生物医学仪器(第二章)---副本.ppt

第二章第二章 生物电极和医学传感器生物电极和医学传感器l 传感器测量的一般知识传感器测量的一般知识l 生物医学测量电极及分类生物医学测量电极及分类l 常用医学传感器测量原理常用医学传感器测量原理l 生物医学传感器技术的新发展生物医学传感器技术的新发展传感器传感器和和电极电极的性能好坏直接影响到医学仪器的整体性能。的性能好坏直接影响到医学仪器的整体性能。主要内容主要内容包括：2.1 医学传感器测量的一般知识医学传感器测量的一般知识一、定义：一、定义：传感器又称传感器又称换能器换能器，能把反映人体生理信息的，能把反映人体生理信息的物理量物理量或或化学量化学量转换成为与之有确定函数关系的转换成为与之有确定函数关系的电信息电信息的变换装置。的变换装置。电子线路电子线路敏感元件敏感元件转换元件转换元件生物信息生物信息对应电信号对应电信号二、基本组成：二、基本组成：2.1 医学传感器测量的一般知识医学传感器测量的一般知识2.1.1 生物医学传感器的用途和分类生物医学传感器的用途和分类提供诊断信息提供诊断信息人体控制人体控制临床检验临床检验主主要要用用途途2.1 医学传感器测量的一般知识医学传感器测量的一般知识2.1.1 生物医学传感器的用途和分类生物医学传感器的用途和分类生物传感器生物传感器利用生物活性物质利用生物活性物质选择性识别来测定选择性识别来测定生化物质生化物质利用材料的物理变化利用材料的物理变化物理传感器物理传感器传传感感器器一一般般分分类类方方法法利用化学反应原理，利用化学反应原理，把化学成分、浓度转把化学成分、浓度转换成电信号换成电信号化学传感器化学传感器2.1 医学传感器测量的一般知识医学传感器测量的一般知识2.1.1 生物医学传感器的用途和分类生物医学传感器的用途和分类化学、物理性能好化学、物理性能好较高的灵敏度和信噪比较高的灵敏度和信噪比传传感感器器的的性性能能要要求求良好的线性和较高的响应速度良好的线性和较高的响应速度重复性、一致性和选择性好重复性、一致性和选择性好电气安全性好电气安全性好操作性好操作性好2.1 医学传感器测量的一般知识医学传感器测量的一般知识2.1.2 对生物前置放大器的要求对生物前置放大器的要求三高：高输入阻抗、高增益、高共模抑制比；二低：低噪声、低漂移；二保护：人体安全保护电路、放大器输入保护电路；一校准：快速校准电路。2.2 生物医学测量电极生物医学测量电极生物电位电极在整个电流传导过程中起着传感器的作用，把体内的离子电流变成电极和导线中流动的电子电流。2.2.1 生物电位电极生物电位电极金属与溶液间的电位差的大小和符号，取决于金属的种类和原来存在于溶液中的金属离子的浓度等。2.2 生物医学测量电极生物医学测量电极2.2.1 生物电位电极生物电位电极金属与溶液之间界面的电位差称为半电池电位。静态状态时静态状态时细胞膜对细胞膜对K+有特殊的通透性有特殊的通透性,K+从膜内流向膜外从膜内流向膜外,直到直到 达成一种动态的电化学平衡达成一种动态的电化学平衡.当细胞兴奋时当细胞兴奋时细胞膜对细胞膜对Na+的通透性超过对的通透性超过对K+的通透性的通透性,原有的动态原有的动态 平衡被打破平衡被打破,膜外大量的膜外大量的Na+流向膜内流向膜内,形成与静态状态形成与静态状态 完全相反的平衡状态完全相反的平衡状态.2.2 生物医学测量电极生物医学测量电极2.2.1 生物电位电极生物电位电极极化电位：极化电位：当有电流流过电极的电解质溶液时，电极当有电流流过电极的电解质溶液时，电极会产生极化现象并产生极化电压。会产生极化现象并产生极化电压。电极电位电极电位：半电池电位半电池电位与与极化电位极化电位的总和。的总和。跨膜电位跨膜电位：不同电解质溶液之间的界面上或同一电解不同电解质溶液之间的界面上或同一电解质而浓度不同的两个溶液之间的界面上产生的电位。质而浓度不同的两个溶液之间的界面上产生的电位。几个概念：2.2 生物医学测量电极生物医学测量电极2.2.1 生物电位电极生物电位电极极化电位消除：极化电位消除：Ag-AgCl电极电极具有半电池电位稳定、具有半电池电位稳定、极化电压小、噪声低，它是非极化电压，极化电压小、噪声低，它是非极化电压，常用来作为常用来作为生物电位测量电极，特别是用于长期监护电极生物电位测量电极，特别是用于长期监护电极。Ag-AgCl电极缺点：电极缺点：其生成物银对生物组织有毒性，其生成物银对生物组织有毒性，通常通常不适用于作体内长期电极，只能用于体外测量不适用于作体内长期电极，只能用于体外测量。