1氣流傳感器和溫度傳感器在對(duì)新生嬰幼兒呼吸狀況的檢測(cè)作者：QuanboZoua,ZhenfengWanga,RongmingLina,JiangtoPangb,ZhiminTanb,XinQianb,LitianLiub,ZhijianLib摘要本文講述的是新生嬰幼兒呼吸狀況的檢測(cè)系統(tǒng)的，此系統(tǒng)主要用來檢測(cè)未成年兒童的呼吸狀況。系統(tǒng)包括了兩種微型高性能指標(biāo)傳感器（濕度傳感器和氣流傳感器）和MCS51單片機(jī)。系統(tǒng)能夠檢測(cè)到濕度，并將濕度值顯示出來，也能檢測(cè)到嬰兒的呼吸率，并帶有為用戶設(shè)置的報(bào)警裝置。關(guān)鍵字：氣流傳感器,濕度傳感器,新生,呼吸狀況的檢測(cè)1.緒論由于新生嬰兒的呼吸缺乏穩(wěn)定性、可靠性，并且對(duì)應(yīng)用的傳感器有微型性的要求，使得檢測(cè)新生嬰幼兒呼吸狀況總是具有很大的困難和挑戰(zhàn)。最新設(shè)計(jì)的呼吸檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用了一些高性能的微型傳感器（濕度傳感器和氣流傳感器）和單處機(jī)處理器。在本文中我們描述了這些傳感器、接口電路和處理器。新生嬰幼兒呼吸狀況的檢測(cè)系統(tǒng)將給醫(yī)生和護(hù)士提供一些必要的診斷和冶療信息。濕度傳感器和氣流傳感器已經(jīng)在美國辛辛那提大學(xué)的微電子傳感器和微機(jī)構(gòu)研究中心設(shè)計(jì)并構(gòu)建出來了。這些傳感器可以達(dá)到非常小的體積，非常適合于直接插進(jìn)檢測(cè)呼吸中的器官切開技術(shù)試管中，此項(xiàng)研究的先進(jìn)性在于它采用了更簡(jiǎn)單、便宜并具有智能化的設(shè)備。也為檢測(cè)嬰幼兒呼吸狀況開啟了新的研究方法。因此進(jìn)一步改善了兒科醫(yī)學(xué)的診斷程序。2.對(duì)傳感器的描述我們選擇了Schubert和Nevin的聚酰亞胺容性濕度傳感器來進(jìn)行濕度檢測(cè)。對(duì)應(yīng)不同的濕度，這種傳感器的電容量是不同的。這種傳感器的初始直徑約為1.82.2mm。這種傳感器由一片硅片構(gòu)成。它的工作原理在吸附水上的聚酰亞胺薄膜電容的電介質(zhì)常數(shù)的變化，如圖1所示。我們可以看到，電極是一些同心圓（它有15m寬度的線條和10m的間距）,這些同心圓是暴露在空氣中的，并和一個(gè)大的聯(lián)合襯墊構(gòu)成通路，底部的電極是一個(gè)平坦的金屬薄膜，這種特殊的結(jié)構(gòu)能夠快速的吸收水并蒸發(fā)薄膜上的大部分水蒸氣，適合于吸收傳感器表面的每個(gè)區(qū)域的水。給出2Looyenga的半理想混合介質(zhì)常數(shù)公式：33/113/122v這里1和2分別是聚酰亞胺和水的介質(zhì)常數(shù)，V2是部分水的介質(zhì)常數(shù)。計(jì)算機(jī)仿真后，（考慮到幾何結(jié)構(gòu)，給1和2分別賦值，1=2.9、2=80并參照合適的理想常數(shù)）這種設(shè)備對(duì)于不同的溫度電容表達(dá)式CH=(0.278X1.275+3.533)3這里X為相對(duì)濕度。在圖2中畫出了它的立體曲線。圖上的點(diǎn)是測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以看出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理想曲線是相一致的。位于相對(duì)濕度為100%處的三個(gè)點(diǎn)說明濃縮水的聚酰亞胺的影響已達(dá)到了飽和。幸運(yùn)的是，一個(gè)嬰兒呼吸的空氣濕度的范圍為70%到95%。這種設(shè)備具有良好的濕度穩(wěn)定性。Sacher和Susho曾報(bào)道過各種聚酰亞胺對(duì)呼吸水的濃縮是獨(dú)立于溫度和厚度的。