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传感器
生物医学工程的传感器，没重点，主要是给自己梳理知识框架的，如果大伙有用可以自取，同不全，没办法捏T_T
编辑于2022-09-21 19:39:47 广东- 传感器
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传感器
生物医学传感器与电阻电容
传感器的定义和组成
定义
把特定的被测量信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置
传感器是一种测量器件或装置
“特定的被测量信息”
非电量
电量
物理量、化学量、生物量
某种可用信号输出
转换
传感器
变换器
变送器
换能器
转换器
探测器
目的
测量装置，获取信息
工作机理
敏感元件
输出信号
通常是适于测量的电信号
生理参数
电学量参数
机体的各种生物电
心电
脑电
肌电
神经元放电
生物电电极
非电学量参数
利用材料的物理变化
电容
电阻
电感
物理传感器
利用化学反应原理，把化学成分、浓度转换成信号
化学传感器
利用生物活性物质选择性识别来测定生化物质
生物传感器
微纳传感器分类
按输入信号类型
热敏
光敏
声敏
力敏
磁敏
湿敏
气敏
放射性敏感
色敏
按输出信号类型
模拟传感器
数字传感器
开关传感器
频率传感器
具体用途
压力传感器
拉力传感器
加速度传感器
敏感材料
金属传感器
半导体传感器
陶瓷传感器
磁性传感器
传感器的组成
敏感元件
预变换器，直接感受被测量并输出与被测量有对应关系的其他量
转换元件
变换器，将输入的非电量转换成电量
基本转换电路
将转换元件输出的电量转换为能用常规电路处理的电信号（电压、电流、频率）
作用
生理信息
非电量
传感器
电量
信息处理
电量
显示
生物医学传感器
拾取被测的生理参数并转换为与之相对应的电信息
以提供生物医学基础和临床研究与分析所需的数据
相当于"电五官"
信息处理的功能
对传感器输出的电信息进行加工处理以利于显示和记录
显示和记录
显示、记录与被测量有确定关系的电信息
传感器的静态特性
描述传感器静态特性的技术指标
定义
输入量不随时间改变时，输出和输入量的特性
灵敏度
K=dy/dx
稳态条件下
非线性误差（线性度）
△ymax
实际曲线与拟合直线之间的最大值
YFS
输出满度
实际曲线最大减最小
拟合直线
原则
保证尽可能小的线性误差，方便计算与使用
定义
在输入量变化允许范围内，用满足一定条件的直线来近似地代表实际曲线或其中的一段，该直线称拟合曲线
最小二乘法
理论拟合
过零旋转拟合
端点连线拟合
端点平移拟合
迟滞
传感器来说 圈小好
正行特性与反行特性不一致
输入量同一大小
输出量不同
重复性
多次测量输入输出曲线不一致
多次曲线越重合
重复性好
误差小
不重合
重复性差
误差大
导致原因
传感器机械部分
磨损
间隙
松动
部件的内摩擦
积尘
辅助电路老化
漂移
动态特性
定义
测动态信号时，输出输入响应特性
输入量随时间变化时传感器的响应特性
研究方法
阶跃响应法
频率响应法
例子
热电偶
二阶系统
阶跃响应特性
时间常数
一阶传感器输出上升到稳态值的63.2%所需的时间
反映了系统的惯性，越大惯性越大，响应时间越慢
延迟时间
传感器到达稳态值的50%所需的时间
上升时间
有振荡的传感器
从零上升到第一次稳态值所需的时间
无振荡的传感器
从稳态值的10%到90%所需的时间
峰值时间
二阶传感器输出响应曲线达到第一个峰值所需的时间
超调量
二阶传感器输出超过稳态值的最大值
稳定误差
当t趋于无穷时，传感器阶跃响应的实际值与期望值之差
响应时间
