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1、第一章 绪论1-1 传感器的定义、组成及作用一传感器的定义我国国家标准（GB7765-87）中，对传感器（Transducer/Sensor）的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。包含了以下几方面的意思： 传感器是测量装置，能完成检测任务； 它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。 它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是光、电等物理量，但主要是电物理量； 输出输入有对应关系，且应有一定的精度要求。二传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成，传感器组成框图如图11所示：
2、图11传感器组成框图 敏感元件：是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。 转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。 基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。传感器只完成被测参数至电量的基本转换。 三传感器的作用人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种请况，就需要传感器。传感器是人类五官的延长，是代替人体五种感觉器官（视、听、触、嗅、味）的装置。人体五官功能与传感器功能对比如图12所示。图12人体五官功能与传感器功能对比世界开始进入
3、信息时代，首先要解决的就是获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。传感器技术是现代医学仪器及计算机应用的关键技术。在医学上，传感器的主要用途有： （1）检测生物体信息：医学诊断以及基础研究都需要捡测生物体信息。 （2）监护: 连续测定某些生理参数,监护这些参数是否处于规定的范围内，以便了解病入的复原过程，或在异常时及时报警。 （3）控制：所谓控制，就是利用检测到的生理参数，控制人体的生理过程。1-2 传感器的分类生物医学传感器的分类方法有很多种1按被测量分为： 物理传感器、化学传感器、生物传感器三大类。 1）物理传感器： 用于测量血压、体温、血流量、血粘度、生物
4、组织对辐射的吸收、反射或散射以及生物磁场等。这些被测量都属于物理量，设计传感器时多利用这些非电量的物理效应。 2）化学传感器： 用于测量人体体液中离子的成分或浓度（如Ca+、K+、Na+、）、pH值、氧分压（po2）及葡萄糖浓度等。这些被测量都属于化学量，不过这些被测物质的分子量一般都不太大，利用电化学原理或物理效应可以制成化学传感器。生物电位（如心电、脑电、眼电、肌电等）： 本来属于物理量，但由于测量生物电位时不可避免地使用电极，电极和皮肤或软组织之间的界面是一个半电池。电极是电化学研究的对象，如把测量生物电位的电极也看作是一种传感器，则应将其列入化学传感器。 3)生物传感器： 用于酶、抗原
5、、抗体、激素、脱氧核糖核酸（DNA）等物质的传感。这类物质也属于化学物质，不过它们的分子量较大，分子结构比较复杂，一般的化学传感器很难对它们进行识别。生物传感器的敏感部分具有生物识别功能，有很强的特异性和高度的敏感性，能有选择地与被测物质起作用。生物传感器是具有生物识别能力的化学传感器。2按被测对象分类： 如血压传感器、血氧传感器、温度传感器、心音传感器、脉搏波传感器、呼吸传感器、葡萄糖传感器、基因传感器等。3按工作原理分类： 如电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、光电式传感器、光导纤维式传感器、红外式传感器、热电式传感器、超声波式传感器、半导体式传感器、声表面波传感器、超
6、导传感器等。4按尺寸分类：微型传感器、分子传感器、纳极等5按功能分类：多参数传感器、智能传感器等1-3 开发新传感器的途径一采用新原理 利用新的物理效应、化学效应可研制出新一代传感器。 例如利用约瑟夫逊效应开发的磁场传感器可以检测极微弱的磁场，使超高灵敏度的测量成为现实，可用于超低温中的磁导率测量、生物体磁场的测量等方面。 光纤传感器、声表面波传感器、DNA传感器等已取得很大进展。约瑟夫逊效应（超导隧道效应）： 1962年，剑桥大学研究生约瑟夫逊分析了由极薄绝缘层（厚度约为百万分之一毫米）隔开的两个超导体断面处发生的现象，超导绝缘超导 (SIS)结，称为约瑟夫逊结。通过调节两块超导体间的绝缘层
7、的厚薄，可以使其电压比某一特定值大时才有电流通过，小时则没有电流通过。 约瑟夫逊预言，超导电流可以穿过绝缘层，在薄绝缘层隔开的两种超导材料之间有电流通过，即“电子对”能穿过薄绝缘层（隧道效应）；同时还产生一些特殊的现象：只要超导电流不超过某一临界值，则电流穿过绝缘层时将不产生电压，即电流通过薄绝缘层无需加电压。 这些预言被美国贝尔实验室用试验证实，而这一超导物理现象则被称为“约瑟夫逊效应”。约瑟夫逊效应是超导体的电子学应用的理论基础。 SQUID传感器(超传导量子干涉器件) 脑磁图测量系统的心脏部件就是SQUID传感器系统； 地球的磁场为约0.310-4 T（特拉斯）， 脑生物磁场501000
