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1 氣流傳感器和溫度傳感器在對(duì)新生嬰幼兒呼吸狀況的檢測(cè) 作者： 要 本文講述的是新生嬰幼兒呼吸狀況的檢測(cè)系統(tǒng)的，此系統(tǒng)主要用來(lái)檢測(cè)未成年兒童的呼吸狀況。系統(tǒng)包括了兩種微型高性能指標(biāo)傳感器（濕度傳感器和氣流傳感器）和 51 單片機(jī)。系統(tǒng)能夠檢測(cè)到濕度，并將濕度值顯示出來(lái)，也能檢測(cè)到嬰兒的呼吸率，并 帶有為用戶設(shè)置的報(bào)警裝置。 關(guān)鍵字：氣流傳感器 , 濕度傳感器 , 新生 , 呼吸狀況的檢測(cè) 1. 緒論 由于新生嬰兒的呼吸缺乏穩(wěn)定性、可靠性，并且對(duì)應(yīng)用的傳感器有微型性的要求，使得檢測(cè)新生嬰幼兒呼吸狀況總是具有很大的困難和挑戰(zhàn)。最新設(shè)計(jì)的呼吸檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用了一些高性能的微型傳感器（濕度傳感器和氣流傳感器）和單處機(jī)處理器。在本文中我們描述了這些傳感器、接口電路和處理器。新生嬰幼兒呼吸狀況的檢測(cè)系統(tǒng)將給醫(yī)生和護(hù)士提供一些必要的診斷和冶療信息。濕度傳感器和氣流傳感器已經(jīng)在美國(guó)辛辛那提大學(xué)的微電子傳感器和微機(jī)構(gòu)研究中心設(shè)計(jì)并 構(gòu)建出來(lái)了。這些傳感器可以達(dá)到非常小的體積，非常適合于直接插進(jìn)檢測(cè)呼吸中的器官切開(kāi)技術(shù)試管中，此項(xiàng)研究的先進(jìn)性在于它采用了更簡(jiǎn)單、便宜并具有智能化的設(shè)備。也為檢測(cè)嬰幼兒呼吸狀況開(kāi)啟了新的研究方法。因此進(jìn)一步改善了兒科醫(yī)學(xué)的診斷程序。 2. 對(duì)傳感器的描述 我們選擇了 聚酰亞胺容性濕度傳感器來(lái)進(jìn)行濕度檢測(cè)。對(duì)應(yīng)不同的濕度，這種傳感器的電容量是不同的。這種傳感器的初始直徑約為 種傳感器由一片硅片構(gòu)成。它的工作原理在吸附水上的聚酰亞胺薄膜電容的電介質(zhì)常數(shù)的變化，如圖 1 所示。我們可以看到，電極是一些同心圓（它有 15μ m 寬度的線條和 10μ m 的間距） ,這些同心圓是暴露在空氣中的，并和一個(gè)大的聯(lián)合襯墊構(gòu)成通路，底部的電極是一個(gè)平坦的金屬薄膜，這種特殊的結(jié)構(gòu)能夠快速的吸收水并蒸發(fā)薄膜上的大部分水蒸氣，適合于吸收傳感器表面的每個(gè)區(qū)域的水。給出 2 半理想混合介質(zhì)常數(shù)公式： ? ?? ?33/113/122 ??? ?? 和ε 2分別是聚酰亞胺和水的介質(zhì)常數(shù)， 算機(jī)仿真后，（考慮到幾何結(jié)構(gòu)，給ε 1 和ε 2 分別賦值，ε 1= 2=80 并參照合適的理想常數(shù)）這種設(shè)備對(duì)于不同的溫度電容表達(dá)式 這里 X 為相對(duì)濕度。在圖 2 中畫(huà)出了它的立體曲線。圖上的點(diǎn)是測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以看出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理想曲線是相一致的。位于相對(duì)濕度為 100%處的三個(gè)點(diǎn)說(shuō)明濃縮水的聚酰亞胺的影響已達(dá)到了飽和。幸運(yùn)的是，一個(gè)嬰兒呼吸的空氣濕度的范圍為 70%到 95%。這種設(shè)備具有良好的濕度穩(wěn)定性。 報(bào)道過(guò)各種聚酰亞胺對(duì)呼吸水的濃縮是獨(dú)立于溫度和厚度的。 經(jīng)發(fā)現(xiàn)聚酰亞胺的介質(zhì)常數(shù)在 50℃－180℃ 的溫度范圍內(nèi)是不依賴于溫度的。