响应曲线衰减到稳态值之差的5%或2%所需要的时间（或称过渡过程时间）
频率响应特性
将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入传感器
输出正弦的幅值、相位、频率之间的关系
通频带
传感器的增益保持在一定之内的频率范围，对应有上、下限截止频率
时间常数
表示一阶传感器的动态特性，越小则频带越宽
固有频率
用来表征二阶传感器的动态特性，越大则快速性越好
电阻
实际电阻的表示
电阻的标注
实际电阻图片
欧姆定律
电容
定义式
决定式
电容器材料分类、代号及命名方法
固定电容器
电容量固定不可调
分类
瓷介电容器
云母电容器
涤纶薄膜电容器
金属化纸介电容器
电解电容器
按介质来分类
陶瓷电容器
电解电容器
薄膜电容器
极化
极化
指事物在一定条件下发生两极分化，使其性质相对于原来状态有所偏离的现象
描述极化行为的几个宏观参数
介质极化的宏观标志
束缚电荷的出现
对介质极化的描述
电偶极矩
极化强度P
极化弛豫
经过一段时间后，介质的电极化强度才能达到一个稳定值P
所经历的时间称为弛豫时间
各向异性电介质中P,D,E的关系
介电常数张量与晶体对称性之关系
极化的微观机理
电子位移极化
特点
快极化
不产生能量损耗
电子极化率与温度无关
离子位移极化
特点
快极化
不产生能量损耗
与温度T有关
T升高，离子晶体的弹性联系减弱，离子位移极化增强
取向极化
特点
慢极化
与温度有关
T高，取向慢
空间电荷极化
特点
慢极化
非均匀介质
电介质
在电场作用下具有极化能力并能在其中长期存在电场的一种物质
具有极化性质
能长期存在电场
特点
以感应极化的方式而不是传导的方式来传递电的作用和影响
电介质材料和导电材料的最基本的区别
RC滤波电路
低通滤波电路
高通滤波电路
带通滤波电路
半导体技术
摩尔定律
集成电路的集成度每三年翻两番
微电子工业每下一步发展的线宽大约是前一步的0.7倍
半导体基本属性
能带结构
预备知识
晶体
由周期排列的原子构成的物体
晶格
周期性结构
如简单立方
面心立方
体心立方
晶胞
周期性重复单元
固体物理学原胞
最小重复单元
结晶学原胞
为反映对称性选取的最小重复单元的几倍
自由电子
不受任何电荷作用（势场为零）
孤立原子中的电子
本身原子核及其他电子的作用
晶体中的电子
严格周期性势场（周期排列的原子核势场及大量电子的平均势场）
导带
在绝对零度下，半导体的价带是满带，受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子变为导带
禁带
价带
半导体或绝缘体中，在0K时就能被电子占满的最高能带
半导体、绝缘体及金属
主要区别
禁带宽度和导带程度
金属导带半满
半导体禁带在1eV左右
硅为1.12eV
绝缘体禁带宽且导带空
在绝对温度为0情况下
半导体和绝缘体能带类似，价带被电子占满，中间为禁带，导带是空带。
因此外电场下并不导电
外界条件发生变化是，温度升高或有光照时，满带中有少量电子可能被激发到导带，使导带底部附近有少量电子，因此在外电场作用下，这些电子将参与导电
绝缘体禁带宽，激发能量大，通常温度导电性差
半导体禁带宽度小，常温具有一定导电能力
锗禁带宽度0.67eV,砷化镓为1.43eV，硅为1.12eV，金刚石大概为6-7eV
本征半导体和掺杂半导体
本征半导体
纯净的、不含其他杂质的半导体
本征激发
在某温度下，价带电子受热激发而跃迁至导带，成为导带电子，同时在价带留下导电空穴的过程
多数载流子和少数载流子
半导体运输过程中起主要作用的载流子，称多数载流子；起次要作用的载流子，未少数载流子
N型半导体
多子
电子
掺5价元素
浅施主
P型半导体
多子
空穴
原子中的价电子激发为自由电子时，原子中留下空位，同时原子因失去价电子而带正电