8、fT (1fT=1015 T ）， SQUID传感器可检测到地球磁场十亿分之一的变化量。最新式的脑磁图测量系统可提供多达275个传感器， 其中的关键技术是SQUIDSQUID传感器是由超导材料铌金属，使用约瑟夫逊隧道效应的技术制作而成。SQUID传感器均匀的分布在底部为头盔型的液氦杜瓦容器内，工作在零下269的超低温液态氦中，其工作温度接近于绝对零度，即零下273.16。 脑磁图传感器均匀紧密地分布在大致成六角形的头盔内表面。头盔和液氦杜瓦容器做成一体。 传感器矩阵列从64个至275个可供选择。浸泡在液态氦中的测量线圈离液氦杜瓦容器头盔外表面的间距小于17毫米。SQUID传感器(超传导量子干涉
9、器件)脑磁图SQUID是基于铌金属合金 超导材料使用约瑟夫隧道连接技术制作而成的。在制作中，采用多次等离子喷镀技术。每块晶片上制作80个SQUID电路，且一次同时加工十块晶片，这样就在技术上保证了制作成的SQUID具有高度的均匀一致性，也就保证了所有信道的特性相同。图中显示了一个SQUID传感器的内部结构的电子显微镜放大图。液氦杜瓦容器头盔形的液氦杜瓦容器是优化低温系统的一部分，并留有放置脑电图电极的空间。为了抗无线电波的干扰，液氦杜瓦真空容器内还安装了抗电磁波干扰的屏蔽层。在杜瓦真空容器内还涂有一层低温吸着材料以维持其真空度。 磁场屏蔽室一般由两层 金属板和一层铝板构成，可同时屏蔽低频和高频
10、的噪声干扰，重约吨。金属层是具有很高磁导率的合金，主要用来屏蔽来自室外的低频噪声(10Hz)。磁场屏蔽室之所以能有屏蔽效能，是因为电磁波穿过电磁屏蔽体时回产生吸收损耗和反射损耗。脑磁图：脑磁图是研究脑磁场信号的脑功能图象技术。一组紧密排列的脑神经元细胞产生的生物电流可看作为一个信号源。由这一电流源产生的生物磁场可穿透脑组织以及颅骨到达头部之外，可用一组探测器阵列来测量分布在头皮表面上的这种磁场以确定脑内信号源的精确位置和强度。 由脑磁图探测到的大脑活动部位可以是由外界激发产生的结果，比如视觉刺激，或者是自发性产生的结果，比如癫痫活动。把握这些活动部位的精确位置对于各种临床诊断，脑外科手术前的手
11、术计划制定，以及脑的基础研究都具有十分重要的意义。 MEG/EEG信号的发生原理 脑磁图主要用于正切磁场的测量，而脑电图则用于径向磁场的测量。脑磁图是测量细胞内的电流，而脑电图则是测量细胞外的电流。 脑磁图为脑功能图像化提供了最为精确的测量系统。 脑电图信号的失真1）由于头部各组织的导电率各不相同的效应，使得脑电图信号在到达头皮表面时会产生失真，从而使得信号源的精确定位很困难或根本不可能。2）而脑磁场信号和各种脑组织的导电率无关，因此脑磁图信号在穿透头皮后不会产生任何失真。脑磁图可用于脑内信号源的精确定位，而且事先没有必要知道头皮，颅骨和脑组织的精确的导电率值。 MEG信号检测对正常人听觉刺激
12、的数据分析： 上图显示了均匀分布在整个头部的143个脑磁图传感器所测到的脑磁场变化曲线。所示曲线为100次数据采样的平均值，所示时间范围约600毫秒。 下图显示了在同一时间坐标轴上所有信道的脑磁场变化曲线的重迭。从此例可以清楚地看出，磁场强度的最大值（100毫微特斯拉）发生在听到刺激声音之后的97毫秒，用红线表示二采用新材料由于材料科学的巨大进步，新的功能材料的开发将导致新型传感器的出现。半导体材料研究的迸步，促进了半导体传感器的迅速发展；压电半导体材料为压电传感器集成化提供了方便；高分子压电薄膜的研制成功，将使机器人的触觉系统更接近人的触觉系统皮肤。 正在研究的精细陶瓷、形状记忆合金等是很有
13、希望的传感器材料，尤其是记忆合金，当它复原时会产生相当大的力，因而有可能作力敏感元件和执行元件的集合体，在自动化系统中显示独特的作用。 在功能材料方面，把酶或活体组织的一部分作为敏感元件很有前途，它对特定的化学物质具有高度的选择性。不仅可测量各种分于量和结构的化学物质，而且有可能测量食品的新鲜度。随着材料科学技术的发展，适用于敏感元件的材料会大量增加，新型传感器将不断地出现。（1）记忆合金：合金的形状被改变后，一但加热到跃变温度，变回原来的形状。例：卫星天线、眼镜架、汽车外壳、血管支架等。（2）纳米技术: 用单个原子、分子制造物质的科学技术，即在单个原子、分子层次上对物质存在的种类、数量和结构
14、形态等进行精确的观测、识别与控制技术的研究与应用。 它将对21世纪的信息技术、生命科学、分子生物学、新材料等具有重大意义。 尺寸小于10纳米的超细微粒可以在血管中自由移动，可以建造多种功能的微型机器人注入人体血管内，进行全身健康检查和治疗，包括疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物等，还可以吞噬病毒，杀死癌细胞。美国已造出了少量的纳米管，纳米管的强度比钢高100倍，重量只有其1/6，纳米管很细很细，5万个纳米管排列起来才只有一根头发丝那么粗。预计它是理想的导体，它的导电性很可能远远超过铜，纳米管最终可以用于纳米级的电子线路。 日本丰田公司用微型部件组装了一辆一粒米那么大的能开动的微型汽车。
15、东京大学自动化工程师创造了硅微型昆虫，能飞行几厘米。 德国美因兹微技术研究所制造了一架只有黄蜂那么大的直升飞机，重量不到0.5克，能升空130毫米，它的目的是要证实制造高性能的一伏微型发动机是可能的。这种发动机只有削尖了的铅笔尖那么大，但转速可达每分钟10万次，最终可用作电子显示器和激光扫描器的驱动器，也许最早的应用将是在微型外科器械方面。三采用新的加工技术采用新的加工技术可以制造出新型传感器，如采用光刻、扩散等方法，可以制造出微型化和集成化传感器，已经制造出能装在注射针上的压力传感器和成分传感器。 采用半导体集成电路制造技术在同一个芯片上同时制造几个传感器或传感器阵列，而且这些传感器输出信号的放大、运算等处理电路也集成在这个芯片上，从而可构成多功能传感器、分布式传感器。7 / 7