傳感器的響應(yīng)時(shí)間在 30s 以內(nèi)（吸收水份的時(shí)間約為 6S，蒸發(fā)水份的時(shí)間比較長(zhǎng)）。考慮到所吸收空氣水分的范圍非常小，響應(yīng)時(shí)間的影響是可以忽略不計(jì)的。 用到的另一種設(shè)備是微型單臂橋氣流傳感器如圖 3 所示。它基本上是單片硅片上的集成導(dǎo)線微型機(jī)構(gòu)。它的活躍元素被提供的電壓（或當(dāng)前的電源）加熱到超過(guò)周?chē)鷾囟?。這種橋電路是對(duì)稱的。在原理上，對(duì)周?chē)娜魏螠囟扔鄶?shù)值應(yīng)是平衡的，然而，橋周?chē)臍饬鲗?duì)橋臂進(jìn)行冷卻，這些臂和氣流是正交的。這時(shí)，把橋設(shè)置成不恒定，并對(duì)應(yīng)于氣流的流速給出一個(gè)輸出電壓。為了當(dāng) 橋臂被流過(guò)的液氖流冷卻時(shí)，增加電阻的變化率，應(yīng)用了一種高度混合物，代替了普通的半導(dǎo)體中的輕度混合物。我們知道，對(duì)于普通的輕度混合物，主要影響電阻溫度常數(shù)的因素是載波遷移率。古典上它主要按著溫度的－ 3/2 次幕指數(shù)進(jìn)行變化，橋臂電阻 R 可以表示為R＝ 3/2。這里 C 是比例常數(shù)。顯然，電阻的濕度系數(shù)非常小，因此對(duì)氣流的敏感度也小，對(duì)電阻濕度小的問(wèn)題的解決是用高度混合物。這里高度混合物不包含離子化的指數(shù)模式進(jìn)行變化。（就像輕度混合物在液氖溫度中一樣）于是，我們得到： R=E/這里 B 是比 例常數(shù)，E 是輕度混合物的特征活躍能量， K 是 數(shù)。在公式當(dāng)中， T－3/2項(xiàng)和指數(shù)項(xiàng)比較起來(lái)，是可以忽略不計(jì)的。這樣就可以提高 100000%濕度敏感度。磷金合金常常被用作高度混合物。熱量短暫?jiǎn)栴}是通過(guò)把具有金涂料的電阻加以相互獨(dú)立和用化學(xué)的方法在橋臂周?chē)g刻各向異性的硅材料來(lái)解決的。為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，通過(guò)在晶片的背面蝕刻各向 3 異性的薄膜來(lái)減少橋材料。最后，氣流傳感器的響應(yīng)時(shí)間可以降到微秒級(jí)范圍內(nèi)。圖 4 畫(huà)出了一個(gè)橋臂（蝕刻 的硅晶片）在不同驅(qū)動(dòng)電源下的響應(yīng)。它的靈敏度和線性度都是 非常好的，適合于對(duì)嬰兒的呼吸檢測(cè)。 3. 對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的描述 上面描述的兩種傳感器由于它們獨(dú)特的特性：體積小、溫度穩(wěn)定性高和容易保持，很適合應(yīng)用于嬰兒的呼吸檢測(cè)系統(tǒng)。為了檢測(cè)呼吸氣體的濕度，把濕度傳感器放在一個(gè)振蕩器中（用的是 555定時(shí)器）輸出頻率相對(duì)于傳感器的相對(duì)濕度。校驗(yàn)了的濕度計(jì)具有 3%的精確度，這很好的達(dá)到了我們的目的。氣流傳感器被濾波電路和整形電路進(jìn)行處理（為了消除不寬于 1脈沖寬度的偏移）。被處理了的信號(hào)是和輸入相對(duì)應(yīng)的。單片機(jī)能夠記錄呼吸的濕度和呼吸率。當(dāng)呼吸超過(guò)允許的范圍時(shí)，它可以報(bào)警。這樣， 就可以讓醫(yī)生和護(hù)士們知道嬰兒實(shí)際的呼吸狀況（太快或太慢，太干或太濕，危險(xiǎn)趨勢(shì)和另外一些緊急狀況）通過(guò)詢問(wèn)兒科醫(yī)師，一系列危急參數(shù)已被公式化出來(lái)，并且存儲(chǔ)于中央處理器中。這數(shù)參數(shù)包括正常的呼吸率，對(duì)沒(méi)有呼吸、太快、太慢的呼吸進(jìn)行報(bào)警，還有濕度范圍。