醫用傳感器原理及應用生物醫學工程系傳感器定義、組成、作用、分類、特點傳感器根本特性靜態特性〔靜態特性指標〕動態特性零階、一階和二階傳感器的數學模型和動態特性傳遞函數零階、一階和二階傳感器的動態響應正弦響應階躍響應醫用傳感器根本類型電阻式傳感器電容式傳感器電感式傳感器磁電式傳感器壓電式傳感器熱電式傳感器光電式傳感器電化學傳感器生物傳感器檢測與刺激電極第三章

電阻式傳感器第一節電阻式傳感器電阻式傳感器：

電阻〔應變片〕式傳感器工作原理：電阻應變效應金屬型半導體型金屬絲式金屬箔式電阻應變效應導體或半導體材料在外力作用下發生形變時，其電阻值也相應發生變化的物理現象叫電阻應變效應。〔應變效應、壓阻效應〕金屬電阻應變效應根本組成結構1.1金屬電阻應變片結構類型絲式應變片短接式箔式應變片箔式常見應變片形式電阻應變片應變片的檢查與選擇試件外表處理底層處理貼片固化防潮防水應變片的粘貼金屬應變片特性幾何參數靈敏系數橫向效應應變極限機械滯后零漂和蠕變動態特性應變片電阻值最大工作電流溫度特性壓阻效應半導體材料在機械應力的作用下，使得材料本身的電阻率發生了較大的變化，這種現象叫做壓阻效應。1.2固態壓阻式傳感器金屬材料：電阻率的變化由式中前兩項引起。半導體：電阻率的變化由式中最后一項dρ/ρ引

起，前兩項很小，可忽略不計。半導體價帶導帶禁帶寬度壓阻元件體型半導體應變片擴散式半導體應變片薄膜型半導體應變片體型半導體應變片

體型半導體應變片是采用P型或N型硅材料按其壓阻效應最強的方向切割成厚度為0.02~0.05mm，寬度為0.2~0.5mm，長度為幾個毫米的薄片，然后用底基、覆蓋層、引出線將其組合成應變片。擴散式半導體應變片是隨著近代半導體工藝開展出現的新型元件。如將P型半導體擴散到N型硅基底上，形成一層極薄的導電P型層線條，再通過超聲波和熱壓焊法接上引出線就形成了擴散型半導體應變片。這是一種應用很廣的半導體應變片。通常稱為壓敏電阻片。擴散式半導體應變片薄膜型半導體應變片薄膜型半導體應變片是利用真空沉積技術將半導體材料沉積在帶有絕緣層的試件上而制成。擴散電阻硅杯式固體壓力傳感器結構示意圖擴散電阻Si_n擴散電阻Si_n

測量電路惠斯登直流電橋電路電橋平衡：R1R4=R2R3?橋電路半橋電路全橋電路誤差及補償零位誤差與補償〔調零〕串聯平衡并聯平衡溫度誤差與補償應變片自補償橋路補償非線性誤差與補償差動電橋傳感器測量電路恒壓源恒流源應變式傳感器典型接口電路壓阻式傳感器應用例如電源電壓輸出信號R1R4R3R2實驗電路壓力傳感器電子稱原理:將物品重量通過懸臂梁轉化結構變形，再通過應變片轉化

為電量輸出。46

荷重傳感器上的應變片在重力作用下產生變形。軸向變短，徑向變長。

橋梁固有頻率測量醫學應用之一

——血壓測量箔式壓力傳感器的膜片圖中1為金屬膜片，2、3、4、5分別為四組金屬電阻應變箔的柵絲。6、6′、7、7′為4個很寬的引線片，它們的面積很寬，引線片局部的電阻值十分小。這樣的應變片常稱為“應變花〞，它與金屬膜片粘貼在一起，四組應變箔被連接成一個完整的四臂電橋。51

圖中1為金屬膜片，2、3、4、5為箔式應變片，它們按一定的位置粘貼在膜片l上。

圓形壓力膜片上的應變片的粘貼位置是一個很重要的問題。52圓膜片的周邊如果按圖中所示的方法作剛性固定時，膜片受到來自一側的血壓均勻作用將會發生彎曲變形，那么膜片另一側不同的點上所出現的應變分布狀態如圖中的曲線εr和ετ所示。

εr為徑向應變曲線，是在膜片的平面內沿半徑方向的應變；ετ為切向應變曲線，是在膜片的平面內以中心點為圓心的同心圓的切線方向的應變。53

膜片式壓力傳感器中，應變片貼在膜片內壁，在壓力P作用下，膜片上任一點產生徑向應變εr和切向應變ετ

，表達式分別為

〔3-11〕式中：P—單位面積上的壓力;

μ—膜片材料的泊松系數

y—膜片材料的楊氏模量;h—膜片的厚度

R—膜片的半徑;x—膜片中心到應變計算點的距離。54在膜片的中心〔x=0)，徑向應變和切向應變都到達了最大值，εrmax=εtmax即55在膜片的邊緣，即當x=R

時，

ετ=0，εr=-2εrmax

在半徑

處的εr=0

因此將一片應變片貼在靠近中心的正應變區，另一片貼在靠近邊緣的負應變區，當壓力作用于膜片一側時，兩片應變片的應變將向著相反的方向變化，將它們組合在電橋中就可以得到更大的信號。56在以下圖A、B兩種情況下，應變片的粘貼部位都考慮了上述原理。在圖A中周邊的輻射狀的柵箔承受負的徑向應變；中部圈弧狀的柵箱那么受到了較大的正切向應變。在圖B中，3、4應變片承受了較大的正切向應變，而2、5應變片承受了較大的負徑向應變。可見，這兩種設計中都考慮了最有利的測量條件。AB57導管端部傳感器液體耦合式血壓傳感器

擴散硅膜片是用半導體工藝制成的，可做得極小，裝在7號和9號導管的管內，膜片直徑小于1mm。目前已有把擴散硅膜片裝入注射針頭內的傳感器，它可以用來插入血管內直接測量血壓，也可測量膽道壓力。

如圖為心導管式壓阻傳感器的結構圖。在心導管端部裝有擴散型壓阻傳感器，擴散膜片裝在金屬支座上，導線由導管引出，在導管的側面開一小孔，在小孔上涂有硅橡膠膜，此膜既起傳遞心內壓力的作用，又起封閉作用。可見，心內壓力是通過硅橡膠膜傳遞給硅膜片而引起擴散電阻變化的。導管外徑小于2mm，導管是通過靜脈導入心臟內的。醫學應用之二