基于PVDF 薄膜材料的脈搏傳感器的研制*

史 源，紀(jì)林海，陳春紅，吳 文

(1.南京理工大學(xué)電光學(xué)院，江蘇 南京， 210094;2.淮海工學(xué)院電子工程學(xué)院，江蘇 連云港， 222005)

隨著社會的發(fā)展和生活水平的提高，人們對健康的關(guān)注也越來越多，希望能實(shí)時準(zhǔn)確地了解自身的健康狀態(tài)。從古至今，中醫(yī)學(xué)講究望聞問切，其中“切”就指的是診脈，通過解讀人體的脈搏信號能夠探測出很多生理疾病，反映出人的身體健康狀態(tài)，可見人體的脈搏信號特征是何其的重要。目前，各大醫(yī)院用的脈搏測試儀器大多為國外生產(chǎn)廠商提供，產(chǎn)品對進(jìn)口的依賴較高，也成為醫(yī)療器械價格居高不下的一個原因。國產(chǎn)類似型號的產(chǎn)品一般可以分為三類:一是使用壓電陶瓷或石英晶體材料制作［1］，體積較大，波形不完整，靈敏度一般;二是使用光電耦合來制作［2］，器械容易損壞，體積大，靈敏度不高，常用于工業(yè)測量;三是使用壓電薄膜材料來制作［3］，但由于前段敏感部分機(jī)械結(jié)構(gòu)性能不穩(wěn)定等原因，測試輸出波形效果不理想。

本文旨在使用一種新型的壓電薄膜材料研制更加小巧、穩(wěn)定、實(shí)用的脈搏傳感器。在前端拾取信號的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，采用了比較新穎的鼓式振動結(jié)構(gòu)，從而可以提高拾取微弱脈搏信號的能力，靈敏度更高，大大地降低了后續(xù)信號處理的難度和電路的復(fù)雜度。在后續(xù)信號處理的電路中主要采用模擬放大器和濾波器的設(shè)計，將比較大的50 Hz 市電噪聲、外界的高頻干擾和人體的抖動產(chǎn)生的噪聲濾除，獲取比較純凈的模擬脈搏信號，再經(jīng)過波形轉(zhuǎn)換電路的處理，從而實(shí)現(xiàn)了脈搏模擬信號和脈沖方波的輸出。

1 壓電材料

壓電式傳感器是一種以某物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的傳感器。當(dāng)這些物質(zhì)材料表面因受力產(chǎn)生形變時，他的表面就會有大量電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量與電量間的轉(zhuǎn)換。

(1)壓電石英晶體

壓電石英晶體是最具代表性并較早發(fā)現(xiàn)的天然壓電材料。它的結(jié)構(gòu)為中間是六棱柱，兩端呈六棱錐體的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 石英晶體的形狀

如圖2所示，壓電材料在受到外力的作用后，發(fā)生形變，并且在其對應(yīng)面上引起正負(fù)電荷中心的相對位移而產(chǎn)生極化的現(xiàn)象。左圖顯示的是當(dāng)無外力作用到壓電材料的表面時，正負(fù)電荷中心相互重合，晶體表面電荷為0。當(dāng)受到擠壓時，由于表面形變使得正負(fù)電荷的中心不再重合，材料表面就出現(xiàn)極化現(xiàn)象。

圖2 壓電材料受外力作用

石英晶體的壓電常數(shù)比較低，具有很好的機(jī)械強(qiáng)度和時間及溫度的穩(wěn)定性，常用于精確度和穩(wěn)定性要求較高的場合［4］。

(2)壓電陶瓷

壓電陶瓷壓電材料就是人工燒制成的陶瓷微晶材料。其中鈦酸鋇(barium titanate，BaTiO3)和鋯鈦酸鉛(lead zirconate titanate ，PZT)是應(yīng)用最廣的壓電陶瓷［5］。

圖3所示是鈦酸鋇或鋯酸鉛晶體結(jié)構(gòu)圖。立方體的八角是帶負(fù)電的氧離子，立方體的六個表面的中心是帶正電的鉛離子，正4 價的鋯或鈦離子(Ti4+，Zr4+)居于正立方體的正中心。由圖可知，正負(fù)離子的重心是重合的，晶體表面電荷為零。