這些系統(tǒng)也適用于給其它的狀況進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警點(diǎn)可以人為設(shè)置來(lái)滿足個(gè)人需要和醫(yī)師們的喜好。圖 5 畫(huà)出了檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。主要的設(shè)備是一片51 單片機(jī)。它可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，危急值設(shè)定、比較、報(bào)警和顯示。一個(gè)彩色的陰極發(fā)射線試管檢測(cè)器用于以形象的圖表形式實(shí)時(shí)顯示實(shí)際的濕 度變化和呼吸率相關(guān)數(shù)據(jù)和危急報(bào)警顯示如：太快、太慢、太濕、太干、從慢到快和從快到慢。所有不同的危急信號(hào)都伴有不同的報(bào)警聲音。嬰兒正常的呼吸率約為每分鐘 44 次。 4. 結(jié)論 我們已經(jīng)介紹了一種價(jià)格便宜、體積微小且具有智能化的系統(tǒng)。醫(yī)生和護(hù)士可以把它當(dāng)成診斷病情的顧問(wèn)。系統(tǒng)用到了兩種傳感器。一個(gè)聚酰亞胺基傳感器和一個(gè)氣流傳感器。系統(tǒng)多項(xiàng)功能如：呼吸率、濕度值顯示、越限報(bào)警顯示、危急趨勢(shì)報(bào)警顯示等都基本上滿足了診斷新生嬰兒的要求。尤其為用用戶設(shè)計(jì)的個(gè)人手動(dòng)設(shè)置報(bào)警功能對(duì)醫(yī)學(xué)實(shí)踐是非常有用的。 致謝 作者感謝 授在作者設(shè)計(jì)此系統(tǒng)和準(zhǔn)備階 4 段所給予的幫助和鼓勵(lì)。 溫度測(cè)量 1. 概論 溫度可能是最廣泛應(yīng)用的物理量。 1595年發(fā)明了第一個(gè)溫度計(jì)而給予很高的榮譽(yù)。好多年過(guò)去了，技術(shù)得到了提高?，F(xiàn)在市場(chǎng)上有很多高精度和高可靠性的溫度計(jì)。新的測(cè)量原理出現(xiàn)了，現(xiàn)在的原理也在得到不斷的提高。這部分，給出了一些選擇合適溫度測(cè)量設(shè)備的基本知識(shí)。然而，選擇儀器對(duì)使用者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行考慮是必要的。在過(guò)程應(yīng)用中，典型的溫度測(cè)量系統(tǒng)包含了熱電偶套管，測(cè)量物體，一些補(bǔ)償線和一個(gè)溫度變送器（當(dāng) 地或遠(yuǎn)程）。溫度測(cè)量物通常有一個(gè)彈簧機(jī)構(gòu)，以確保測(cè)量物體的尖部和筒的內(nèi)底得到確切的連接。 2. 安裝好了的系統(tǒng) 一個(gè)安裝好了的系統(tǒng)包含了一些金屬物體。有：一個(gè)球狀物，小直徑試管（被認(rèn)為是毛細(xì)的）和一個(gè) 簧。一個(gè)指示器連接在 常常用風(fēng)箱和薄膜來(lái)代替。此系統(tǒng)填充了液體或氣體。隨著球狀物測(cè)得的溫度的升高或降低，這些氣體或液體會(huì)膨脹或收縮，這種膨脹或收縮轉(zhuǎn)變成了機(jī)械移動(dòng)，液體引起了體積改變，氣體引起了壓力改變。 應(yīng)用 這種類(lèi)型的溫度測(cè)量常用于當(dāng)?shù)販囟戎甘?。多年過(guò)去了，它的 應(yīng)用已降低了，但現(xiàn)在仍舊有些應(yīng)用。這種設(shè)備是充液管式溫度計(jì)改善來(lái)的。不需要給它提供能量。簡(jiǎn)單，堅(jiān)固，是自封裝的。并且在很窄的溫度范圍內(nèi)是準(zhǔn)確的。但是球體太大了，以至于不能適合現(xiàn)在的應(yīng)用。一旦小球不能工作后，整個(gè)系統(tǒng)必須重新改換（這是昂貴的）。而且毛細(xì)試管被限制在250 共英尺內(nèi)（ 80 米），此系統(tǒng)整體來(lái)說(shuō)響應(yīng)慢，且相對(duì)來(lái)說(shuō)貴。