电极特性：2.2 生物医学测量电极生物医学测量电极2.2.1 生物电位电极生物电位电极电极的生物医学测量的等效电路：P31页页 图图2.42.2 生物医学测量电极生物医学测量电极2.2.2 生物电位电极分类生物电位电极分类刺激电极：宏电极刺激电极：宏电极电电极极分分类类检测与刺激电极：心脏起博器检测与刺激电极：心脏起博器检测电极检测电极宏宏电电极极微微电电极极体内电极体内电极皮下电极皮下电极植入电极植入电极体表电极：体表电极：ECG、EEG金属微电极金属微电极玻璃微玻璃微电极电极2.2 生物医学测量电极生物医学测量电极2.2.2 生物电位电极分类生物电位电极分类1.体表电极电极直径：电极直径：0.3cm5cm，通常在，通常在2cm左右。左右。通常，放大器的输入阻抗应比它大100倍以上才能满足要求，一般为1M，5.1M或10M。2.2 生物医学测量电极生物医学测量电极2.2.2 生物电位电极分类生物电位电极分类1.体表电极肢体电极1、应用于心电图机的三种双极导联和三种加压导联；2、尺寸在36cm之间，电极材料：Ag-AgCl。吸杯电极应用于心电图机的六种胸导联。柱形电极1、通常应用于ICU病房长时间记录和动态心电图记录；2、特点：电极内部充有导电膏，用来减少皮肤产生的运动伪劣；3、采用导电膏原因：长时间的监护容易发生电极的滑落和导电膏的干燥；4、要注意的问题：不能用于多汗和湿冷的皮肤；不能放置在有肋骨的区域（应该粘在有肌肉的胸部和腹部）；电极需要在24小时内更换一次。2.2 生物医学测量电极生物医学测量电极2.2.2 生物电位电极分类生物电位电极分类2.体内电极针电极1、应用皮肤之下的组织；2、方法：在斜角或水平于皮肤表面的方向迅速插入。内置电极1、插入身体内部或组织深层的电极；2、方法：沿着静脉血管进入心脏，以测量低幅度、高频率的心室ECG波形。2.2 生物医学测量电极生物医学测量电极2.2.2 生物电位电极分类生物电位电极分类3.脑电电极2.2 生物医学测量电极生物医学测量电极2.2.2 生物电位电极分类生物电位电极分类4.微电极1、是一种超细微电极，用于测量细胞水平上的生物电位；2、种类：大多数为金属微电极和液柱式玻璃电极；3、接触部位尺寸为：12m，具有高阻抗特性。2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2.3.1 电阻式传感器电阻式传感器定义：利用电阻元件把待测量参数转换成电阻阻值变化的一种 传感器，通过测量电阻阻值达到测量被测量参数的目的。1、电位器：最简单的检测位移的传感元件；2、电阻应变计：一个可变值的电阻，电阻的变化与外加机械应变力成比例；3、弹性应变计：利用弹性管内的导电液体的电阻变化构成的应变计。应用：绕于心室以测心室长度变化；绕胸部记录呼吸变化；绕肢体，描记容积变化，以测量周围供血情况。缺点是：线性度较差。2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2.3.2 电容式传感器电容式传感器定义：把位移转换成电容量改变的一种传感器。+dA d、A或或发发生生变变化化时时，都都会会引起电容的变化。引起电容的变化。A极板相对覆盖面积；d极板间距离；r相对介电常数；0 真空介电常数，0 8.85pF/m；电容极板间介质的介电常数。2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2.3.2 电容式传感器电容式传感器变极距型变极距型变面积型变面积型变介质型变介质型传感器类型传感器类型特点：高灵敏度、高精度。2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2.3.2 电容式传感器电容式传感器1 1、变极距变极距变极距变极距d d d d式电容传感器式电容传感器式电容传感器式电容传感器其静态电容量为其静态电容量为其静态电容量为其静态电容量为 当活动极板移动当活动极板移动当活动极板移动当活动极板移动x x后，后，后，后，其电容量为其电容量为其电容量为其电容量为2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2.3.2 电容式传感器电容式传感器1 1、变极距变极距变极距变极距d d d d式电容传感器式电容传感器式电容传感器式电容传感器4 4、一般在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质、一般在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来提高绝缘性，来提高绝缘性，1 1、电容量电容量C C与与x x不是线性关系，只有当不是线性关系，只有当 x xd d时，才时，才可认为是近似线形关系。可认为是近似线形关系。2 2、要提高灵敏度，应减小起始间隙要提高灵敏度，应减小起始间隙d d。3 3、当、当d d过小时，又容易引起击穿。过小时，又容易引起击穿。