【正文】 樹木發(fā)電 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感器 117 ? 目前 熱門的研究課題 有多功能精密陶瓷材料在傳感器中的應用 、 生物功能性物質(zhì)在傳感器開 發(fā)中的利用 、 微細加工技術制造超小型傳感器的研究等 。 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感器 115 目前對傳感器的研究方向有： ? 對多功能傳感器的研究 ， 它們可以被集成到一起 ， 同時檢測多路信號； ? 對智能傳感器的研究 ， 它是傳感器技術與計算機技術相結合的產(chǎn)物 ， 目前正在開發(fā)的智能傳感器不僅能完成基本的傳感和信號處理任務 ， 還有自診斷 、自恢復及自適應的功能 。 ? 向一位因傷陷入最小意識狀態(tài)達六年之久、只有微弱意識的男性腦中植入電極，然后用電流刺激中央丘腦，結果發(fā)現(xiàn)該男子能辨認出指定物體和做出準確手勢，并且能夠咀嚼食物，擺脫了食管的幫助。相關論文發(fā)表在 8月 2日的《 自然 》 雜志上。 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感器 111 EEG 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感器 112 ECG 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感器 113 ? 2022年美國科學家通過向大腦中植入電極，成功地使一位因傷陷入最小意識狀態(tài) (minimally conscious state)達六年之久的患者辨認出了指定物體，并能做出準確的手勢。 （ 3）利用光導纖維和半導體微光器件研究開發(fā)更 先進的人體測量技術。 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感器 110 4．醫(yī)用傳感器的實用研究 （ 1）體液成分的實時測量：如血液中各種離子、 氣體等的在體實時測量技術。 集成電路加工技術由三大基本技術組成： ① 平面電子工藝技術； ② 有選擇的化學腐蝕技術； ③ 機械切割技術。有人提出用陣列電極或復合酶電極同時 識別多種化學物質(zhì)以實現(xiàn)和人的五種感覺相媲美的生物 傳感器。 模仿生物體中的物質(zhì)膜，現(xiàn)已研究出利用抗原抗體結合 使膜電位變化的人工功能性膜（免疫膜），以及由于固定于 膜上的生物受容物質(zhì)的選擇吸收被測物質(zhì)后而形成復合體性 質(zhì)的膜（酶膜）。 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感器 107 （ 2）生物多功能性質(zhì)與傳感器 在新材料研究中生物功能性物質(zhì)（也稱分子識別物質(zhì)） 的研究在發(fā)展仿生傳感器中引人注目。 特點 : 它是一種多功能陶瓷，并充分發(fā)揮了陶瓷材料固有 的耐熱性、耐磨性、耐腐蝕性、 硬度特性和電特性， 彌補了硅或鍺半導體溫度上限較低的缺點，擴展了 傳感器的應用范圍。 國內(nèi)在 20世紀 90年代初才開始，現(xiàn)已研制出少 量的初級多傳感器信息融合系統(tǒng)。 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感器 100 （ 10）多傳感器信息融合 多傳感器信息融合是指來自多個傳感器的數(shù)據(jù) 進行多級別、多方面、多層次的處理，從而產(chǎn)生新 的有意義的信息，而這種信息是任何單一傳感器所 無法獲得的。 新工藝的含義范圍很廣，這里主要指與發(fā)展新興 傳感器聯(lián)系特別密切的微細加工技術。可以預測，不久的將 來，高分子材料、金屬氧化物、超導體與半導體的 結合材料、超微粒陶瓷、記憶合金、功能性薄膜等 新型材料，將會導致一批新型傳感器的出現(xiàn)。 XCT 就是多維傳感器的實例。 智能化傳感器將數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理等一 體化，它自身必須帶有微型計算機，具備自診斷、 遠距離通信、自動調(diào)零點和量程等功能。目前，低功耗損的芯片發(fā)展很快。微機電系統(tǒng)與微電子技術的結合， 為實現(xiàn)信號檢測、信號處理、控制及執(zhí)行機構集于 一體的微型集成傳感器提供了可能，它們在生物、 醫(yī)學、通信、交通運輸、軍事、航天及核能利用等 領域有非常重要的應用價值。 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感器 94 （ 4）向微型化發(fā)展 各種控制儀器設備的功能越來越大，要求各個 部件體積能占位置越小越好，因而傳感器本身體積 也是越小越好。 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感器 93 （ 3）提高集成化及功能化程度 集成化是實現(xiàn)傳感器小型化、智能化和多功能 化的重要保證，現(xiàn)已能將敏感元件、溫度補償電路、 信號放大器、電壓調(diào)電路和基準電壓等單元電路集 成在一芯片上。 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感器 92 （ 2）向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展 傳感器的可靠性直接影響到電子設備的抗干 擾等性能，研制高可靠性、寬溫度范圍的傳感器 將是永久性的方向。 