压电薄膜传感器在生命特征监测方面的应用

发布时间：2020-07-21 17:42:15 阅读：次来源：领花厂家

压电薄膜拥有独一无二的特性，作为一种动态应变传感器，非常适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。一些薄膜元件灵敏到足以隔着外套探测出人体脉搏。本文将着重介绍几种压电薄膜在生命特征监护方面的典型应用。当你拉伸或弯曲一片压电聚偏氟乙烯 PVDF 高分子膜（压电薄膜），薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号（电荷或电压），并且同拉伸或弯曲的形变成比例。一般的压电材料都对压力敏感，但对于压电薄膜来说，在纵向施加一个很小的力时，横向上会产生很大的应力，而如果对薄膜大面积施加同样的力时，产生的应力会小很多。因此，压电薄膜对动态应力非常敏感，28μm厚的 PVDF 的灵敏度典型值为10 ~ 15mV /微应变（长度的百万分率变化）。使用“动态应力”这个术语是因为形变产生的电荷会从与薄膜连接的电路流失，所以压电薄膜并不能探测静态应力。当需要探测不同水平的预应力时，这反而成为压电薄膜的优势所在。薄膜只感受到应力的变化量，最低响应频率可达0.1Hz。压电薄膜很薄，质轻，非常柔软，可以无源工作，因此可以广泛应用于医用传感器，尤其是需要探测细微的信号时。显然，该材料的特点在供电受限的情况下尤为突出（在某些结构中，甚至还可以产生少量的能量）。而且压电薄膜极其耐用，可以经受数百万次的弯曲和振动。接触式传感器利用压电薄膜的动态应变片特性，可以轻松的将压电薄膜直接固定在人体皮肤上（例如手腕内侧）。精量电子—美国MEAS传感器的产品型号1001777是一款通用传感器，传感器的一侧涂有压力敏感胶。但这款胶未经生物兼容性认证，在短期试验中可以将3M9842（聚亚安酯胶带）固定在皮肤上，再将压电薄膜传感器粘贴在3M 胶带上。图1显示的是利用电荷放大器（低频为1Hz，灵敏度为1mV/pC）取得的脉搏信号。输出大约为130mV（相当于约100mV 的开路电压），换算成动态应力约为 8με。

图1中的信号是在手部放松时取得的。弯曲或转动手腕可以产生更大振幅的信号，尤其是在预放大器的频率设置得很低时。图2显示出重复握紧和松开物体时压电薄膜传感器的反应，输出振幅为3V左右（开路），或大约250με的动态应力。

压电薄膜之所以既能探测非常微小的物理信号又能感受到大幅度的活动，是因为PVDF膜的压电响应在相当大的动态范围内都是线性的（大约14个数量级）。多数情况下，只要能明显区分目标信号和噪声的带宽，细小的目标信号都可以通过过滤器采集到。类似的传感器已在睡眠紊乱研究中用于探测胸部、腿部、眼部肌肉和皮肤的运动。另外，传感器可以通过探测肌肉（例如拇指和食指之间的肌肉）对电击的反应作为检验麻醉效果的指示器（神经肌肉传导）。加速度传感器 Minisense100是精量电子的一款标准产品，采用悬臂梁设计，一端用硬性PCB板夹紧并带有连接引脚，另一端装有质量块。质量块使传感器在受到振动时连贯反应。质量块保持不动，而薄膜部分发生形变，从而产生非常高的电压灵敏度（大约 1V/g）。由这个元件派生出其他生命特征传感器，例如工作人员或病患佩戴的智能胸卡（内置RF遥感设备）。通过阶段性采集佩戴者的信号来确定其位置和跟踪其状态。传感器感测到胸卡被摘下时会将胸卡设置成睡眠状态；如果传感器感受到身体任何部位的运动，肌肉的震颤，甚至是脉搏的振动，会唤醒胸卡。将传感器用一条轻薄而有弹性的绑带固定在胸部，可以“听”到心音的细节。如果传感器电气接口频率非常低，同时还可以监控呼吸的情况（见图3）。这个波形图显示呼吸引起的胸腔运动，大约 4 秒钟一个信号周期；同时也显示出心跳的信号，大概每秒一次（60bpm）。将滤波器设置为1Hz~10Hz滤除图3 波形中的呼吸信号和噪声，可以获得心跳的实时信号（见图4）。

图4波形中所有的信号都是在病人休息时采集的。人体的运动会轻易影响心跳的信号，这一点可以通过一个加速度计验证。应用一个悬臂梁结构的加速度计（传感器尺寸 1.3 x3mm）在心脏起搏器上，监测病人的运动状态，以相应调整起搏器的速率。

听诊器很多电子听诊器都采用了压电薄膜作为传感器元件，因为它耐用，灵敏度高，带宽范围宽。在该应用中，传感器元件通常都封装在传统的金属听诊头中，因为传感器需要与身体形成“作用力”。一旦动态的压力信号转换成电信号，就可以有选择性的过滤或放大、作为音频信号回放、运用更复杂的运算方法判断出具体的状况、或传输到远程基站进行进一步分析存储等。传感器组一个复合声传感器可以同时监控多个点。Deep Breeze公司用一个有差不多100个传感器的传感器组采集病人吸气和呼气的声音信息。用真空罩将传感器贴在皮肤表面。采集到的信号在加工处理后转换成声音的“图像”，因而气管和肺里的气流可以像动画片一样成像。任何异物和不正常现象在这些图像中都一目了然。这种方式比X光可靠，而且安全。病床监护压电薄膜和压电电缆都可以安装在床垫上探测病人的心跳、呼吸和身体运动。Hoana Medical Inc. 的监护床报警系统在床垫和被单之间安装了一组传感器。病人坐或躺在监护床上时，传感器可以隔着衣服和被单准确测量收集患者的生命特征信息。柔性开关用于采集静态信号，病患所有的动态信号都由压电薄膜采集并转换成相应的电信号，在病床边上的显示器显示。病人的心率和呼吸速率不正常，或病人擅自下床时，系统可以提前报警。这一切都由传感器完成，而无需与病人直接接触。婴儿呼吸监控仪 Infantrust 公司利用 PVDF 对应力极端敏感的特性开发了一款辅助育儿产品 Respisense。把监控仪夹在纸尿片贴近婴儿腰部的位置，监控婴儿的心跳。Respisense中的压电薄膜与腹部皮肤直接接触，在设定的时间内如果没探测到婴儿在活动，震动蜂鸣器将被启动，轻轻地拨动婴儿，刺激它呼吸。如果在此后的一段时间内婴儿仍没有反应，报警器将被启动。呼吸热电监测 PVDF对温度的动态变化也相当敏感（28μm厚压电薄膜的典型值是8 V/oC）。英国C-Lect医疗公司开发了一款监控器，用来监测呼吸速率。用面罩将一小块压电薄膜元件固定在口鼻处，吸进和呼出气体的温度变化产生强劲的电信号。即使吸入的是加热过的氧气/空气，测量结果仍然十分准确。PIPPA监控器由电池供电，LCD显示每分钟的呼吸次数。用压电薄膜制造的嘴唇接触式传感器运用了相同的原理，探测通过嘴或鼻子的气流。相对于热敏电阻来说，压电薄膜灵敏度高，响应速度快，柔软，并且探测面积大。结论从以上应用案例看出，压电薄膜可以替代传统元件来探测并传送生命特征信号至医疗监护系统。相信在不久的将来，压电薄膜会凭借其诸多优点，更广泛的应用于治疗和监护中。