当当x xd d时时 则则 2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2.3.2 电容式传感器电容式传感器2 2、变面积变面积变面积变面积A A A A式电容传感器式电容传感器式电容传感器式电容传感器（1 1）线位移式）线位移式）线位移式）线位移式当动极板移动当动极板移动当动极板移动当动极板移动l l后，后，后，后，电容的改变量为：电容的改变量为：电容的改变量为：电容的改变量为：其灵敏度为其灵敏度为其灵敏度为其灵敏度为2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2.3.2 电容式传感器电容式传感器2 2、变面积变面积变面积变面积A A A A式电容传感器式电容传感器式电容传感器式电容传感器（2 2）角位移式）角位移式）角位移式）角位移式 当动片有一角位移时，两极板当动片有一角位移时，两极板当动片有一角位移时，两极板当动片有一角位移时，两极板间覆盖面积发生变化，此时电容间覆盖面积发生变化，此时电容间覆盖面积发生变化，此时电容间覆盖面积发生变化，此时电容值为：值为：值为：值为：2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2.3.2 电容式传感器电容式传感器3 3、变介质变介质变介质变介质式电容传感器式电容传感器式电容传感器式电容传感器(a)极板上覆盖有介质极板上覆盖有介质(b)介质可移动介质可移动2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2.3.2 电容式传感器电容式传感器3 3、变介质变介质变介质变介质式电容传感器式电容传感器式电容传感器式电容传感器变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度厚度、液位液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度温度、湿度湿度等。若忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如下图，传感器的电容量与厚度的关系为：x厚度传感器C1C2C3C2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2.3.2 电容式传感器电容式传感器3 3、变介质变介质变介质变介质式电容传感器式电容传感器式电容传感器式电容传感器若忽略边缘效应，单组式平板形线位移传感器如下图，传感器的电容量与被位移的关系为：C1C2C3CC4 a、b、lx:固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度；:两固定极板间的距离；x、0:被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数。l平板形lx2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2.3.2 电容式传感器电容式传感器4 4、电容式传感器的生物医学测量应用电容式传感器的生物医学测量应用电容式传感器的生物医学测量应用电容式传感器的生物医学测量应用C2C1d1d200VC1C3C4C22.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2.3.2 电容式传感器电容式传感器4 4、电容式传感器的生物医学测量应用电容式传感器的生物医学测量应用电容式传感器的生物医学测量应用电容式传感器的生物医学测量应用初始时，当中间极片向上位移x时，2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2.3.3 电感式传感器电感式传感器定义：利用单线圈电感的变化或两个线圈互感变化来测量位移的 一种装置，即将机械位移转换成电压的装置。自感式自感式互感式互感式差动变压器式差动变压器式通常有三种类型通常有三种类型2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2.3.3 电感式传感器电感式传感器1 1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式可变导磁面积型可变导磁面积型差动型差动型原理原理:电磁感应电磁感应由电工知识可知，线圈的自感量等于线圈中通入单位电流所产生的磁链数，即线圈的自感系数为 式中，为磁通（Wb）；I为流过线圈的电流（A），N为线圈匝数。