生物医学传感器电阻.ppt

医用传感器原理及应用生物医学工程系医用传感器基本类型电阻式传感器电容式传感器电感式传感器磁电式传感器压电式传感器热电式传感器光电式传感器电化学传感器生物传感器检测与刺激电极第三章电阻式传感器第一节 电阻式传感器v电阻式传感器：v电阻（应变片）式传感器工作原理：电阻应变效应金属型半导体型金属丝式金属箔式电阻应变效应 导体或半导体材料在外力作用下发生形变时，其电阻值也相应发生变化的物理现象叫电阻应变效应。（应变效应、压阻效应）金属电阻应变效应基本组成结构1.1 金属电阻应变片结构类型丝式应变片短接式箔式应变片箔式常见应变片形式电阻应变片应变片的检查与选择试件表面处理底层处理贴片固化防潮防水应变片的粘贴金属应变片特性几何参数灵敏系数横向效应应变极限机械滞后零漂和蠕变动态特性应变片电阻值最大工作电流温度特性压阻效应半导体材料在机械应力的作用下，使得材料本身的电阻率发生了较大的变化，这种现象 叫做压阻效应。1.2 固态压阻式传感器金属材料：电阻率的变化由式中前两项引起。半导体：电阻率的变化由式中最后一项d/引 起，前两项很小，可忽略不计。半导体价带导带禁带宽度v压阻元件F体型半导体应变片F扩散式半导体应变片F薄膜型半导体应变片体型半导体应变片 体型半导体应变片是采用 P 型或 N 型硅材料按其压阻效应最强的方向切割成厚度为0.020.05mm，宽度为0.20.5mm，长度为几个毫米的薄片，然后用底基、覆盖层、引出线将其组合成应变片。扩散式半导体应变片是随着近代半导体工艺发展出现的新型元件。如将P型半导体扩散到N型硅基底上，形成一层极薄的导电P型层线条，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。这是一种应用很广的半导体应变片。通常称为压敏电阻片。扩散式半导体应变片薄膜型半导体应变片 薄膜型半导体应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成。扩散电阻硅杯式固体压力传感器结构示意图扩散电阻Si_n扩散电阻Si_n 测量电路v惠斯登直流电桥电路电桥平衡：R1R4=R2R3桥电路半桥电路全桥电路传感器测量电路Z恒压源Z恒流源应变式传感器典型接口电路v压阻式传感器应用示例电源电压输出信号R1R4R3R2实验电路实验电路压力传感器电子称原理:将物品重量通过悬臂梁转化结构变形，再通过应变片转化 为电量输出。46 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。桥梁固有频率测量医学应用之一 血压测量箔式压力传感器的膜片 图中1为金属膜片，2、3、4、5分别为四组金属电阻应变箔的栅丝。6、6、7、7为 4 个很宽的引线片，它们的面积很宽，引线片部分的电阻值十分小。这样的应变片常称为“应变花”，它与金属膜片粘贴在一起，四组应变箔被连接成一个完整的四臂电桥。51 图中1为金属膜片，2、3、4、5为箔式应变片，它们按一定的位置粘贴在膜片l上。圆形压力膜片上的应变片的粘贴位置是一个很重要的问题。52圆膜片的周边如果按图中所示的方法作刚性固定时，膜片受到来自一侧的血压均匀作用将会发生弯曲变形，则膜片另一侧不同的点上所出现的应变分布状态如图中的曲线r 和所示。r 为径向应变曲线，是在膜片的平面内沿半径方向 的应变；为切向应变曲线，是在膜片的平面内以中心点为 圆心的同心圆的切线方向的应变。53 膜片式压力传感器中，应变片贴在膜片内壁，在压力P 作用下，膜片上任一点产生径向应变r 和切向应变 ，表达式分别为（3-11）式中：P 单位面积上的压力;膜片材料的泊松系数 y 膜片材料的杨氏模量;h 膜片的厚度 R 膜片的半径;x 膜片中心到应变计算点的距离。54在膜片的中心（x=0)，径向应变和切向应变都达到了最大值，rmax=tmax 即55在膜片的边缘，在膜片的边缘，即当即当x=R 时，时，=0，r=-2rmax 在半径 处的 r=0 因此将一片应变片贴在靠近中心的正应变区，另一片贴在靠近边缘的负应变区，当压力作用于膜片一侧时，两片应变片的应变将向着相反的方向变化，将它们组合在电桥中就可以得到更大的信号。56 在下图A、B两种情况下，应变片的粘贴部位都考虑了上述原理。在图 A 中周边的辐射状的栅箔承受负的径向应变；中部圈弧状的栅箱则受到了较大的正切向应变。在图 B 中，3、4应变片承受了较大的正切向 应变，而2、5 应变片承受了较大的负径向应变。可见，这两种设计中都考虑了最有利的测量条件。A B 57导管端部传感器液体耦合式血压传感器 扩散硅膜片是用半导体工艺制成的，可做得极小，装在7号和9号导管的管内，膜片直径小于1 mm。目前已有把扩散硅膜片装入注射针头内的传感器，它可以用来插入血管内直接测量血压，也可测量胆道压力。如图为心导管式压阻传感器的结构图。在心导管端部装有扩散型压阻传感器，扩散膜片装在金属支座上，导线由导管引出，在导管的侧面开一小孔，在小孔上涂有硅橡胶膜，此膜既起传递心内压力的作用，又起封闭作用。可见，心内压力是通过硅橡胶膜传递给硅膜片而引起扩散电阻变化的。导管外径小于2mm，导管是通过静脉导入心脏内的。医学应用之二 脉搏测量扩散硅型脉搏计的核心为一扩散硅膜片，硅膜片上扩散有4个接成全桥的电阻，引线由导线管引出，脉搏计的室内充有硅油，以传递由硅橡胶膜感受到的压力变化压阻效应引起力敏电阻的变化经测量电路产生输出。医学应用之三 呼吸测量