生物医学传感器电阻

医用传感器原理及应用生物医学工程系传感器定义、组成、作用、分类、特点传感器根本特性静态特性〔静态特性指标〕动态特性零阶、一阶和二阶传感器的数学模型和动态特性传递函数零阶、一阶和二阶传感器的动态响应正弦响应阶跃响应医用传感器根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电阻式传感器：

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〕金属电阻应变效应根本组成结构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外表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dρ/ρ引

起，前两项很小，可忽略不计。半导体价带导带禁带宽度压阻元件体型半导体应变片扩散式半导体应变片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0.02~0.05mm，宽度为0.2~0.5mm，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开展出现的新型元件。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

测量电路惠斯登直流电桥电路电桥平衡：R1R4=R2R3¼桥电路半桥电路全桥电路误差及补偿零位误差与补偿〔调零〕串联平衡并联平衡温度误差与补偿应变片自补偿桥路补偿非线性误差与补偿差动电桥传感器测量电路恒压源恒流源应变式传感器典型接口电路压阻式传感器应用例如电源电压输出信号R1R4R3R2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，引线片局部的电阻值十分小。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，那么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εr和ετ所示。

εr为径向应变曲线，是在膜片的平面内沿半径方向的应变；ετ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εr和切向应变ετ

，表达式分别为

〔3-11〕式中：P—单位面积上的压力;

μ—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到达了最大值，εrmax=εtmax即55在膜片的边缘，即当x=R

时，

ετ=0，εr=-2εrmax

在半径

处的εr=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在以下图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；中部圈弧状的栅箱那么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。AB57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1mm。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