壓電薄膜傳感器在生命特征監(jiān)測方面的應(yīng)用

壓電薄膜擁有獨一無二的特性，作為一種動態(tài)應(yīng)變傳感器，非常適合應(yīng)用于人體皮膚表面或植入人體內(nèi)部的生命信號監(jiān)測。一些薄膜元件靈敏到足以隔著外套探測出人體脈搏。本文將著重介紹幾種壓電薄膜在生命特征監(jiān)護方面的典型應(yīng)用。

當你拉伸或彎曲一片壓電聚偏氟乙烯 PVDF 高分子膜（壓電薄膜），薄膜上下電極表面之間就會產(chǎn)生一個電信號（電荷或電壓），并且同拉伸或彎曲的形變成比例。一般的壓電材料都對壓力敏感，但對于壓電薄膜來說，在縱向施加一個很小的力時，橫向上會產(chǎn)生很大的應(yīng)力，而如果對薄膜大面積施加同樣的力時，產(chǎn)生的應(yīng)力會小很多。因此，壓電薄膜對動態(tài)應(yīng)力非常敏感，28μm厚的 PVDF 的靈敏度典型值為10 ~ 15mV /微應(yīng)變（長度的百萬分率變化）。

使用“動態(tài)應(yīng)力”這個術(shù)語是因為形變產(chǎn)生的電荷會從與薄膜連接的電路流失，所以壓電薄膜并不能探測靜態(tài)應(yīng)力。當需要探測不同水平的預應(yīng)力時，這反而成為壓電薄膜的優(yōu)勢所在。薄膜只感受到應(yīng)力的變化量，最低響應(yīng)頻率可達0.1Hz。

壓電薄膜很薄，質(zhì)輕，非常柔軟，可以無源工作，因此可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)用傳感器，尤其是需要探測細微的信號時。顯然，該材料的特點在供電受限的情況下尤為突出（在某些結(jié)構(gòu)中，甚至還可以產(chǎn)生少量的能量）。而且壓電薄膜極其耐用，可以經(jīng)受數(shù)百萬次的彎曲和振動。

接觸式傳感器

利用壓電薄膜的動態(tài)應(yīng)變片特性，可以輕松的將壓電薄膜直接固定在人體皮膚上（例如手腕內(nèi)側(cè)）。精量電子—美國MEAS傳感器的產(chǎn)品型號1001777是一款通用傳感器，傳感器的一側(cè)涂有壓力敏感膠。但這款膠未經(jīng)生物兼容性認證，在短期試驗中可以將3M9842（聚亞安酯膠帶）固定在皮膚上，再將壓電薄膜傳感器粘貼在3M 膠帶上。

圖1顯示的是利用電荷放大器（低頻為1Hz，靈敏度為1mV/pC）取得的脈搏信號。輸出大約為130mV（相當于約100mV 的開路電壓），換算成動態(tài)應(yīng)力約為 8με。

圖1中的信號是在手部放松時取得的。彎曲或轉(zhuǎn)動手腕可以產(chǎn)生更大振幅的信號，尤其是在預放大器的頻率設(shè)置得很低時。圖2顯示出重復握緊和松開物體時壓電薄膜傳感器的反應(yīng)，輸出振幅為3V左右（開路），或大約250με的動態(tài)應(yīng)力。

壓電薄膜之所以既能探測非常微小的物理信號又能感受到大幅度的活動，是因為PVDF膜的壓電響應(yīng)在相當大的動態(tài)范圍內(nèi)都是線性的（大約14個數(shù)量級）。多數(shù)情況下，只要能明顯區(qū)分目標信號和噪聲的帶寬，細小的目標信號都可以通過過濾器采集到。

類似的傳感器已在睡眠紊亂研究中用于探測胸部、腿部、眼部肌肉和皮膚的運動。另外，傳感器可以通過探測肌肉（例如拇指和食指之間的肌肉）對電擊的反應(yīng)作為檢驗麻醉效果的指示器（神經(jīng)肌肉傳導）。

加速度傳感器

Minisense100是精量電子的一款標準產(chǎn)品，采用懸臂梁設(shè)計，一端用硬性PCB板夾緊并帶有連接引腳，另一端裝有質(zhì)量塊。

質(zhì)量塊使傳感器在受到振動時連貫反應(yīng)。質(zhì)量塊保持不動，而薄膜部分發(fā)生形變，從而產(chǎn)生非常高的電壓靈敏度（大約 1V/g）。由這個元件派生出其他生命特征傳感器，例如工作人員或病患佩戴的智能胸卡（內(nèi)置RF遙感設(shè)備）。通過階段性采集佩戴者的信號來確定其位置和跟蹤其狀態(tài)。傳感器感測到胸卡被摘下時會將胸卡設(shè)置成睡眠狀態(tài)；如果傳感器感受到身體任何部位的運動，肌肉的震顫，甚至是脈搏的振動，會喚醒胸卡。