掺3价元素
浅受主
掺杂方式
高温扩散掺杂
离子注入
载流子运动
漂移运动
电子和空穴漂移电流密度
在半导体两端加上电压，内部就形成电场
电子和空穴漂移方向相反
但所形成的漂移电流密度都是与电场方向一致的
因此总漂移电流密度是两者之和
迁移率
载流子在单位电场作用下的平均速度
电导率与迁移率关系
扩散运动
扩散运动的概念
平衡载流子浓度
在一定温度下，载流子浓度是一定的
非平衡载流子浓度
在外界作用下，能带中的载流子数目发生明显改变，即产生非平衡载流子
扩散运动电流密度
总的载流子电流密度公式
霍尔传感器
霍尔效应
通过电流的导体放入均匀磁场中，若磁场与电流的方向相垂直，则在磁场作用下，载流子的运动方向发生偏转。这样在垂直于电流与磁场方向上就会形成电荷积累，出现电势差
霍尔电压推导
用载流子迁移率表示电子运动速度
霍尔系数
反映材料霍尔效应的强弱
霍尔元件灵敏度
表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压大小
霍尔效应的应用
一些基本概念
本征半导体
完全没有杂质和缺陷的理想纯净和完整的半导体
本征激发
在某温度下，价带电子受热激发而跃迁至导带，成为导带电子，同时在价带留下导电空穴的过程
空穴
一种假想粒子，代表了半导体中近满带价带中空着的状态，具有正电子电荷和正有效质量，描述了半导体近满带中大量电子的整体行为
施主
指半导体中以贡献电子方式形成电子电导的杂质
受主
能接受半导体中的价带电子，产生同数量的空穴的杂质
施主能级
被施主杂质束缚着的电子的能量状态
受主能级
被受主杂质束缚着的电子的能量状态
导带
0K时未被电子占满的最高能带
价带
0K时能被电子占满的最高能带
迁移率
载流子在单位电场作用下的平均漂移速度
多数载流子和少数载流子
半导体运输过程中起主要作用的载流子，称多数载流子；起次要作用的载流子，未少数载流子
霍尔效应
通过电流的导体放入均匀磁场中，若磁场与电流的方向垂直，则在磁场作用下，载流子的运动方向发生偏转。这样在垂直于电流和磁场的方向上就会形成电荷积累，出现电势差
这样在垂直于电流和磁场的方向上就会形成电荷积累，出现电势差
PN结和二极管
费米分布函数
描述每个量子态被电子占据的几率随E的变化
费米能级
当系统处于热平衡状态，也不对外界做功的情况下，系统中增加一个电子所引起的系统的自由能的变化
温度为0K时固体能带中充满电子的最高能级
本征费米能级
本征半导体中的费米能级
价带有效状态密度
Nv
valence
导带有效状态密度
Nc
conduction
Nc、Nv
pn结
采用不同的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体制作在同一块半导体上，在它们交界面就形成空间电荷区称为PN结
空间电荷区和内建电场
由于浓度差，电子和空穴都要从浓度高的区域向浓度低的区域扩散
交界面P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子
交界面处出现由数量相等正负离子组成的空间电荷区，并产生由N区指向P区的内建电场EIN
pn结形成过程
势垒高度
对于硅
pn结宽度
N区宽度
P区宽度
pn区宽度转换
非平衡状态下的pn结
导通状态
外加正向电压
外加电压与内电场方向相反，内电场削弱
扩散运动大大超过漂移运动
N区电子不断扩散到P区
P区空穴不断扩散到N区
形成较大的正向电流
截止状态
外加反向电压
外加电场与内电场方向相同，增强了内电场
多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流
因为是少子漂移运动产生的，反向电流很小
pn结宽度
三种状态下pn结