衔铁移动改变磁阻变化电感值变化2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2.3.3 电感式传感器电感式传感器1 1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式根据磁路欧姆定律知：式中，为磁导率；S为磁路截面积；l为磁路总长度。令Rm=l/S为磁路的磁阻，可得线圈的电感量为：2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2.3.3 电感式传感器电感式传感器1 1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式因铁芯和衔铁均为导磁材料，磁阻可忽略不计，则有：式中，A为气隙的等效截面积；0为空气的磁导率。只要被测非电量能够引起空气隙长度或等效截面积发生变化，线圈的电感量就会随之变化。2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2.3.3 电感式传感器电感式传感器2 2 差动变压器的原理差动变压器的原理EwEout16（两次级线圈反相串联，忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容）2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2.3.3 电感式传感器电感式传感器2 2 差动变压器的原理差动变压器的原理16（两次级线圈反相串联，忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容）n衔铁在平衡位置时n活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响,w2a中磁通将大于w2b,使M1M2，n反之n即：当衔铁位移发生变化时，输出电压会随之发生变化2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2.3.4 温度传感器温度传感器热电阻热电阻金属电阻金属电阻医医学学常常用用温温度度传传感感器器热敏电阻热敏电阻PN结测温结测温热电偶热电偶温度升高温度升高金属材料电阻率增大金属材料电阻率增大电阻值增大电阻值增大正温度特性正温度特性负温度系数、正温度系数、临界温度负温度系数、正温度系数、临界温度温度升高温度升高PNPN结正向压降降低结正向压降降低2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理3.3.热电偶热电偶热电效应热电效应 将两种不同材料的导体将两种不同材料的导体A A和和B B串接成一个闭合串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理ABTT0k k玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数，k=1.38*10k=1.38*10-23-23e e电子电荷量，电子电荷量，e=1.6*10e=1.6*10-19-19T T接触处的温度接触处的温度NANA，NBNB分别为导体分别为导体A A和和B B的自由电子密度。的自由电子密度。2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理热电偶测温基本定律热电偶测温基本定律1)1)均质导体定律均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。生热电动势。TT02)中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。热电偶回路的总热电动势。TT0V2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理3)3)参考电极定律参考电极定律 两种导体两种导体A,BA,B分别与参考电极分别与参考电极C C组成热电偶，如组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，果他们所产生的热电动势为已知，A A和和B B两极配对后两极配对后的热电动势可用下式求得：的热电动势可用下式求得：ABTT0=ACTT0CBTT0由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2.3.5 电磁流量传感器电磁流量传感器1、测量原理、测量原理当导体在磁场内移动而切割磁力线时，就会产生感应电动势，当导体在磁场内移动而切割磁力线时，就会产生感应电动势，其大小正比于导体移动速度。其大小正比于导体移动速度。2、医学应用、医学应用能够连续测量血管内血液的瞬时流速和平均流速，若知道血管能够连续测量血管内血液的瞬时流速和平均流速，若知道血管内径就可以很容易换算出流量。