1、生物医学工程导论生物医学工程导论生物医学传感器生物医学传感器生物医学传感器生物医学传感器2传感器在现代科学技术中的地位传感器在现代科学技术中的地位传感器的作用传感器的作用传感器的定义传感器的定义传感器的分类传感器的分类医用传感器的特点和要求医用传感器的特点和要求医用传感器的发展趋势医用传感器的发展趋势生物医学传感器生物医学传感器3一、传感器在现代科学技术中的地位一、传感器在现代科学技术中的地位1 12121世纪是现代信息技术的时代，世纪是现代信息技术的时代，信息技术包括信信息技术包括信 息采集、信息传输和信息处理。息采集、信息传输和信息处理。而信息采集需要而信息采集需要 通过传感器来实现。通过
2、传感器来实现。2 2传感器作为测控系统中对象信息的入口、检测技传感器作为测控系统中对象信息的入口、检测技 术的核心部件，在现代化的自动检测、自动控制术的核心部件，在现代化的自动检测、自动控制 和遥控系统中是必不可少的部分：如果缺少了它，和遥控系统中是必不可少的部分：如果缺少了它，自动化将无从谈起。自动化将无从谈起。生物医学传感器生物医学传感器4传感器技术广泛应用于航天航空、军事、工传感器技术广泛应用于航天航空、军事、工业、农业、医学、环境保护、机器人、汽车、业、农业、医学、环境保护、机器人、汽车、舰船、灾害预测预防、家电、公共安全以及舰船、灾害预测预防、家电、公共安全以及日常生活等各个领域，可
3、以说是无所不在。日常生活等各个领域，可以说是无所不在。有人说：征服了传感器，几乎就征服了现代有人说：征服了传感器，几乎就征服了现代 科学技术。话虽夸张，却说明了传感器技术科学技术。话虽夸张，却说明了传感器技术 在现代科学技术中的重要地位。在现代科学技术中的重要地位。生物医学传感器生物医学传感器54如如美国美国 22 项国家长期安全和经济繁荣的关键技术中有项国家长期安全和经济繁荣的关键技术中有6 项项与传感器技术直接相关；与传感器技术直接相关；保持武器系统质量优势的关键技术中有保持武器系统质量优势的关键技术中有8 项为传感器技术；项为传感器技术；美国空军举出的美国空军举出的15项有助于提高项有助
4、于提高21世纪空军能力的关键技术世纪空军能力的关键技术中，传感器技术名列第二，每年仅在生物传感器技术及产品中，传感器技术名列第二，每年仅在生物传感器技术及产品开发研究方面投资额度约为开发研究方面投资额度约为13亿美元。亿美元。早在上世纪早在上世纪80年代，年代，日本日本就把传感器技术列为优先发展的十就把传感器技术列为优先发展的十大技术之首。大技术之首。目前，目前，我国我国也把传感器技术列为重点发展的技术之一。也把传感器技术列为重点发展的技术之一。生物医学传感器生物医学传感器6现代信息产业的现代信息产业的三大支柱三大支柱:传感技术、通信技术和计算机技术传感技术、通信技术和计算机技术感官感官 神经
5、神经 大脑大脑 传感器是信息采集的首要部件，鉴于其重要作用，传感器是信息采集的首要部件，鉴于其重要作用，世界各国自世界各国自20 世纪世纪 80 年代开始都将其列为重点发展的年代开始都将其列为重点发展的关键技术关键技术信息的采集与控制信息的采集与控制 信息的处理信息的处理 信息的传输信息的传输 生物医学传感器生物医学传感器7五官五官(眼、耳、鼻、舌、身）眼、耳、鼻、舌、身）大脑大脑 传感器传感器 电脑电脑 物理量物理量感知感知 化学量化学量 生物量生物量电信号电信号生物医学传感器生物医学传感器8生物医学传感器生物医学传感器9各种传感器：各种传感器：生物医学传感器生物医学传感器10生物医学传感器
6、生物医学传感器11生物医学传感器生物医学传感器12 传感器的作用就是测量。没有传感器，就不传感器的作用就是测量。没有传感器，就不能实现测量；没有测量，也就没有科学技术。能实现测量；没有测量，也就没有科学技术。生物医学传感器生物医学传感器13生物医学传感器生物医学传感器14生物医学传感器生物医学传感器15生物医学传感器生物医学传感器16生物医学传感器生物医学传感器17生物医学传感器生物医学传感器18生物医学传感器生物医学传感器19 1.植物茎杆增长传感器植物茎杆增长传感器2.果实增长传感器果实增长传感器3.叶面温度传感器叶面温度传感器4.叶面湿度传感器叶面湿度传感器生物医学传感器生物医学传感器2