势垒电容
pn结上外加电压的变化，引起了电子和空穴从势垒区的“存入”和“取出”作用
子主这种pn结的电容效应称为势垒电容
扩散电容
势垒电容和扩散电容注意点
势垒电容和扩散电容均是非线性电容
势垒电容在正偏时和反偏时均不能忽略
反向偏置时，由于少数载流子数目很少，可忽略扩散电容
半导体二极管
电流和电压关系
二极管加工方法
合金法
扩散法
离子注入法
外延法
直接键合法
光电传感器
光电管
每个光子具有能量
结构和基本原理
伏安特性
光谱特性
一般光电阴极材料不同的光电管有不同的红限频率
因此可用于不同的光谱范围
同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同
功函数
把一个电子从固体内部刚刚转移到固体表面所需的最少能量
光电倍增管
结构及工作原理
主要性能
光电效应
内光电效应
现象
物体受光照射后，其原子的外层电子脱离原子核的束缚成为自由电子，这些自由电子不会脱离物体内部，但会使物体的电阻率发生变化或产生电动势
分类
光电导效应
在光线作用下，电子吸收光子能量后引起物质电导率发生变化的现象称为光电导效应
光生伏特效应
在光线照射下，半导体材料吸收光能后，引起PN结两端产生电动势的现象
外光电效应
在光线照射下，电子吸收光子的能量后，一部分用于克服物质对电子的束缚，另一部分转换为逸出电子的动能
当光子的能量大于电子逸出功时，物质内的电子脱离原子核的吸引向外逸出，就产生了外光电效应
逸出功
把一个电子从固体内部刚刚移到此物体表面所需的最少的能量
光敏电阻
结构
基本原理
光电导效应
提高灵敏度
主要参数和基本特性
暗电阻和暗电流
光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电阻，此时的电流为暗电流
亮电阻与亮电流
光敏电阻在受到光照时的电阻称为亮电阻，此时的电流称为亮电流
光电流
亮电流与暗电流之差
光照特性
恒压偏置电路
光敏二极管
光电池
光吸收
分光光度计组成原理框图
朗伯特-比尔定律
透光度
吸光度
例题
发光二极管
载流子复合
直接复合
电子由导带跃迁到价带的空状态，使电子和空穴成对地消失
少数载流子从产生到复合的时间成为少数载流子的寿命
禁带宽度越小，直接复合的几率越大
直接带隙半导体
电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴只需要吸收能量的半导体
砷化镓
间接复合
电子和空穴通过禁带的能级（复合中心）进行复合
导带电子落入复合中心能级，再落入价带与空穴复合
间接带隙半导体
电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴不只需要吸收能量，还要改变动量的半导体
硅、锗
杂质和缺陷在半导体禁带中形成能级，它们不但影响半导体导电性能，还可以促进非平衡载流子的复合而影响其寿命
半导体中杂质和缺陷越多，载流子寿命就越短
PIN型二极管
在掺杂浓度很高的p型、n型半导体之间加一层轻掺杂n型材料，成为i（本征层）
由于是轻掺杂，电子空穴浓度很低，加反偏电压后形成一个很宽的空间电荷层
非平衡态下的PN结
不同的结
同质结
由同种材料组成的结
异质结构
由不同材料组成的结
反型异质结
由导电类型相反的两种不同的半导体单晶体材料形成的异质结
同型异质结
由导电类型相同的两种不同半导体单晶体材料所形成的异质结
一般将禁带宽度较小的半导体材料写在前面
CCD图像传感器
MOSFET
全称
金属-氧化物半导体场效应晶体管
结构
平行板电容
上下金属极板，中间为绝缘材料
二氧化硅相对介电常数为3.9
MOS结构
具有Q随V变化的电容效应，形成MOS电容
外加电压影响
多数载流子堆积状态