將傳感器用一條輕薄而有彈性的綁帶固定在胸部，可以“聽”到心音的細節(jié)。如果傳感器電氣接口頻率非常低，同時還可以監(jiān)控呼吸的情況（見圖3）。這個波形圖顯示呼吸引起的胸腔運動，大約 4 秒鐘一個信號周期；同時也顯示出心跳的信號，大概每秒一次（60bpm）。將濾波器設(shè)置為1Hz~10Hz濾除圖3 波形中的呼吸信號和噪聲，可以獲得心跳的實時信號（見圖4）。

圖4波形中所有的信號都是在病人休息時采集的。人體的運動會輕易影響心跳的信號，這一點可以通過一個加速度計驗證。應(yīng)用一個懸臂梁結(jié)構(gòu)的加速度計（傳感器尺寸 1.3 x3mm）在心臟起搏器上，監(jiān)測病人的運動狀態(tài)，以相應(yīng)調(diào)整起搏器的速率。

聽診器

很多電子聽診器都采用了壓電薄膜作為傳感器元件，因為它耐用，靈敏度高，帶寬范圍寬。在該應(yīng)用中，傳感器元件通常都封裝在傳統(tǒng)的金屬聽診頭中，因為傳感器需要與身體形成“作用力”。一旦動態(tài)的壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，就可以有選擇性的過濾或放大、作為音頻信號回放、運用更復雜的運算方法判斷出具體的狀況、或傳輸?shù)竭h程基站進行進一步分析存儲等。

傳感器組

一個復合聲傳感器可以同時監(jiān)控多個點。Deep Breeze公司用一個有差不多100個傳感器的傳感器組采集病人吸氣和呼氣的聲音信息。用真空罩將傳感器貼在皮膚表面。采集到的信號在加工處理后轉(zhuǎn)換成聲音的“圖像”，因而氣管和肺里的氣流可以像動畫片一樣成像。任何異物和不正常現(xiàn)象在這些圖像中都一目了然。這種方式比X光可靠，而且安全。

病床監(jiān)護

壓電薄膜和壓電電纜都可以安裝在床墊上探測病人的心跳、呼吸和身體運動。Hoana Medical Inc. 的監(jiān)護床報警系統(tǒng)在床墊和被單之間安裝了一組傳感器。病人坐或躺在監(jiān)護床上時，傳感器可以隔著衣服和被單準確測量收集患者的生命特征信息。柔性開關(guān)用于采集靜態(tài)信號，病患所有的動態(tài)信號都由壓電薄膜采集并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，在病床邊上的顯示器顯示。病人的心率和呼吸速率不正常，或病人擅自下床時，系統(tǒng)可以提前報警。這一切都由傳感器完成，而無需與病人直接接觸。

嬰兒呼吸監(jiān)控儀

Infantrust 公司利用 PVDF 對應(yīng)力極端敏感的特性開發(fā)了一款輔助育兒產(chǎn)品 Respisense。把監(jiān)控儀夾在紙尿片貼近嬰兒腰部的位置，監(jiān)控嬰兒的心跳。Respisense中的壓電薄膜與腹部皮膚直接接觸，在設(shè)定的時間內(nèi)如果沒探測到嬰兒在活動，震動蜂鳴器將被啟動，輕輕地撥動嬰兒，刺激它呼吸。如果在此后的一段時間內(nèi)嬰兒仍沒有反應(yīng)，報警器將被啟動。

呼吸熱電監(jiān)測

PVDF對溫度的動態(tài)變化也相當敏感（28μm厚壓電薄膜的典型值是8 V/oC）。英國C-Lect醫(yī)療公司開發(fā)了一款監(jiān)控器，用來監(jiān)測呼吸速率。用面罩將一小塊壓電薄膜元件固定在口鼻處，吸進和呼出氣體的溫度變化產(chǎn)生強勁的電信號。即使吸入的是加熱過的氧氣/空氣，測量結(jié)果仍然十分準確。PIPPA監(jiān)控器由電池供電，LCD顯示每分鐘的呼吸次數(shù)。

用壓電薄膜制造的嘴唇接觸式傳感器運用了相同的原理，探測通過嘴或鼻子的氣流。相對于熱敏電阻來說，壓電薄膜靈敏度高，響應(yīng)速度快，柔軟，并且探測面積大。

結(jié)論

從以上應(yīng)用案例看出，壓電薄膜可以替代傳統(tǒng)元件來探測并傳送生命特征信號至醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)。相信在不久的將來，壓電薄膜會憑借其諸多優(yōu)點，更廣泛的應(yīng)用于治療和監(jiān)護中。