7、0生物医学传感器生物医学传感器21生物医学传感器生物医学传感器22生物医学传感器生物医学传感器23生物医学传感器生物医学传感器24MB3型型脉搏波传感器脉搏波传感器MB4型型脉搏波传感器脉搏波传感器MB5A型型脉搏波传感器脉搏波传感器RM2型口鼻型口鼻气流传感器气流传感器QD1型口鼻型口鼻气流传感器气流传感器YXF2型胸腹部呼型胸腹部呼吸运动波形传感器吸运动波形传感器生物医学传感器生物医学传感器25MB-5B耳夹型耳夹型脉搏波传感器脉搏波传感器MB6型鼠尾型鼠尾脉搏波传感器脉搏波传感器XY6型型心音传感器心音传感器DXF1型胸腹部型胸腹部呼吸运动波型传感器呼吸运动波型传感器GXF4型胸型胸腹部
8、呼吸运动腹部呼吸运动波形传感器波形传感器NXF5型胸腹型胸腹部呼吸运动波型部呼吸运动波型传感器传感器生物医学传感器生物医学传感器26BXF6型胸腹部呼型胸腹部呼吸运动波型传感器吸运动波型传感器HS2型型鼾声传感器鼾声传感器TW2型型体位传感器体位传感器TD2型腿动型腿动信号传感器信号传感器SD-1液滴计液滴计测传感器测传感器YH5型生理型生理压力传感器压力传感器生物医学传感器生物医学传感器27GS-2型子宫型子宫收缩传感器收缩传感器CL3型触型触点力传感器点力传感器JH2型肌型肌张力传感器张力传感器TXY-3型超声多普型超声多普勒胎儿心音传感器勒胎儿心音传感器XJ2型心肌张力、型心肌张力、胃肠
9、蠕动测量传感器胃肠蠕动测量传感器DY2型浅表动脉型浅表动脉血流超声多普勒血流超声多普勒生物医学传感器生物医学传感器28生物医学传感器生物医学传感器29生物医学传感器生物医学传感器30生物医学传感器生物医学传感器31生物医学传感器生物医学传感器32生物医学传感器生物医学传感器33（1）按工作原理分类）按工作原理分类传感器传感器物理传感器物理传感器化学传感器化学传感器生物传感器生物传感器物性型传感器物性型传感器结构型传感器结构型传感器生物医学传感器生物医学传感器34（2）按敏感材料分类：按敏感材料分类：如半导体、电陶瓷、有机材料、光纤、金属如半导体、电陶瓷、有机材料、光纤、金属（3）按检测对象和效
10、应分类：）按检测对象和效应分类：如光、磁、温度、流量、声学量如光、磁、温度、流量、声学量（4）按输出信号分类：）按输出信号分类：模拟和数字模拟和数字生物医学传感器生物医学传感器35 A 能量转换型：被测能量直接转 换为输出能量。亦称为有源传感 器。B 能量控制型：由外部被调制信号供 给传感器能量，而由 被测量控制输出能量。属无源传感器。Modifier Self-exciting transducer Modulating transducer Input Input Input Output Output Output Modulation signal Different energy f
11、orm Same energy form 如：膜式压力传感器 如：压电传感器 如：霍尔传感器 压力 位移 压力 电荷 I V H 生物医学传感器生物医学传感器36 A 能 量 转 换 型：被 测 能 量 直 接 转 换 为 输 出 能 量。亦 称 为 有 源 传 感 器。B 能 量 控 制 型：由 外 部 被 调 制 信 号 供 给 传 感 器 能 量，而 由 被 测 量 控 制 输 出 能 量。属 无 源 传 感 器。M o d ifier S elf-exciting transd u cer M o d u lating transd u cer Inp u t Inp u t Inp
12、u t O u tp u t O u tp u t O u tp u t M o d u latio n sig nal D ifferent energ y fo rm S am e energ y fo rm 如：膜 式 压 力 传 感 器 如：压 电 传 感 器 如：霍 尔 传 感 器 压 力 位 移 压 力 电 荷 I V H 生物医学传感器生物医学传感器37生物医学传感器生物医学传感器38生物医学传感器生物医学传感器39生物医学传感器生物医学传感器40生物医学传感器生物医学传感器41例子例子:光电式传感器光电式传感器生物医学传感器生物医学传感器42生物医学传感器生物医学传感器43血压