壓電陶瓷的壓電常數(shù)大，靈敏度高，造價低廉。

圖3 PZT 晶格結(jié)構(gòu)

(3)壓電有機(jī)聚合材料

壓電聚合物材料主要有壓電半導(dǎo)體和有機(jī)壓電薄膜等。有機(jī)壓電薄膜是由某高分子聚合物，經(jīng)延展拉伸擠壓和電場極化后形成的具有壓電特性的薄膜。圖4是具有微晶結(jié)構(gòu)的聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride ，PVDF)的晶型結(jié)構(gòu)示意圖。由其結(jié)構(gòu)可知F 原子和H 原子的空間分布是不對稱的，因而PVDF 具有很強(qiáng)的電偶極性傾向［5］。有機(jī)壓電薄膜具有機(jī)械強(qiáng)度高、較柔軟、不易破碎、易于加工成薄膜、能夠耐沖擊、造價低廉、不易受水和化學(xué)藥品的污染等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 PVDF的兩種晶型結(jié)構(gòu)

表1 常見的三種壓電材料的性能比較

綜合比較表1 中數(shù)據(jù)，PVDF的性能介于壓電陶瓷和壓電石英晶體之間。介電常數(shù)比石英高，但比起PZT 就低很多了，壓電電壓系數(shù)中PVDF是最高的。又由于PVDF 變力響應(yīng)靈敏度高、單位體積能獲得大的輸出功率、能緊貼皮膚，使得脈搏信號通過薄膜而不失真、能滿足脈搏信號的頻率特性［6］。所以本設(shè)計選用PVDF 材料制作脈搏傳感器。

2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

一款微弱生物脈搏信號傳感器性能的好壞，在很大程度上取決于換能器的材料以及傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在上一節(jié)中對壓電材料進(jìn)行了詳細(xì)的比較，在本款脈搏傳感器的制作上選用了性能比較好的PVDF 壓電薄膜材料，在本節(jié)中將詳細(xì)介紹本傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，采用了鼓式振動的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，從而獲得了較好的換能效果。

采用四層PVDF 壓電薄膜材料制作的脈搏傳感器，中間層位金屬薄片，具有良好的導(dǎo)電特性，在輸出引線端設(shè)計方面，采用鉚釘將PVDF 材料、夾層金屬薄片、輸出引線固定在一起，從而實(shí)現(xiàn)了較為良好的換能輸出效果。傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，如圖5所示，采用厚度約為2 mm的塑料硬質(zhì)襯底，以減少手臂的震動干擾。在硬質(zhì)襯底與壓電薄膜之間填充軟質(zhì)材料，同時將壓電材料產(chǎn)生形變，做成拋物球面，使得最低點(diǎn)能夠與人體手腕處脈搏有效地接觸，增加靈敏度。

圖5 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

在日常生活中，常見的鼓具有良好的震動性能，當(dāng)外界有敲擊時，鼓面和空氣共振，形成“共鳴腔”，因此聲音大大增強(qiáng)?；诠拿嬲饎拥脑O(shè)計思想的啟發(fā)，為了更好地放大脈搏跳動時的震動信號，將壓電材料的兩端使用彈性皮筋固定，配合中間的軟質(zhì)填充物，壓電薄膜材料的表面變的緊繃，從而可以更好地感應(yīng)震動信號，實(shí)現(xiàn)動能轉(zhuǎn)換為電信號。實(shí)物模型如圖6。

圖6 傳感器實(shí)物模型

3 電路設(shè)計

由于壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高，而輸出的信號很弱，因此它的測量電路需要一個高輸入阻抗的前置放大器作為阻抗匹配，這樣才能防止電荷迅速泄漏，從而使測量誤差減小。通過50 Hz的陷波器濾除人體自身攜帶的50 Hz 工頻干擾信號。再通過高通濾波器濾去信號中的由于人體的抖動而產(chǎn)生的干擾信號［7］。用低通濾波濾除高于心電信號高頻響應(yīng)頻率(小于200 Hz)。系統(tǒng)總體方框圖如圖7。