内径就可以很容易换算出流量。缺点：有创测量，且要求测量电极必须与血管壁贴合。缺点：有创测量，且要求测量电极必须与血管壁贴合。2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2.3.5 电磁流量传感器电磁流量传感器3、激励法、激励法图中所示为脉冲激励压力放大器的框图，其激励信号是一双相短周期脉冲，由图可见，一个脉冲的宽度为1ms，占整个周期的25。A1直流放大器；直流放大器；A2单单位增益的相减位增益的相减级级；S1S5CMOS电电子开关；子开关；控制控制线线（C）为为高高电电平平时时，开关，开关闭闭合，合，低低电电平平时则时则打开。打开。高电平时，数字表显示最新数据；高电平时，数字表显示最新数据；所有电路的动作由四相时钟控制：激励传感器，并使放大器漂移抵消电路工作；使显示表显示最新数据，而 相随后使数据复原。开关S2和S3、电容C1和放大器A2组成漂移抵消电路 S52.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理S1、S2和和S5打开；打开；S3和和S4闭合闭合 A1出现出现输出电压输出电压 通过通过A2和开关和开关S4对电容器对电容器C2充电，充电，C2上的电荷正比于加到传感器的电压。上的电荷正比于加到传感器的电压。它持续它持续1ms，接着的，接着的3ms传感器断开传感器断开 传感器受激期间：传感器受激期间：相高电平，选通数字表显示出电容器相高电平，选通数字表显示出电容器C2上的电压，以后一直保持；上的电压，以后一直保持；相高电平时，关闭相高电平时，关闭S5，使电容器，使电容器C2放电。放电。说明说明:分析时分析时,暂时不考虑暂时不考虑A1的温漂的温漂3、激励法、激励法2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理开关开关S1和和S2闭合，闭合，其它开关打开其它开关打开 S1将放大器将放大器A1输入短路，输入短路，A1输出的漂移电压将通过输出的漂移电压将通过S2开关对电容器开关对电容器C1充电充电 传感器关断期间：传感器关断期间：考虑考虑A1的温漂的温漂,这时电容器这时电容器C1的输出值即为温漂干扰电的输出值即为温漂干扰电压压3、激励法、激励法2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理在下一周当传感器通时，在下一周当传感器通时，开关开关S1和和S2打开打开而而S3、S4闭合闭合 放大器放大器A1的输出电压代表压力信号的输出电压代表压力信号Vp加上漂移电压加上漂移电压Voo，它加到，它加到A2的反相端；的反相端；而而C1上的电压还保持着漂移电压上的电压还保持着漂移电压Voo值，并加到值，并加到A2的同相端的同相端 这时这时A2的输出电压为：的输出电压为：Vo=-(Vp+Voo)+Voo=-Vp由由A1引起的温漂电压同时加在引起的温漂电压同时加在A2的的两个输入端而抵消两个输入端而抵消,由此可见，漂移由此可见，漂移抵消电路能有效地保持基线稳定，抵消电路能有效地保持基线稳定，甚至当放大器甚至当放大器A1的输入有明显的热的输入有明显的热漂移时也是如此。漂移时也是如此。3、激励法、激励法2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2.3.6 光电传感器光电传感器1、光电效应及其规律、光电效应及其规律在光的照射下，从金属表面释放电子的现象称为光电效应。在光的照射下，从金属表面释放电子的现象称为光电效应。特点：物质在光照下引起其电特性发生变化。特点：物质在光照下引起其电特性发生变化。基本规律：基本规律：（1 1）单位时间内，受光照的金属板释放出来的电子数与）单位时间内，受光照的金属板释放出来的电子数与 入射光的强度成正比。入射光的强度成正比。（2 2）光电子从金属表面逸出时具有一定的动能，最大初）光电子从金属表面逸出时具有一定的动能，最大初 动能与入射光的强度无关。动能与入射光的强度无关。（3 3）光电子从金属表面逸出的最大初动能与入射光的频率光电子从金属表面逸出的最大初动能与入射光的频率 成线性关系。当入射光的频率小于临界频率时，不管成线性关系。当入射光的频率小于临界频率时，不管 入射光的强度多大，都不会产生光电效应。入射光的强度多大，都不会产生光电效应。