13、测量血压测量是医学测量中的最为是医学测量中的最为常规常规的一种。的一种。通常的血压测量都是通常的血压测量都是间接测量间接测量:通过体表检测出来的血流和压力之间的关通过体表检测出来的血流和压力之间的关系，从而测出脉管里的血压值。系，从而测出脉管里的血压值。生物医学传感器生物医学传感器44生物医学传感器生物医学传感器45生物医学传感器生物医学传感器46生物医学传感器生物医学传感器47生物医学传感器生物医学传感器482化学传感器（化学传感器（chemical sensor）化学传感器是把人体内某些化学传感器是把人体内某些化学成分、浓度化学成分、浓度等转换成与之有确切关系的等转换成与之有确切关系的电学
14、量电学量的器件。的器件。化学传感器必须具有对待测化学物质的形状化学传感器必须具有对待测化学物质的形状或分子结构选择性俘获的功能（或分子结构选择性俘获的功能（接受器功能接受器功能）和）和将俘获的化学量有效转换为电信号的功能（将俘获的化学量有效转换为电信号的功能（转换转换器功能器功能）。）。生物医学传感器生物医学传感器49生物医学传感器生物医学传感器50 种类繁多的化学传感器的出现，突破了人的感种类繁多的化学传感器的出现，突破了人的感官的局限，使人类的化学感觉在广度上和深度上都官的局限，使人类的化学感觉在广度上和深度上都得到了延伸。得到了延伸。简单而言，化学传感器是模仿人类化学感觉器简单而言，化学
15、传感器是模仿人类化学感觉器官的人造仪器。官的人造仪器。例如，例如，半导体气味传感器对人鼻嗅之无味的一半导体气味传感器对人鼻嗅之无味的一氧化碳，其检测灵敏度可低至百万分之几，这一数氧化碳，其检测灵敏度可低至百万分之几，这一数值远低于空气中允许存在的一氧化碳浓度。安装这值远低于空气中允许存在的一氧化碳浓度。安装这样的传感器可有效地防止一氧化碳中毒。样的传感器可有效地防止一氧化碳中毒。生物医学传感器生物医学传感器51化学传感器大体对应于人的嗅觉和味觉器官如图化学传感器大体对应于人的嗅觉和味觉器官如图 生物医学传感器生物医学传感器52 化学传感器按传感方式化学传感器按传感方式，可分为，可分为:接触式接
16、触式与与非接触式非接触式。化学传感器的结构形式化学传感器的结构形式有两种：有两种：一种是一种是分离型传感器分离型传感器。如离子传感器，液膜或。如离子传感器，液膜或固体膜具有接受器功能，膜完成电信号的转换功能，固体膜具有接受器功能，膜完成电信号的转换功能，接受和转换部位是分离的，有利于对每种功能分别接受和转换部位是分离的，有利于对每种功能分别进行优化；进行优化；另一种是另一种是组装一体化传感器组装一体化传感器。如半导体气体传。如半导体气体传感器，分子俘获功能与电流转换功能在同一部位进感器，分子俘获功能与电流转换功能在同一部位进行，有利于化学传感器的微型化。行，有利于化学传感器的微型化。生物医学传
17、感器生物医学传感器53化学传感器的应用化学传感器的应用 1、湿度传感器、湿度传感器 湿度是空气环境的一个重要指标，空气的湿湿度是空气环境的一个重要指标，空气的湿度与人体蒸发热之间有着密切关系，高温高湿时，度与人体蒸发热之间有着密切关系，高温高湿时，由于人体水分蒸发困难而感到闷热，低温高湿时，由于人体水分蒸发困难而感到闷热，低温高湿时，人体散热过程剧烈，容易引起感冒和冻伤。人体人体散热过程剧烈，容易引起感冒和冻伤。人体最适宜的气温是最适宜的气温是18220C，相对湿度为，相对湿度为35%-65%RH。生物医学传感器生物医学传感器54数字温湿度传感器数字温湿度传感器JCJ100M军用湿度传感器军用
18、湿度传感器 RHI系列湿度模块系列湿度模块 生物医学传感器生物医学传感器55 在环境与卫生监测中，常用湿球温湿度计、在环境与卫生监测中，常用湿球温湿度计、手摇温湿度计和通风温湿度计等仪器测定空气手摇温湿度计和通风温湿度计等仪器测定空气湿度。湿度。近年来，用于测定相对湿度的涂覆近年来，用于测定相对湿度的涂覆压电石英压电石英晶体传感器晶体传感器，通过光刻和化学蚀刻技术制成小型，通过光刻和化学蚀刻技术制成小型石英夺电晶体，在石英夺电晶体，在AT切割的切割的10MHz石英晶体上涂石英晶体上涂有有4种物质，对湿度具有较高的质量敏感性。该晶种物质，对湿度具有较高的质量敏感性。该晶体是振荡电路中的共振器，其
19、频率随质量变化，体是振荡电路中的共振器，其频率随质量变化，选择适当涂层，该传感器可用于测定不同气体的选择适当涂层，该传感器可用于测定不同气体的相对湿度。相对湿度。生物医学传感器生物医学传感器56 1986年，德国提出了一种测定湿度用的传感年，德国提出了一种测定湿度用的传感器。该传感器采用以硅为基体的器。该传感器采用以硅为基体的金属一绝缘体金属一绝缘体半导体半导体(MIS)型结构型结构。在。在MIS型结构中涂有二氧化型结构中涂有二氧化硅和湿敏层，湿敏层的材料包含有金属氧化物、硅和湿敏层，湿敏层的材料包含有金属氧化物、氧化物以及低极性组分的聚合物。湿敏材料的吸氧化物以及低极性组分的聚合物。湿敏材料