它易受毛細(xì)試管周?chē)鷾囟鹊挠绊憽２⑶医?jīng)常要對(duì)周?chē)鷾囟冗M(jìn)行補(bǔ)償，為了確保精確，這些測(cè)量裝置必須自由泄漏。因此經(jīng)常檢測(cè)和測(cè)試是必要的。毛細(xì)試管應(yīng)該經(jīng)常維護(hù)和保護(hù)，以免損壞。再者，制作毛細(xì)試管的材 料應(yīng)和周?chē)沫h(huán)境相一致。最后，小球必須充分的沉浸，以確保測(cè)量到實(shí)際溫度。 3. 熱電偶 1821 年， 現(xiàn)當(dāng)兩種不同的金屬連接在一起時(shí)，就會(huì)在 5 熱金屬和冷金屬（參考點(diǎn)）的連接處產(chǎn)生熱電勢(shì)（例如 100℃時(shí)，在兩連接點(diǎn)產(chǎn)生了 40V）。溫度越高，產(chǎn)生的熱電勢(shì)越高。以前，冷連接點(diǎn)實(shí)際上是浸泡在冰池里的，這樣做是為了保持參考溫度的穩(wěn)定?，F(xiàn)在，電路已經(jīng)代替了這種冰池。理論上，任何兩種不同的金屬都可以制成熱電偶，如圖 而，基于溫度變化的響應(yīng)特性（即，靈敏度）而只有一些被應(yīng)用。典型的裸露的熱 電偶的響應(yīng)時(shí)間是從 12s。制造的熱電偶線是用來(lái)連接的。往往比較貴。這樣，它本身的應(yīng)用只限制在探測(cè)器本身。熱電偶的補(bǔ)償線應(yīng)統(tǒng)一于熱電偶，它用于連接被測(cè)量設(shè)備或變送器。現(xiàn)代的電子革命已經(jīng)制出了足夠小的變送器?？梢苑庋b在熱電偶箱（或頭）中，這樣安排的好處是可以避免長(zhǎng)距離的傳送非常小的熱電勢(shì)。這樣低的電信號(hào)易受噪聲干擾。 應(yīng)用 有三種基本類(lèi)型的熱電偶結(jié)構(gòu) 陶制球狀。 絕緣的（塑料玻璃或陶制纖維）他們常常是凸出的。 金屬外殼礦物絕緣型。這種外殼通常是不銹鋼，絕緣礦物質(zhì)通常是氧化鎂或氧化鋁。外殼可以很好的保護(hù)熱 電偶不受外部化學(xué)物質(zhì)和機(jī)械的影響。然而由于外殼是單片機(jī)構(gòu)，所以對(duì)它們進(jìn)行剝離和終止比其它類(lèi)型是更因難的。這種連接點(diǎn)應(yīng)被焊接或絕緣。熱電偶可以制成封裝型或裸露型，如果是封裝型的，它們可以是接地或不接地的。當(dāng)接地時(shí)，它們的溫度響應(yīng)快（因?yàn)榈玫搅肆己玫臏囟葌鬟f）然而，它們易受噪聲的響應(yīng)（由于電信號(hào)的波動(dòng)影響）。當(dāng)熱電偶不接地時(shí)，它們的響應(yīng)慢，但是電氣隔離的。熱電偶應(yīng)在熱電偶套管中安裝彈簧。以便于尖端和筒底面保持連接。以確保良好的熱傳遞。如果暴露在處面就會(huì)獲得最快的響應(yīng)。但導(dǎo)線完全處于未保護(hù)狀態(tài)。熱電偶是處于自激勵(lì) 的，簡(jiǎn)單，堅(jiān)固，價(jià)格不貴（是 能夠廣泛的選擇物理形式，提供廣泛的溫度范圍。再者，它們能夠校準(zhǔn)產(chǎn)生特殊曲線。（要額處成本）且容易交換，它們能夠快速響應(yīng)并測(cè)量特殊點(diǎn)。 溫度在測(cè)溫元件上是平均的，熱電偶是在它尖部測(cè)量溫度，因此快。然而，熱電偶的輸出是非線性的且輸出的電壓信號(hào)低。它們需要參考連接點(diǎn)。靈敏度低，在精度上有限制，需要和型號(hào)匹配的補(bǔ)償線。再有，在惡劣環(huán)境下、使用不當(dāng)、時(shí)間不對(duì)的情況下，熱電偶就會(huì)變壞。熱電偶易受信號(hào)波動(dòng)的影響。需要放大電路，然而，放大電路會(huì)錯(cuò) 6 誤指示熱電偶。像超越上限或超 下限指示。氧化和大氣壓的降低會(huì)對(duì)此類(lèi)型熱電偶的應(yīng)用產(chǎn)生影響。然而，如果測(cè)溫元件用熱電偶套管來(lái)保護(hù)，那么這種影響是可以忽略的。