0 ）高。
因为
k 0 me
1 f0 2
k me
k — 弹簧刚度 me — 等效振动质量
提高灵敏度K ，会使线性变差，固有振动频率0 、f 0 ↓。
所以 提高 0 、 f 0 ↑，灵敏度K会降低，需综合考虑。
K
1 k
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4.固有频率与弹性元件的变形dx以及材料性能的关系
m S l
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2）．多晶硅 多晶硅是许多单晶（晶粒）的聚合物，这些晶粒的排列是 无序的。不同晶粒有不同的单晶取向，而每一晶粒内都具 有单晶的特征。 晶粒大小对压阻效应也有一定形响，晶粒越大，压阻效应 越大，即应变灵敏系数越大（单晶情况下为最大）。 多晶硅压阻膜与单晶硅压阻膜相比，其优点是可在不同衬 底材料上制作。如金属材料衬底，而制备过程与常规半导 体工艺相容，且无PN结隔离问题，因而有良好的温度稳 定性。多晶硅压阻膜的应变灵敏系数虽比单晶硅膜低．但 仍比金属高一个数量级。用多晶硅压阻膜可有效抑制传感 器的温漂，是制造低温漂传感器的好材料。
三种形式： ①力变换弹性元件：如图2-30所示
轴状元件：优点：工艺性好； 缺点：位移量小，灵敏度受限
0.29 E l l 空心圆筒：优点：灵敏度高 f0
输入
－－→
输出
应变—各种应变传感器
位移—电感、电容式、电阻式等传感器
圆环： 优点：灵敏度高，输出位移大，测量力小； 缺点：工艺性差，应力不等，尺寸小。 悬臂梁：优点：灵敏度高，输出位移大
f0 0.162h l2 E l
变截面梁 ：
f0
0.316h 2 lx
E l
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②压力变换弹性元件：如图3-31所示 弹簧管：高压测量
薄壁圆筒：均匀应力，热惯性小。 ③力或应力弹性变换元件：如图3-32所示 平面膜片：适于大量程
f0
0.492h r2
E l
波纹膜片：适于小量程，灵敏度高
波纹管： 灵敏度最高 （相当于串联系统）
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§2-3传感器敏感材料
2.3.1．半导体敏感材料 半导体材料按化学组成可分为元素半导体、化合 物半导体、有机半导体等。 半导体内载流子浓度可在很宽范围内变化。根据 这种变化能控制其电阻阻值，这是半导体的最大 特征。外部对半导体的作用能改变半导体内电子 的运动状态和数目，故外部作用的大小可转换成 电信号。半导体的这种电子特征，就是半导体敏 感元件的特征基础。
dx K dF
并联时，系统的灵敏度为： 串联时，系统的灵敏度为：
K
1

i 1
n
1 Ki
K Ki
i 1
n
灵敏度低，刚度大
灵敏度高，刚度小
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2.4.2 弹性滞后和弹性后效
(1).弹性滞后： 弹性特性曲线的加载曲线与去载曲线不重合的现象。 如图2.28所示。
滞后误差：弹性变形之差，直 接产生测量误差。
S —截面积，l —长度，
—密度
dx 弹性元件相对变形： ， 式中 l E
E E—弹性摸数， —应力，∴ dx l
2 dx l 2
1 E dx dx l l
f0
1 2
k 1 m 2 1 E dx
2
dF / dx 1 Sl 2
热电效应（塞见克效应）：
两种不同导体组成闭合回路，如两接点温度不同，回路中 会产生电动势，有电流流过。
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关于上表中几种效应的解释
光电导效应： 光照射到大多数高电阻率半导体材料，电子吸收 光能过渡到自由状态，引起该材料电阻率下降 而易于导电的现象。如光敏电阻。 光生伏特效应（内光电效应）： 在光照射下，结面产生光生电动势。如光电池、 光电二极管、光电三极管。
S dx 1 Sl 2
2

1 2 dx E
最后可得：
f 0 dx
2 E
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可知弹性元件 f 0 dx 的乘积对于特定材料是有一个极限值的， 达到许 用应力时，dx大，f 0就只能小，反之亦然。
2.4.4.弹性敏感元件的形式及其应用范围
力、压力 －－→
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2.4.1.弹性特性：
作用在弹性元件上的外力与其相应变形间的关系。如图 (1).刚度： 弹性元件受外力作用下变形大小 的量度。 dF k dx
F —作用外力
X —变形
弹性特性曲线上某点切线水平线 夹角的正切为该点的刚度。
k tg dF dx
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(2).灵敏度：
单位力产生变形的大小，是刚度的倒数。
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弹性敏感元件
作用： 把物理量转换为电量，是传感器中 的主要元件。 必备两个基本功能： ①敏感被测量（物理量、化学量） ②对应产生输出量（电量）
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弹性敏感元件的作用：
弹性元件的两种类型：
①弹性敏感元件：感受力、压力、力矩等－→变换 为元件本身的应变、位移等； ②弹性支承：起支承导向作用，不作为测量敏 感元件。