- 壓電薄膜傳感器在生命特征監測方面的應用
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2010/3/15
壓電薄膜擁有獨一無二的特性，作為一種動態應變傳感器，非常適合應用于人體皮膚表面或植入人體內部的生命信號監測。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護方面的典型應用。
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，橫向上會產生很大的應力，而如果對薄膜大面積施加同樣的力時，產生的應力會小很多。因此，壓電薄膜對動態應力非常敏感，28μm厚的PVDF的靈敏度典型值為10 ~ 15mV / 微應變（長度的百萬分率變化）。
使用‘動態應力’這個術語是因為形變產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應力。當需要探測不同水平的預應力時，這反而成為壓電薄膜的優勢所在。薄膜只感受到應力的變化量，最低響應頻率可達0.1Hz.
壓電薄膜很薄，質輕，非常柔軟，可以無源工作，因此可以廣泛應用于醫用傳感器，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（在某些結構中，甚至還可以產生少量的能量）。而且壓電薄膜極其耐用，可以經受數百萬次的彎曲和振動。
利用壓電薄膜的動態應變片特性，可以輕松的將壓電薄膜直接固定在人體皮膚上（例如手腕內側）。精量電子—美國MEAS傳感器的產品型號1001777是一款通用傳感器，傳感器的一側涂有壓力敏感膠。但這款膠未經生物兼容性認證，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。
壓電薄膜之所以即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膜的壓電響應在相當大的動態范圍內都是線性的（大約14個數量級）。多數情況下，只要能明顯區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）對電擊的反應作為檢驗麻醉效果的指示器（神經肌肉傳導）。
Minisense100是精量電子的一款標準產品，采用懸臂梁設計，一端用硬性PCB板夾緊并帶有連接引腳，另一端裝有質量塊。
質量塊使傳感器在受到振動時連貫反應。質量塊‘保持不動’，而薄膜部分發生形變，從而產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（內置RF遙感設備）。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。傳感器感測到胸卡被摘下時會將胸卡設置成睡眠狀態；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。
聽診
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。在該應用中，傳感器元件通常都封裝在傳統的金屬聽診頭中，因為傳感器需要與身體形成‘作用力’。一旦動態的壓力信號轉換成電信號，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、或傳輸到遠程基站進行進一步分析存儲等。
一個復合聲傳感器可以同時監控多個點。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.的監護床報警系統在床墊和被單之間安裝了一組傳感器。病人坐或躺在監護床上時，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。柔性開關用于采集靜態信號，病患所有的動態信號都由壓電薄膜采集并轉換成相應的電信號，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。
嬰兒呼吸監控儀
Infantrust 公司利用PVDF對應力極端敏感的特性開發了一款輔助育兒產品Respisense。把監控儀夾在紙尿片貼近嬰兒腰部的位置，監控嬰兒心跳。Respisense中的壓電薄膜與腹部皮膚直接接觸，在設定的時間內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嬰兒仍沒有反應，報警器將被啟動。
呼吸熱電監測
PVDF對溫度的動態變化也相當敏感（28μm厚壓電薄膜的典型值是8V/oC）。英國C-Lect醫療公司開發了一款監控器，用來監測呼吸速率。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生強勁的電信號。即使吸入的是加熱過的氧氣/空氣，測量結果仍然十分準確。PIPPA監控器由電池供電，LCD顯示每分鐘的呼吸次數。
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，響應速度快，柔軟，并且探測面積大。
結論
從以上應用案例看出，壓電薄膜可以替代傳統元件來探測并傳送生命特征信號至醫療監護系統。相信在不久的將來，壓電薄膜會憑借其諸多優點，更廣泛的應用于治療和監護中。
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