圖7 系統(tǒng)總體框圖

在線性電荷放大器設(shè)計方面，其作用主要是將傳感器獲取的電荷轉(zhuǎn)化為電壓，采用差分輸入的方法，提高共模抑制比，對噪聲起到一定的抑制作用。選擇小信號低噪放集成器件TLC2201，為了實(shí)現(xiàn)輸入阻抗理論值要為無窮大的要求，超標(biāo)稱電阻選擇100 GΩ的輸入反饋電阻加以接近理想值，同時配以3.3pF的并聯(lián)電容，形成高通濾波器，考慮到人體脈搏信號應(yīng)為0.6 ～2 Hz，所以將濾波下限截止頻率控制在0.4 ±0.1 Hz 左右，可以方便地消除因手抖動產(chǎn)生的干擾信號。在實(shí)際制作中電荷放大器使用金屬屏蔽罩可以更好地減少干擾［8］。

在電壓放大器設(shè)計方面，采用線性集成器件LM324 構(gòu)成的電壓放大器，其作用是將電荷放大器輸出的微小的電壓幅值加以放大［9］。從前端PVDF 壓電薄膜(約1.2 cm2)中獲取到的脈搏信號的電壓幅值約為10 μV，因此在進(jìn)行后續(xù)信號處理前需要對信號進(jìn)行預(yù)放大，放大倍數(shù)約為1000。

在濾波器設(shè)計方面，由于脈搏信號極其微弱，而工頻市電噪聲的幅值約為50 mV，相比于脈搏信號要大的多，所以在濾波器前端需要增加一節(jié)50 Hz的陷波器電路是非常必要的。50 Hz 陷波器設(shè)計采用雙T 無源陷波器和50 Hz 文氏橋式陷波器組合［9］而成，在50 Hz 頻點(diǎn)上對信號的衰減達(dá)到－43.065 dB，滿足了設(shè)計要求。在后節(jié)濾波電路中，主要采用四階巴特沃斯高通和低通濾波器，通過仿真可得高通濾波器的截止頻率為0.4 Hz，阻帶衰減小于－25 dB，通帶增益為7.622 dB;低通濾波器的截止頻率約為200 Hz，阻帶衰減小于－23 dB，通帶增益約為7.612 dB。使用multisim10 仿真曲線如圖8所示。

圖8 仿真曲線圖

在波形變換電路設(shè)計方面，其功能主要是將模擬的脈搏信號轉(zhuǎn)換為方波脈沖信號，為數(shù)字電路提供穩(wěn)定的信號源。選擇遲滯比較器來做作為波形轉(zhuǎn)換的電路是比較合適的［9］，根據(jù)低通濾波器輸出的模擬脈搏幅值(－0.81 V ～1.55 V)，如圖9所示，取遲滯比較器的閾值電壓為－0.4 V和1 V，順利實(shí)現(xiàn)波形的轉(zhuǎn)換，其輸出的方波脈沖波形如圖10所示。

圖9 模擬脈搏信號

圖10 方波脈沖輸出

值得注意的是，在低通濾波器與遲滯比較器串接電路中，需要考慮負(fù)載匹配的問題，為了避免因負(fù)載不匹配而造成的功率的損耗，所以在其中間接入電壓跟隨器，從而實(shí)現(xiàn)了信號的完整輸出。系統(tǒng)電路原理圖如圖11所示。

在PCB 制作過程中，使用輔助設(shè)計軟件protel99se 進(jìn)行設(shè)計，對于脈搏信號的電路布線來說，應(yīng)該盡量順應(yīng)信號的走向來安排走線，由于電路元件較多，因而將電路板總體分成上下兩個部分，PCB 板上邊左端信號進(jìn)入，下邊左端信號輸出，總體走線呈圓形，板子背面接地，迎合了信號的流向，達(dá)到了比較好的效果。同時在電路板四周設(shè)計覆銅底線，方便制作金屬屏蔽盒，提高整個傳感器的抗干擾能力。PCB 板圖如圖12所示。

圖11 系統(tǒng)原理電路圖

圖12 脈搏傳感器PCB 電路板

4 結(jié)束語

本基于PVDF 壓電薄膜材料的傳感器經(jīng)過實(shí)際的制作和測試，完全能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的設(shè)計指標(biāo)，具有良好的抗干擾性和線性度，較好地實(shí)現(xiàn)了由脈搏跳動的動能轉(zhuǎn)化為電信號的功能。在遲滯比較器電路單元中也可將其替換成A/D 轉(zhuǎn)換器和接口電路，從而提供給計算機(jī)進(jìn)行處理和運(yùn)算［10］。

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