2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2、光电效应、光电效应光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E=hh普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（s-1）据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2、光电效应、光电效应根据能量守恒定理 式中 m电子质量；v0电子逸出速度。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2、光电效应、光电效应n光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为极限频率或波长限。光线频率低于极限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于极限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于极限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。n当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。n光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理3、光电传感器及其分类、光电传感器及其分类光电传感器：把光信号转换成电信号的传感器，它可光电传感器：把光信号转换成电信号的传感器，它可以直接检测来自人体的光辐射信息，也可以将人体的以直接检测来自人体的光辐射信息，也可以将人体的其他信息转换成光信号。其他信息转换成光信号。光光电电效效应应分分类类外光电效应外光电效应：入射光子与物质中的电子相互：入射光子与物质中的电子相互作用，使电子逸出表面。作用，使电子逸出表面。内光电效应内光电效应：受：受光照物体电导率光照物体电导率发生变化或产生发生变化或产生光电动势。光电动势。光电导效应光电导效应：光敏电阻：光敏电阻光生伏特效应光生伏特效应：光电池光电池光敏二极管光敏二极管光敏三极管光敏三极管半导体位置敏感器件半导体位置敏感器件2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理4 4、光电池、光电池 光光生生伏伏特特效效应应指指半半导导体体材材料料P-NP-N结结受受到到光光照照后后产产生生一一定定方方向向的的电电动动势势的的效效应应。以以可可见见光光作作光光源源的光电池是常用的光生伏特型器件。的光电池是常用的光生伏特型器件。I光P N当光照到当光照到PNPN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，空穴对，在在N N区聚积负电荷，区聚积负电荷，P P区聚积正电荷，这样区聚积正电荷，这样N N区和区和P P区之间出现电位差区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理应用应用204060801000.40.60.81.01.20.2I /%12/m1硒光电池2硅光电池常用的光电池有硅光电池和硒光电池。从光电池的光谱特性曲线可看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理（1）光敏二极管 光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态反向工作状态，如图所示。PN光光敏二极管符号RL PN光敏二极管接线5 5、光敏二极管和光敏三极管、光敏二极管和光敏三极管 2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理 光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反向电流也叫做暗电流 当光照射时，光敏二极管的工作原理与光电池的工作原理很相似。当光不照射时，光敏二极管处于载止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流；受光照射时，受光照射时，PNPN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子电子-空穴对，从而使空穴对，从而使P P区和区和N N区的少数载流子浓度大大增加，因区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，此在外加反向偏压和内电场的作用下，P P区的少数载流子渡越阻区的少数载流子渡越阻挡层进入挡层进入N N区，区，N N区的少数载流子渡越阻挡层进入区的少数载流子渡越阻挡层进入P P区，从而使通区，从而使通过过PNPN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。