20、的吸水量与湿敏材料的相对介电常数的变化有关，该水量与湿敏材料的相对介电常数的变化有关，该传感器可用准表态和支态两种方法进行测定，不传感器可用准表态和支态两种方法进行测定，不过前者比后者更为方便省力，在空气调节系统、过前者比后者更为方便省力，在空气调节系统、建筑工地和日常生活环境中都能监测、控制和调建筑工地和日常生活环境中都能监测、控制和调节湿度。节湿度。生物医学传感器生物医学传感器57 氧化钽薄膜湿敏电容，是一种稳定性好，调氧化钽薄膜湿敏电容，是一种稳定性好，调节十分方便的通用湿度控制器。这种传感器可用节十分方便的通用湿度控制器。这种传感器可用于恒湿箱、计算机房、防湿机等许多场合的空气于恒湿箱
21、、计算机房、防湿机等许多场合的空气湿度监测，是一种性能价格比很高的通用型湿度湿度监测，是一种性能价格比很高的通用型湿度传感器。传感器。生物医学传感器生物医学传感器58 利用磷酸盐涂膜的感湿性研制出性能十分可利用磷酸盐涂膜的感湿性研制出性能十分可靠的湿度传感器。传感器工作期间，由于磷酸盐靠的湿度传感器。传感器工作期间，由于磷酸盐涂膜表面吸附水分而产生的离子在电极间来回运涂膜表面吸附水分而产生的离子在电极间来回运动，致使传导发生变化，从而显示感湿性。若对动，致使传导发生变化，从而显示感湿性。若对传感器元件加以交流负荷，则可借检测阻抗的变传感器元件加以交流负荷，则可借检测阻抗的变化测定出空气湿度。该
22、传感器体积小，可封闭在化测定出空气湿度。该传感器体积小，可封闭在注射器针管内，利用针尖可插人狭窄的被测处，注射器针管内，利用针尖可插人狭窄的被测处，使用方便，检测迅速，还可用于露点测定。使用方便，检测迅速，还可用于露点测定。生物医学传感器生物医学传感器592、氧化氮传感器、氧化氮传感器 氧化氮是氮的各种氧化物所组成的气体混合氧化氮是氮的各种氧化物所组成的气体混合物的总称，常以物的总称，常以NOx表示。在氧化氮中，不同形表示。在氧化氮中，不同形式的氧化氮化学稳定性不同，常用的是化学性质式的氧化氮化学稳定性不同，常用的是化学性质相对稳定的一氧化氮和二氧化氮，它们在卫生学相对稳定的一氧化氮和二氧化氮
23、，它们在卫生学上的意义较其他形式氧化氮更为重要。上的意义较其他形式氧化氮更为重要。生物医学传感器生物医学传感器60 用交指型栅极电极场效应晶体管的微电子集用交指型栅极电极场效应晶体管的微电子集成电路与化学活性电子束蒸镀酞花青铜薄膜相结成电路与化学活性电子束蒸镀酞花青铜薄膜相结合，获得了新型合，获得了新型气体敏感微传感器气体敏感微传感器，可选择性检，可选择性检测测mg/m3级二氧化氮和二异丙基磷酸甲基醋级二氧化氮和二异丙基磷酸甲基醋(DIMP)。它利用电压脉冲激发传感器，测量时域和频域响它利用电压脉冲激发传感器，测量时域和频域响应，测定的峰形与归一化差分傅里叶变换频谱有应，测定的峰形与归一化差分
24、傅里叶变换频谱有关，能清晰地区分二氧化氮和关，能清晰地区分二氧化氮和DIMP 的响应，每的响应，每个峰面积可以相应地反映出传感器对特定气体浓个峰面积可以相应地反映出传感器对特定气体浓度的灵敏度。度的灵敏度。生物医学传感器生物医学传感器613、硫化氢气体传感器、硫化氢气体传感器 硫化氢是一种无色、具有特殊腐蛋臭味的可硫化氢是一种无色、具有特殊腐蛋臭味的可燃气体，具有刺激性和窒息性，对人体有较大危燃气体，具有刺激性和窒息性，对人体有较大危害。目前大多用比色法和气相色谱法测定空气中害。目前大多用比色法和气相色谱法测定空气中硫化氢。硫化氢。生物医学传感器生物医学传感器62 对含量常常低至对含量常常低至
25、mg/m3级的空气污染物进行测级的空气污染物进行测定是气体传感器的一项主要应用，但在短时期内半定是气体传感器的一项主要应用，但在短时期内半导体气体传感器还不能满足监测某些污染气体灵敏导体气体传感器还不能满足监测某些污染气体灵敏度和选择性要求。利用掺银薄膜传感器监测实验室度和选择性要求。利用掺银薄膜传感器监测实验室和城市空气中的硫化氢。该传感器阵列由四个传感和城市空气中的硫化氢。该传感器阵列由四个传感器构成，通过基于固化滴定的通用分析装置和半导器构成，通过基于固化滴定的通用分析装置和半导体气体传感器阵列的信号，同时记录二氧化硫和硫体气体传感器阵列的信号，同时记录二氧化硫和硫化氢浓度，在化氢浓度，