金属与半导体表面加负压，表面处能带向上弯曲
多数载流子耗尽状态
金属与半导体表面加正压，表面处空穴远低于体内空穴浓度
少数载流子反型状态
当金属与半导体表面间正压进一步增大，表面处费米能级位置可能高于禁带中央能量
使得在表面处的少子电子浓度高于多子空穴浓度，则表面处导电类型就发生改变，称为反型层
VGS影响
1
在栅压为零时，源电极和漏电极被两个背靠背的PN结隔离，这时即使在源漏之间加上电压，也没有明显的漏源电流
2
特性曲线
激光传感器
激光原理
自然界中存在的光，发光原理是原子和分子的跃迁
受激辐射
自发辐射
激光的单色性
例题
激光的特点
单色性好
方向性好
相干性好
亮度高
基本结构
激光工作物质
提供形成激光能级结构体系
谐振腔
为激光器提供反馈放大机构，放大与选模
泵浦源
提供形成激光的能量机理，外因形成激光对工作物质的要求
激光器的分类
气体激光器
氦氖激光器
固体激光器
红宝石激光器
液体激光器
染料激光器
半导体激光器
光纤激光器
光纤传感器
光纤
能够传输光线的纤维叫光导纤维
光纤传感器
光纤技术
通信技术
传统传感器与光纤传感器的区别
光纤传感器特点
高灵敏度
抗电磁干扰
电绝缘性好
环境适应强
远距离测量
体积小
功耗低等
斯奈尔定律
全反射光
光由相对光密介质射向相对光疏介质，且入射角大于临界角即可发生全反射
光纤的传播
光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤
光纤在光纤端面入射角减小到某一角度时发生全反射
模型
推导
数值孔径（NA）
意义
模式
光纤传感器的分类
按折射率
按传播模式
压电传感器
晶体理论
晶体的定义
晶体的通性
解理性
自限性
晶面角守恒定律
各向异性
对称性
晶体的分类
7个晶系
32个点群
11个具有对称中心
21个非中心对称晶体受应力，只有1个不显示电极性（432点群），其余皆具有压电性
压电效应
逆压电效应
热释电效应
铁电体
晶体分类框图
压电传感器
压电效应
正压电效应
逆压电效应
表达式
传感器
例题
自发极化与铁电效应
铁电体的电畴结构
压电传感器应用
第八章 生物电信号与生理电极
静息电位
定义
在没有任何刺激时，细胞内外存在电位差，这一电位差叫静息电位
静息电位产生的原因
细胞膜内外液体中离子浓度不同
细胞膜对不同种类的离子的通透性不同
静息电位产生过程
玻尔兹曼能量分布定律
细胞膜内外的主要离子浓度
膜电位（膜内）数值
RP形成机制
动作电位
定义
去极化过程（除极）
当细胞受到的刺激达到阈值以上时，钠离子的通透性突然增大，大量的钠离子在浓度梯度和电场的双重作用下涌入膜内，使膜内电位迅速提高，膜电位降低（即绝对值）
复极
动作电位图
阈电位
激活电压性门控钠离子通道的临界值，一般比静息电位小10~20mV（绝对值）
阈电位先引起一定数量的钠离子通道开放，钠离子迅速大量内流，从而引发更多数量的钠离子通道开放，爆发AP
正反馈
锋电位
后电位
膜电位
存在于膜两侧的电位差
极化状态
安静状态时，膜电位外正内负
超极化
静息电位绝对值增大
去极化
膜内静息电位绝对值减小
复极化
去极后向静息电位恢复的过程
超射值
去极化超过0电位的部分
绝对不应期
无论多强的刺激也不能再次兴奋的期间
相对不应期
大于原先的刺激强度才能再次兴奋期间
超常期
小于原先的刺激强度便能再次兴奋的期间
低常期
大于原先的刺激强度才能再次兴奋的期间
动作电位的特性
神经冲动的传播
对于大细胞，动作电位可以由它的某部分产生，再传导到另一部分。在肌肉组织中，可以由一个细胞传到另一个细胞
除极时，膜外的正电荷被吸入膜内，使临近区域的电位降低，膜内的负电荷也移入正电区，导致临近区域的电位上升，结果临近区域的电位发生变化，引起钠离子的通透性突然增加，从而触发动作电位