光敏二极管的光电流I与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理（2）光敏三极管 光敏三极管结构与一般三极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,且集电极电流为光电流的倍。NNPe bc RL E2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理2.3.7 压电式传感器压电式传感器 压电式传感器是以某些电介质的压电式传感器是以某些电介质的压电效应压电效应为基础，在为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。测量。压压电电传传感感元元件件是是力力敏敏感感元元件件，所所以以它它能能测测量量最最终终能能变变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。等。压压电电式式传传感感器器具具有有响响应应频频带带宽宽、灵灵敏敏度度高高、信信噪噪比比大大、结结构构简简单单、工工作作可可靠靠、重重量量轻轻等等优优点点。近近年年来来，由由于于电电子子技技术术的的飞飞速速发发展展，随随着着与与之之配配套套的的二二次次仪仪表表以以及及低低噪噪声声、小小电电容容、高高绝绝缘缘电电阻阻电电缆缆的的出出现现，使使压压电电传传感感器器的的使使用用更更为为方方便便。因因此此，在在工工程程力力学学、生生物物医医学学、石石油油勘勘探探、声声波波测测井井、电电声声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。学等许多技术领域中获得了广泛的应用。2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理1 1、压电效应、压电效应正正压压电电效效应应（顺顺压压电电效效应应）：某某些些电电介介质质，当当沿沿着着一一定定方方向向对对其其施施力力而而使使它它变变形形时时，内内部部就就产产生生极极化化现现象象，同同时时在在它它的的一一定定表表面面上上产产生生电电荷荷，当当外外力力去去掉掉后后，又又重重新新恢恢复复不不带带电电状状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。逆逆压压电电效效应应（电电致致伸伸缩缩效效应应）：当当在在电电介介质质的的极极化化方方向向施施加加电电场场，这这些些电电介介质质就就在在一一定定方方向向上上产产生生机机械械变变形形或或机机械械压压力力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理（1 1）石英晶体的压电效应）石英晶体的压电效应天天然然结结构构石石英英晶晶体体的的理理想想外外形形是是一一个个正正六六面面体体，在在晶晶体体学学中中它它可可用用三三根根互互相相垂垂直直的的轴轴来来表表示示，其其中中纵纵向向轴轴Z ZZ Z称称为为光光轴轴；经经过过正正六六面面体体棱棱线线，并并垂垂直直于于光光轴轴的的X XX X轴轴称称为为电电轴轴；与与X XX X轴轴和和Z ZZ Z轴同时垂直的轴同时垂直的Y YY Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴机械轴。通常把沿电轴通常把沿电轴X XX X方向的力方向的力作用下产生电荷的压电效应作用下产生电荷的压电效应称为称为“纵向压电效应纵向压电效应”，而，而把沿机械轴把沿机械轴Y YY Y方向的力作方向的力作用下产生电荷的压电效应称用下产生电荷的压电效应称为为“横向压电效应横向压电效应”，沿光，沿光轴轴Z ZZ Z方向受力则不产生压方向受力则不产生压电效应。电效应。ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐系标ZYX2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理 石石英英晶晶体体具具有有压压电电效效应应，是是由由其其内内部部结结构构决决定定的的。组组成成石石英英晶晶体体的的硅硅离离子子SiSi4+4+和和氧氧离离子子O O2-2-在在Z Z平平面面投投影影，如如图图(a a)。为为讨讨论论方方便便，将将这这些些硅硅、氧氧离离子子等等效效为为图图(b b)中正六边形排列，图中中正六边形排列，图中“”代表代表SiSi4+4+，“”代表代表2O2O2-2-。