26、在 150下以恒温方式工作的掺银薄膜下以恒温方式工作的掺银薄膜传感器用于监测城市空气中的硫化氢含量，效果良传感器用于监测城市空气中的硫化氢含量，效果良好。好。生物医学传感器生物医学传感器634、二氧化硫传感器、二氧化硫传感器 二氧化硫是污染空气的主要物质之一，检测二氧化硫是污染空气的主要物质之一，检测空气中二氧化硫尝试是空气检验的一项经常性工空气中二氧化硫尝试是空气检验的一项经常性工作。应用传感器监测二氧化硫。从缩短检测时间作。应用传感器监测二氧化硫。从缩短检测时间到降低检出限，都显示出极大的优越性。到降低检出限，都显示出极大的优越性。生物医学传感器生物医学传感器64 利用固体聚合物作离子交换
27、膜，膜的一边含利用固体聚合物作离子交换膜，膜的一边含对电极和参比电极的内部电解液，另一边插人铂对电极和参比电极的内部电解液，另一边插人铂电极，组成一种二氧化硫传感器。该传感器安装电极，组成一种二氧化硫传感器。该传感器安装在流通池中，在在流通池中，在 0.65V 下氧化二氧化硫。指示出下氧化二氧化硫。指示出二氧化硫的量。该传感装置电流灵敏度高。响应二氧化硫的量。该传感装置电流灵敏度高。响应时间短，稳定性好，本底噪声低，线性范围达时间短，稳定性好，本底噪声低，线性范围达0.2mmo1/L，检出限为，检出限为8 10-6 mmol/L，信噪比，信噪比为为3。该传感器不仅可以测定空气中的二氧化硫，。该
28、传感器不仅可以测定空气中的二氧化硫，还可用于测定低电导率液体中的二氧化硫。还可用于测定低电导率液体中的二氧化硫。生物医学传感器生物医学传感器65 有机改性硅酸盐薄膜二氧化硫气体传感器有机改性硅酸盐薄膜二氧化硫气体传感器的气敏涂层是利用溶胶工艺和自旋技术制作的，的气敏涂层是利用溶胶工艺和自旋技术制作的，对二氧化硫的测定具有良好的重现性和可逆性，对二氧化硫的测定具有良好的重现性和可逆性，响应时间不到响应时间不到20s，对其他气体的交感小，受温，对其他气体的交感小，受温度和湿度影响小。度和湿度影响小。生物医学传感器生物医学传感器66 目前，化学传感器的研究受到了广泛的关注，由于其具目前，化学传感器的
29、研究受到了广泛的关注，由于其具有灵敏度非常高，选择性好，携带方便，易微型化，能用于有灵敏度非常高，选择性好，携带方便，易微型化，能用于现场分析和监控等特点，因此在矿山开发、石油化工、生物现场分析和监控等特点，因此在矿山开发、石油化工、生物医学及日常生活中越来越多的被用来作为易燃，易爆，有毒，医学及日常生活中越来越多的被用来作为易燃，易爆，有毒，有害气体的检测预报和自动控制装置，或用来测定多种含量有害气体的检测预报和自动控制装置，或用来测定多种含量极低的物质，甚至可以测量细胞中的离子浓度。医学上采用极低的物质，甚至可以测量细胞中的离子浓度。医学上采用化学传感器作病情诊断及治疗过程的自动控制。生产
30、和生活化学传感器作病情诊断及治疗过程的自动控制。生产和生活各个领域对化学传感器的广泛要求，使得化学传感器的研究各个领域对化学传感器的广泛要求，使得化学传感器的研究和开发一直十分活跃，并表现出非常广阔的应用前景。和开发一直十分活跃，并表现出非常广阔的应用前景。生物医学传感器生物医学传感器67例如：例如：光化学传感器光化学传感器是近年发展起来的一种新型是近年发展起来的一种新型微量和痕量分析技术，它是把特定的化学物质的微量和痕量分析技术，它是把特定的化学物质的种类和浓度变成电信号来表示的功能元件。主要种类和浓度变成电信号来表示的功能元件。主要是利用光敏感材料与被测物质中的分子、离子或是利用光敏感材料
31、与被测物质中的分子、离子或生物物质相互接触时直接或间接地引起电极电势生物物质相互接触时直接或间接地引起电极电势等电信号的变化，使得很少的化学物质加入体系等电信号的变化，使得很少的化学物质加入体系后，会有放大了许多倍的信号被检出，借此可以后，会有放大了许多倍的信号被检出，借此可以获得某种化学物质的浓度。根据不同的应用课题，获得某种化学物质的浓度。根据不同的应用课题，人们可以设计出各种各样的化学传感器。人们可以设计出各种各样的化学传感器。生物医学传感器生物医学传感器68生物医学传感器生物医学传感器69生物医学传感器生物医学传感器70生物医学传感器生物医学传感器713生物传感器（生物传感器（bios