神经元
细胞体
突起
树突
接受传入的信息传向细胞体
轴突（神经纤维）
内部是轴浆（稀电解质）
外部是圆柱形细胞膜
电缆学说
电阻
纵向电阻叫轴浆电阻
单位长度的轴浆电阻
纵向电流
是轴浆的电解质中的钾离子、钠离子、氯离子可以沿轴突流动
横向电阻叫膜电阻
横向电流（膜电流）
这些离子跨越细胞膜运动
膜电阻表示离子通过膜的能力
电容
两个导体
细胞内液和外液都是含有电解质的溶液
绝缘体
细胞膜是含脂肪的膜
膜电位
膜电位E用来表示静息电压的大小
内容
把神经纤维看成是一根特殊的电缆，由于轴浆电阻、膜电阻和膜电容的组合，使电流对着膜电位的影响起着依距离而衰减和在时间上的延迟作用。神经细胞的这种性质可以比较好地解释电流对神经膜的作用，因此被称为电缆学说
被动膜
当外界的刺激低于细胞兴奋的阈值时，细胞不会产生动作电位，但细胞的膜电位还是会发生，而细胞膜的电阻、电容和膜电动势不发生变化的膜
等效电路
生理电极
电极
电流在生物体内是靠离子传导的，在电极和导线中是靠电子传导的
而在电极和溶液界面上则是将离子电流转变成电子电流或将电子电流转变成离子电流，从而使生物体和仪器体系构成了电流回路
这种起换能器作用的器件称为电极
分类
宏电极
体表电极
使用时放在生物体皮肤表面
分类
金属板电极
吸附电极
浮式电极
干电极
柔性电极
体内电极
使用时穿透皮肤的电极
皮下电极
穿透皮肤直接与细胞外液接触的电极
植入电极
长期埋植于体内的电极，用以控制或替代生物体内的某些功能
要求阻抗小、无毒无害、相容性好
微电极
主要用于研究细胞生物电现象的针形电极
检测电极
由于生物体内的物理、化学变化使生物体内各个部分的正负电荷分布不均匀，从而导致生物体内不同部位或细胞内外的电位不等
测定不同部位的电位需要用电极把这个部位的电位引导到电位测量仪器上进行测量，这种电极称为检测电极
刺激电极
对生物体施加电流或电压所用的电极
作用
研究可兴奋组织的传导和反应规律
向生物体内输入外加电流以便达到治疗某种疾病的目的和替代生物的某些功能
控制或替代生物体某些功能
图片
极化现象
平衡电极电位（电极电位、半电池电位）
当没有电流通过电极/溶液界面时电极所具有的电位
描述
双电层模型（GCS）
电极极化对生物电位的检测和电刺激的影响
电极极化
脑电传感器
引言
脑科学与神经技术
经颅电刺激
神经反馈
人脑研究什么
中国脑计划
认知的神经回路机制
脑启发计算
脑部疾病的早期诊断和干预
中医的引入
非人类灵长类动物研究
机器与人类智能
脑机接口（BCI）
脑电简介
脑电发现史
1875年英国克顿首先在兔子以及猴子的大脑皮质层测到直流电压信号
1924年德国的精神科医生翰思贝鲁加发现人脑也产生一种电信号
1929年翰思贝鲁加首次发表了【人脑电信号】的论文
1933年英国的尔多里安等人进一步证实并确认了脑电信号。从而形成了脑电图理论
脑电原理
神经细胞的跨膜静息电位为-70mV，为静息状态，受刺激后，膜内电位上升，开始除极化，形成动作电位
由于组织很厚，而单个神经元电活动非常微小，不能在头皮记录到。能在头皮上测量到的是由大量神经组织的突触后电位同步总和而成
脑电波是由大脑皮层中无数个神经元同步化的电活动形成的，同步化作用通常认为受脑干的控制
脑电图EEG：electroencephalography
脑电的测量
自发脑活动
在无明显感觉刺激情况下，大脑皮层经常自发产生的节律性变化
（10~100μV，<50Hz）
诱发脑电位
由于外界诱发引起的脑电位变化
（0~100μV）
脑电图
应用记录电极在头皮表面所记录的自发脑电活动
皮层电图
在开颅情况下，应用记录电极在皮层表面所记录的自发脑电活动
图
脑电(EEG)
脑电传感器设计
EEG电极
信号采集及处理
数据分析系统