Schubert和Nevin已經(jīng)發(fā)現(xiàn)聚酰亞胺的介質(zhì)常數(shù)在50180的溫度范圍內(nèi)是不依賴于溫度的。傳感器的響應(yīng)時(shí)間在30s以內(nèi)（吸收水份的時(shí)間約為6S，蒸發(fā)水份的時(shí)間比較長(zhǎng)）。考慮到所吸收空氣水分的范圍非常小，響應(yīng)時(shí)間的影響是可以忽略不計(jì)的。用到的另一種設(shè)備是微型單臂橋氣流傳感器如圖3所示。它基本上是單片硅片上的集成導(dǎo)線微型機(jī)構(gòu)。它的活躍元素被提供的電壓（或當(dāng)前的電源）加熱到超過周圍溫度。這種橋電路是對(duì)稱的。在原理上，對(duì)周圍的任何溫度余數(shù)值應(yīng)是平衡的，然而，橋周圍的氣流對(duì)橋臂進(jìn)行冷卻，這些臂和氣流是正交的。這時(shí)，把橋設(shè)置成不恒定，并對(duì)應(yīng)于氣流的流速給出一個(gè)輸出電壓。為了當(dāng)橋臂被流過的液氖流冷卻時(shí)，增加電阻的變化率，應(yīng)用了一種高度混合物，代替了普通的半導(dǎo)體中的輕度混合物。我們知道，對(duì)于普通的輕度混合物，主要影響電阻溫度常數(shù)的因素是載波遷移率。古典上它主要按著溫度的3/2次幕指數(shù)進(jìn)行變化，橋臂電阻R可以表示為RCT3/2。這里C是比例常數(shù)。顯然，電阻的濕度系數(shù)非常小，因此對(duì)氣流的敏感度也小，對(duì)電阻濕度小的問題的解決是用高度混合物。這里高度混合物不包含離子化的指數(shù)模式進(jìn)行變化。（就像輕度混合物在液氖溫度中一樣）于是，我們得到：R=BT-3/2EXP(-E/KT)。這里B是比例常數(shù)，E是輕度混合物的特征活躍能量，K是Boltzmann常數(shù)。在公式當(dāng)中，T3/2項(xiàng)和指數(shù)項(xiàng)比較起來，是可以忽略不計(jì)的。這樣就可以提高100000%濕度敏感度。磷金合金常常被用作高度混合物。熱量短暫?jiǎn)栴}是通過把具有金涂料的電阻加以相互獨(dú)立和用化學(xué)的方法在橋臂周圍蝕刻各向異性的硅材料來解決的。為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，通過在晶片的背面蝕刻各向3異性的薄膜來減少橋材料。最后，氣流傳感器的響應(yīng)時(shí)間可以降到微秒級(jí)范圍內(nèi)。圖4畫出了一個(gè)橋臂（蝕刻0.25mm厚的硅晶片）在不同驅(qū)動(dòng)電源下的響應(yīng)。它的靈敏度和線性度都是非常好的，適合于對(duì)嬰兒的呼吸檢測(cè)。3.對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的描述上面描述的兩種傳感器由于它們獨(dú)特的特性：體積小、溫度穩(wěn)定性高和容易保持，很適合應(yīng)用于嬰兒的呼吸檢測(cè)系統(tǒng)。為了檢測(cè)呼吸氣體的濕度，把濕度傳感器放在一個(gè)振蕩器中（用的是555定時(shí)器）輸出頻率相對(duì)于傳感器的相對(duì)濕度。校驗(yàn)了的濕度計(jì)具有3%的精確度，這很好的達(dá)到了我們的目的。氣流傳感器被濾波電路和整形電路進(jìn)行處理（為了消除不寬于1ms的脈沖寬度的偏移）。被處理了的信號(hào)是和輸入相對(duì)應(yīng)的。單片機(jī)能夠記錄呼吸的濕度和呼吸率。當(dāng)呼吸超過允許的范圍時(shí)，它可以報(bào)警。這樣，就可以讓醫(yī)生和護(hù)士們知道嬰兒實(shí)際的呼吸狀況（太快或太慢，太干或太濕，危險(xiǎn)趨勢(shì)和另外一些緊急狀況）通過詢問兒科醫(yī)師，一系列危急參數(shù)已被公式化出來，并且存儲(chǔ)于中央處理器中。這數(shù)參數(shù)包括正常的呼吸率，對(duì)沒有呼吸、太快、太慢的呼吸進(jìn)行報(bào)警，還有濕度范圍。