32、ensor）生物传感器是对生物物质敏感并将其浓度转生物传感器是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。
33、生物医学传感器生物医学传感器72生物传感器的分类：生物传感器的分类：根据根据敏感物质敏感物质分类：分类：酶酶传感器传感器免疫免疫传感器传感器微生物微生物传感器传感器组织组织传感器传感器细胞细胞传感器传感器DNA传感器传感器根据根据信号转换器信号转换器分类：分类：热敏热敏生物传感器生物传感器场效应管场效应管生物传感器生物传感器压电压电生物传感器生物传感器光学光学生物传感器生物传感器电化学电化学生物传感器生物传感器声波道声波道生物传感器生物传感器酶电极酶电极生物传感器生物传感器介体介体生物传感器生物传感器 生物医学传感器生物医学传感器73 生物传感器由生物传感器由分子识别部分（敏感元件）分子识别部
34、分（敏感元件）和和转换部分（换能器）转换部分（换能器）构成，以分子识别部分去识构成，以分子识别部分去识别被测目标，是可以别被测目标，是可以引起某种物理变化或引起某种物理变化或化学变化的主要功能化学变化的主要功能元件，如图所示。元件，如图所示。生物医学传感器生物医学传感器74 分子识别部分是生物传感器选择性测定的基分子识别部分是生物传感器选择性测定的基础。能够选择性地分辨特定物质的有酶、抗体、础。能够选择性地分辨特定物质的有酶、抗体、组织、细胞等。这些分子识别功能物质通过识别组织、细胞等。这些分子识别功能物质通过识别过程可与被测目标结合成复合物，如抗体和抗原过程可与被测目标结合成复合物，如抗体和
35、抗原的结合，酶与基质的结合。的结合，酶与基质的结合。在设计生物传感器时，选择适合于测定对象在设计生物传感器时，选择适合于测定对象的识别功能物质，是极为重要的前提。要考虑到的识别功能物质，是极为重要的前提。要考虑到所产生的复合物的特性。所产生的复合物的特性。识别元件的选择识别元件的选择生物医学传感器生物医学传感器75 生物体中根据分子识别功能物质制备的敏感生物体中根据分子识别功能物质制备的敏感元件所引起的化学变化或物理变化，去选择转换元件所引起的化学变化或物理变化，去选择转换部分（换能器），是研制高质量生物传感器的另部分（换能器），是研制高质量生物传感器的另一重要环节。敏感元件中光、热、化学物质
36、的生一重要环节。敏感元件中光、热、化学物质的生成或消耗等会产生相应的变化量。根据这些变化成或消耗等会产生相应的变化量。根据这些变化量，去选择适当的换能器。生物化学反应过程产量，去选择适当的换能器。生物化学反应过程产生的信息是多元化的，而微电子学和现代传感技生的信息是多元化的，而微电子学和现代传感技术的成果为检测这些信息提供了丰富的手段。术的成果为检测这些信息提供了丰富的手段。换能器的选择换能器的选择生物医学传感器生物医学传感器76 生物传感器的基本结构如下图所示。它是一生物传感器的基本结构如下图所示。它是一种利用生物的因子或生物学原理来检测或计量化种利用生物的因子或生物学原理来检测或计量化合物
37、的装置。合物的装置。换能器换能器识别元件识别元件生物医学传感器生物医学传感器77 利用纯化的酶、免疫系统、组织、细胞器或利用纯化的酶、免疫系统、组织、细胞器或完整细胞作为催化剂，这些催化剂通常被固定化完整细胞作为催化剂，这些催化剂通常被固定化制成膜并与物化仪器相结合使用。物化仪器用来制成膜并与物化仪器相结合使用。物化仪器用来监测欲进行分析的物质在固定化催化剂的作用下监测欲进行分析的物质在固定化催化剂的作用下所发生的化学变化（如浓度的变化；一些气体如所发生的化学变化（如浓度的变化；一些气体如氨和氧气的排放或吸收；光的释放、吸收或反射；氨和氧气的排放或吸收；光的释放、吸收或反射；热的释放；生物质的
38、改变等等），然后换能器通热的释放；生物质的改变等等），然后换能器通过电化学、热学、光学或压电学的方法将这个信过电化学、热学、光学或压电学的方法将这个信号转变成可以测量的信号并转换成电信号。号转变成可以测量的信号并转换成电信号。生物医学传感器生物医学传感器78五、医用传感器的特点和要求五、医用传感器的特点和要求 生物体是一个有机整体，各个系统和器官生物体是一个有机整体，各个系统和器官有各自的功能和特点，但又彼此依赖，互相制有各自的功能和特点，但又彼此依赖，互相制约。观察到的信息既表现了被测系统和器官的约。观察到的信息既表现了被测系统和器官的特征，又受其他系统和器官的影响，往往是多特征，又受其他系