(b)(a)+-YXXY硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影+2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理 当当作作用用力力F FX X=0=0时时，正正、负负离离子子（即即SiSi4+4+和和2O2O2-2-）正正好好分分布布在在正正六六边边形形顶顶角角上上，形形成成三三个个互互成成120120夹夹角角的的偶偶极极矩矩P P1 1、P P2 2、P P3 3，如如图图（a a）所所示示。此此时时正正负负电电荷荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即 P P1 1P P2 2P P3 30 0 当当晶晶体体受受到到沿沿X X方方向向的的压压力力（F FX X000在在Y Y、Z Z方向上的分量为方向上的分量为（P P1 1+P P2 2+P P3 3）Y Y=0 =0 （P P1 1+P P2 2+P P3 3）Z Z=0=0由由上上式式看看出出，在在X X轴轴的的正正向向出出现现正正电电荷荷，在在Y Y、Z Z轴轴方方向则不出现电荷。向则不出现电荷。Y+-X(a)FX=0P1P2P3FXXY+FX(b)FX0+-P1P2P32.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理可见，当晶体受到沿可见，当晶体受到沿X X(电轴电轴)方向的力方向的力F FX X作用时，它在作用时，它在X X方向产生正压电效应，方向产生正压电效应，而而Y Y、Z Z方向则不产生压电效应。方向则不产生压电效应。晶晶体体在在Y Y轴轴方方向向力力F FY Y作作用用下下的的情情况况与与F FX X相相似似。当当F FY Y0 0时时，晶晶体体的的形形变变与与图图（b b）相相似似；当当F FY Y0 0时时，则则与与图图（c c）相相似似。由由此此可可见见，晶晶体体在在Y Y（即即机机械械轴轴）方方向向的力的力F FY Y作用下，使它在作用下，使它在X X方向产生正压电效应，在方向产生正压电效应，在Y Y、Z Z方向则不产生压电效应。方向则不产生压电效应。（P P1+P P2+P P3）X0Y+-+FXFXP2P3P1+当晶体受到沿当晶体受到沿X X方向的拉力（方向的拉力（F FX X0 0）作用时，其变化情况如图（）作用时，其变化情况如图（c c）。此时）。此时电极矩的三个分量为电极矩的三个分量为在在X X轴的正向出现负电荷，在轴的正向出现负电荷，在Y Y、Z Z方向则不出现电荷。方向则不出现电荷。2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理 晶晶体体在在Z Z轴轴方方向向力力F FZ Z的的作作用用下下，因因为为晶晶体体沿沿X X方方向向和和沿沿Y Y方方向向所所产产生生的的正正应应变变完完全全相相同同，所所以以，正正、负负电电荷荷中中心心保保持持重重合合，电电偶偶极极矩矩矢矢量量和和等等于于零零。这这就表明，沿就表明，沿Z Z(即光轴即光轴)方向的力方向的力F FZ Z作用下，晶体不产生压电效应。作用下，晶体不产生压电效应。假假设设从从石石英英晶晶体体上上切切下下一一片片平平行行六六面面体体晶晶体体切切片片，使使它它的的晶晶面面分分别别平平行行于于X X、Y Y、Z Z轴轴，如如图图。并并在在垂垂直直X X轴轴方方向向两两面面用用真真空空镀镀膜膜或或沉沉银银法法得得到到电电极面。极面。当晶片受到沿当晶片受到沿X X轴方向的压缩力轴方向的压缩力FxFx作用时，晶片将产生厚度变形，在垂作用时，晶片将产生厚度变形，在垂直于电轴的两表面产生电荷：直于电轴的两表面产生电荷：ZYXbl石英晶体切片t2.3 常用生物医学传感器测量原理常用生物医学传感器测量原理 下下图图表表示示晶晶体体切切片片在在X X轴轴方方向向施施加加压压力力和和拉拉力力时时的的具具体体情情况况。（a)a)表表示示施施加加压压力力时时的的情情况况，石石英英晶晶体体的的X X轴轴正正向向带带正正电电；如如果果作作用用力力F FX X改改为为拉拉力力，则则在在垂直于垂直于X X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反，见图轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反，见图(a a)、(b b)。FXFX+(a)(b)XX 如如果果在在同同一一晶晶片片上上作作用用力力是是沿沿着着机机械械轴轴的的方方向向，其其电电荷荷仍仍在在与与X X轴轴垂垂直直平平面上出现，其极性见图（面上出现，其极性见图（c c）、（）、（d d），），此时电荷的大小为此时电荷的大小为 +(c)(d)FYFYXX2.3 常用生物医学传感器测量原