這些系統(tǒng)也適用于給其它的狀況進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警點(diǎn)可以人為設(shè)置來滿足個(gè)人需要和醫(yī)師們的喜好。圖5畫出了檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。主要的設(shè)備是一片MCS51單片機(jī)。它可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，危急值設(shè)定、比較、報(bào)警和顯示。一個(gè)彩色的陰極發(fā)射線試管檢測(cè)器用于以形象的圖表形式實(shí)時(shí)顯示實(shí)際的濕度變化和呼吸率相關(guān)數(shù)據(jù)和危急報(bào)警顯示如：太快、太慢、太濕、太干、從慢到快和從快到慢。所有不同的危急信號(hào)都伴有不同的報(bào)警聲音。嬰兒正常的呼吸率約為每分鐘44次。4.結(jié)論我們已經(jīng)介紹了一種價(jià)格便宜、體積微小且具有智能化的系統(tǒng)。醫(yī)生和護(hù)士可以把它當(dāng)成診斷病情的顧問。系統(tǒng)用到了兩種傳感器。一個(gè)聚酰亞胺基傳感器和一個(gè)氣流傳感器。系統(tǒng)多項(xiàng)功能如：呼吸率、濕度值顯示、越限報(bào)警顯示、危急趨勢(shì)報(bào)警顯示等都基本上滿足了診斷新生嬰兒的要求。尤其為用用戶設(shè)計(jì)的個(gè)人手動(dòng)設(shè)置報(bào)警功能對(duì)醫(yī)學(xué)實(shí)踐是非常有用的。致謝作者感謝H.T.Henderson和J.H.Nevin教授在作者設(shè)計(jì)此系統(tǒng)和準(zhǔn)備階4段所給予的幫助和鼓勵(lì)。溫度測(cè)量1.概論溫度可能是最廣泛應(yīng)用的物理量。Galile因1595年發(fā)明了第一個(gè)溫度計(jì)而給予很高的榮譽(yù)。好多年過去了，技術(shù)得到了提高?，F(xiàn)在市場(chǎng)上有很多高精度和高可靠性的溫度計(jì)。新的測(cè)量原理出現(xiàn)了，現(xiàn)在的原理也在得到不斷的提高。這部分，給出了一些選擇合適溫度測(cè)量設(shè)備的基本知識(shí)。然而，選擇儀器對(duì)使用者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行考慮是必要的。在過程應(yīng)用中，典型的溫度測(cè)量系統(tǒng)包含了熱電偶套管，測(cè)量物體，一些補(bǔ)償線和一個(gè)溫度變送器（當(dāng)?shù)鼗蜻h(yuǎn)程）。溫度測(cè)量物通常有一個(gè)彈簧機(jī)構(gòu)，以確保測(cè)量物體的尖部和筒的內(nèi)底得到確切的連接。2.安裝好了的系統(tǒng)一個(gè)安裝好了的系統(tǒng)包含了一些金屬物體。有：一個(gè)球狀物，小直徑試管（被認(rèn)為是毛細(xì)的）和一個(gè)Bourdon彈簧。一個(gè)指示器連接在Bourdon試管上用于指示溫度，它常常用風(fēng)箱和薄膜來代替。此系統(tǒng)填充了液體或氣體。隨著球狀物測(cè)得的溫度的升高或降低，這些氣體或液體會(huì)膨脹或收縮，這種膨脹或收縮轉(zhuǎn)變成了機(jī)械移動(dòng)，液體引起了體積改變，氣體引起了壓力改變。應(yīng)用這種類型的溫度測(cè)量常用于當(dāng)?shù)販囟戎甘?。多年過去了，它的應(yīng)用已降低了，但現(xiàn)在仍舊有些應(yīng)用。這種設(shè)備是充液管式溫度計(jì)改善來的。不需要給它提供能量。簡(jiǎn)單，堅(jiān)固，是自封裝的。并且在很窄的溫度范圍內(nèi)是準(zhǔn)確的。但是球體太大了，以至于不能適合現(xiàn)在的應(yīng)用。一旦小球不能工作后，整個(gè)系統(tǒng)必須重新改換（這是昂貴的）。而且毛細(xì)試管被限制在250共英尺內(nèi)（80米），此系統(tǒng)整體來說響應(yīng)慢，