39、统和器官的影响，往往是多种物理量、化学量和生物量的综合。种物理量、化学量和生物量的综合。医用传感器的任务是从这种综合信息中提取医用传感器的任务是从这种综合信息中提取欲测量的量，并把它变换为电信号。因此，医用欲测量的量，并把它变换为电信号。因此，医用传感器应具备以下特性。传感器应具备以下特性。生物医学传感器生物医学传感器791医用传感器的特点医用传感器的特点（1）较高的灵敏度和信噪比，以保证能检测出微）较高的灵敏度和信噪比，以保证能检测出微 小的有用信息。小的有用信息。（2）良好的线形和快速响应，以保证输出信号变）良好的线形和快速响应，以保证输出信号变 换后不失真，并能使输出信号及时跟随输入换后
40、不失真，并能使输出信号及时跟随输入 信号的变化。信号的变化。（3）良好的稳定性和互换性，以保证输出信号受）良好的稳定性和互换性，以保证输出信号受 环境的影响小而保持稳定。同类型传感器的环境的影响小而保持稳定。同类型传感器的 性能要基本相同，在互相调换时不影响测量性能要基本相同，在互相调换时不影响测量 数据。数据。生物医学传感器生物医学传感器802医用传感器的要求医用传感器的要求 考虑到生物体的解剖结构和生理功能，尤其是考虑到生物体的解剖结构和生理功能，尤其是安全性和可靠性更应特别重视下列要求：安全性和可靠性更应特别重视下列要求：（1）传感器必须与生物体内的化学成分相容。要求）传感器必须与生物体
41、内的化学成分相容。要求 它既不被腐蚀也不给生物体带来毒性。它既不被腐蚀也不给生物体带来毒性。（2）传感器的形状、尺寸和结构应和被检测部位的）传感器的形状、尺寸和结构应和被检测部位的 结构相适应，使用时不应损伤组织，不给生理结构相适应，使用时不应损伤组织，不给生理 活动带来负担，也不应干扰正常生理功能。活动带来负担，也不应干扰正常生理功能。生物医学传感器生物医学传感器81（3）传感器和人体要有足够的电绝缘，即使传）传感器和人体要有足够的电绝缘，即使传 感器损坏情况下，人体受到的电压必须低感器损坏情况下，人体受到的电压必须低 于安全值。于安全值。（4）对植入体内长期使用的传感器，不应对体）对植入体
42、内长期使用的传感器，不应对体 内有不良刺激。内有不良刺激。（5）传感器在结构上便于消毒。）传感器在结构上便于消毒。生物医学传感器生物医学传感器823生物医学测量仪器生物医学测量仪器 生物医学测量仪器从简单意义上看是代替生物医学测量仪器从简单意义上看是代替医生的手和五官获取病人的各种信号。医生的手和五官获取病人的各种信号。对于大多数生物医学检测仪器来说，不管对于大多数生物医学检测仪器来说，不管它多么复杂，一般都可以分解为三个主要部分：它多么复杂，一般都可以分解为三个主要部分：传感器（包括电极）、放大器和测量电路、数传感器（包括电极）、放大器和测量电路、数据处理和显示装置，如下图所示：据处理和显示
43、装置，如下图所示：生物医学传感器生物医学传感器83生物医学测量仪器组成部分示意图生物医学测量仪器组成部分示意图 有些测量仪器还包括有些测量仪器还包括治疗仪器治疗仪器和和基于网络的数据基于网络的数据传输部分传输部分，组成更完善的现代生物医学测量仪器。，组成更完善的现代生物医学测量仪器。生物医学传感器生物医学传感器84 传感器的功能是把各种生理信息转换成可供传感器的功能是把各种生理信息转换成可供测量的电信号或其他可用信号，而电极的功能主测量的电信号或其他可用信号，而电极的功能主要是把各种生物电信号转换成可供测量的电信号。要是把各种生物电信号转换成可供测量的电信号。可见，传感器是生物医学测量的前提。
44、可见，传感器是生物医学测量的前提。生物电信号：生物电信号：心电、脑电、肌电等。心电、脑电、肌电等。非电量参数：非电量参数：体温、血压、呼吸、血流量、体温、血压、呼吸、血流量、脉搏、心音等脉搏、心音等非电量物理参数：非电量物理参数：温度、压力、流量、频率、温度、压力、流量、频率、力、位移等力、位移等生物医学传感器生物医学传感器85 放大器及测量线路的功能是把传感器所获得放大器及测量线路的功能是把传感器所获得的微弱信号加以放大、转换、去伪存真，从而得的微弱信号加以放大、转换、去伪存真，从而得到数据处理和显示装置可以处理的信号。到数据处理和显示装置可以处理的信号。数据处理和显示装置对于现代化仪器，一
45、般数据处理和显示装置对于现代化仪器，一般用计算机完成数据的记录、储存、计算或显示。用计算机完成数据的记录、储存、计算或显示。测量各种生理参数的目的是为了获得与医疗、测量各种生理参数的目的是为了获得与医疗、保健有关的诊断根据，并从生理学方面进行结构保健有关的诊断根据，并从生理学方面进行结构和功能的分析。和功能的分析。生物医学传感器生物医学传感器86 从测量技术上来说，生物医学测量属于从测量技术上来说，生物医学测量属于强噪强噪声背景下声背景下的的低频微弱信号低频微弱信号的测量，被测信号是由的测量，被测信号是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号。从信号复杂的生命体发出的不稳定的自然信号。从信号本身到
46、测量方式都不同于工程上的电子测量。本身到测量方式都不同于工程上的电子测量。生物体是工程中任何系统都不能相比拟的极生物体是工程中任何系统都不能相比拟的极为复杂的系统，至今尚未被人类完全认识，因此，为复杂的系统，至今尚未被人类完全认识，因此，生物医学测量是未知因素多、复杂性高的测量。生物医学测量是未知因素多、复杂性高的测量。生物医学传感器生物医学传感器87人体测量控制系统的两种模式：人体测量控制系统的两种模式：开环系统开环系统:大部分医疗仪器大部分医疗仪器 闭环系统闭环系统:现代医疗仪器现代医疗仪器生物医学传感器生物医学传感器88六、医用传感器的发展趋势六、医用传感器的发展趋势 传感器产业是国内外
47、公认的具有发展前途的传感器产业是国内外公认的具有发展前途的高技术产业，它以其技术含量高、经济效益好、高技术产业，它以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目。渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目。1我国传感器技术及其产业取的进步我国传感器技术及其产业取的进步（1）一是建立了）一是建立了“传感技术国家重点实验室传感技术国家重点实验室”、“微微 米米/纳米国家重点实验室纳米国家重点实验室”、“国家传感技术工国家传感技术工 程中心程中心”等研究开发基地。等研究开发基地。生物医学传感器生物医学传感器89（2）MEMS（微电子与微机械的结合）（微电子与微机械的结合）、MOEMS
48、（MEMS与微光学的结合）等研究与微光学的结合）等研究 项目列入了国家高新技术发展重点。项目列入了国家高新技术发展重点。（3）在）在“九五九五”国家重点科技攻关项目中，传感器技国家重点科技攻关项目中，传感器技 术研究取得了术研究取得了51个品种个品种86个规格的新产品。个规格的新产品。（4）初步建立了敏感元件与传感器产业，）初步建立了敏感元件与传感器产业，2000年总年总 产量超过产量超过13亿只，品种规格已有近亿只，品种规格已有近6000种，并种，并 已在国民经济各部门和国防建设中得到应用。已在国民经济各部门和国防建设中得到应用。生物医学传感器生物医学传感器90（5）全国已有）全国已有168
49、8家企事业单位从事传感器的研制、家企事业单位从事传感器的研制、生产和应用，其中从事生产和应用，其中从事 MEMS 研制生产的已有研制生产的已有 50多家。目前全行业正在执行多家。目前全行业正在执行“十五十五”计划，计划，MEMS 等等 5 项新型传感器已列入研究开发的重项新型传感器已列入研究开发的重 点。点。2004年，产品产销量继续增长，到年，产品产销量继续增长，到“十五十五”期末，敏感元器件与传感器年总产量达到期末，敏感元器件与传感器年总产量达到20亿亿 只，销售总额达约只，销售总额达约120亿元。亿元。生物医学传感器生物医学传感器91医用传感器的发展趋势医用传感器的发展趋势 （1）向高精
50、度发展）向高精度发展 随着自动化生产程度的不断提高，对传随着自动化生产程度的不断提高，对传 感器的要求也在不断提高，必须研制出具有感器的要求也在不断提高，必须研制出具有 灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性 好的新型传感器以确保自动化生产和控制的好的新型传感器以确保自动化生产和控制的 准确性。准确性。生物医学传感器生物医学传感器92 （2）向高可靠性、宽温度范围发展）向高可靠性、宽温度范围发展 传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干 扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器