2022年，產(chǎn)品產(chǎn)銷量繼續(xù)增長，到“十五” 期末，敏感元器件與傳感器年總產(chǎn)量達到 20億 只，銷售總額達約 120億元。 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感器 90 （ 5）全國已有 1688家企事業(yè)單位從事傳感器的研制、 生產(chǎn)和應用，其中從事 MEMS 研制生產(chǎn)的已有 50多家。 （ 3）在“九五”國家重點科技攻關項目中，傳感器技 術研究取得了 51個品種 86個規(guī)格的新產(chǎn)品。 1．我國傳感器技術及其產(chǎn)業(yè)取的進步 （ 1）一是建立了“傳感技術國家重點實驗室”、“微 米 /納米國家重點實驗室”、“國家傳感技術工 程中心”等研究開發(fā)基地。 生物體是工程中任何系統(tǒng)都不能相比擬的極 為復雜的系統(tǒng)，至今尚未被人類完全認識，因此， 生物醫(yī)學測量是未知因素多、復雜性高的測量。 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感器 86 從測量技術上來說，生物醫(yī)學測量屬于 強噪 聲背景下 的 低頻微弱信號 的測量，被測信號是由 復雜的生命體發(fā)出的不穩(wěn)定的自然信號。 數(shù)據(jù)處理和顯示裝置對于現(xiàn)代化儀器，一般 用計算機完成數(shù)據(jù)的記錄、儲存、計算或顯示。 生物電信號： 心電、腦電、肌電等。 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感器 84 傳感器的功能是把各種生理信息轉(zhuǎn)換成可供 測量的電信號或其他可用信號，而電極的功能主 要是把各種生物電信號轉(zhuǎn)換成可供測量的電信號。 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感器 82 3．生物醫(yī)學測量儀器 生物醫(yī)學測量儀器從簡單意義上看是代替 醫(yī)生的手和五官獲取病人的各種信號。 （ 4）對植入體內(nèi)長期使用的傳感器，不應對體 內(nèi)有不良刺激。 （ 2）傳感器的形狀、尺寸和結構應和被檢測部位的 結構相適應，使用時不應損傷組織，不給生理 活動帶來負擔，也不應干擾正常生理功能。 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感器 80 2．醫(yī)用傳感器的要求 考慮到生物體的解剖結構和生理功能，尤其是 安全性和可靠性更應特別重視下列要求： （ 1）傳感器必須與生物體內(nèi)的化學成分相容。 （ 3）良好的穩(wěn)定性和互換性，以保證輸出信號受 環(huán)境的影響小而保持穩(wěn)定。 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感器 79 1．醫(yī)用傳感器的特點 （ 1）較高的靈敏度和信噪比，以保證能檢測出微 小的有用信息。 醫(yī)用傳感器的任務是從這種綜合信息中提取 欲測量的量，并把它變換為電信號。 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感器 78 五、醫(yī)用傳感器的特點和要求 生物體是一個有機整體，各個系統(tǒng)和器官 有各自的功能和特點，但又彼此依賴，互相制 約。 換能器 識別元件 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感器 77 利用純化的酶、免疫系統(tǒng)、組織、細胞器或 完整細胞作為催化劑，這些催化劑通常被固定化 制成膜并與物化儀器相結合使用。 換能器的選擇 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感器 76 生物傳感器的基本結構如下圖所示。根據(jù)這些變化 量，去選擇適當?shù)膿Q能器。 識別元件的選擇 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感器 75 生物體中根據(jù)分子識別功能物質(zhì)制備的敏感 元件所引起的化學變化或物理變化，去選擇轉(zhuǎn)換 部分（換能器），是研制高質(zhì)量生物傳感器的另 一重要環(huán)節(jié)。 在設計生物傳感器時，選擇適合于測定對象 的識別功能物質(zhì)，是極為重要的前提。能夠選擇性地分辨特定物質(zhì)的有酶、抗體、 組織、細胞等。 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感器 72 生物傳感器的分類： 根據(jù) 敏感物質(zhì) 分類： 酶 傳感器 免疫 傳感器 微生物 傳感器 組織 傳感器 細胞 傳感器 DNA傳感器 根據(jù) 信號轉(zhuǎn)換器 分類： 熱敏 生物傳感器 場效應管 生物傳感器 壓電 生物傳感器 光學 生物傳感器 電化學 生物傳感器 聲波道 生物傳感器 酶電極 生物傳感器 介體 生物傳感器 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感器 73 生物傳感器由 分子識別部分（敏感元件） 和 轉(zhuǎn)換部分（換能器） 構成，以分子識別部分去識 別被測目標，是可以 引起某種物理變化或 化學變化的主要功能 元件，如圖所示。是由固定化的生物 敏感材料作識別元件（包括酶、抗體、抗原、微 生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)）與適 當?shù)睦砘瘬Q能器（如氧電極、光敏管、場效應管、 壓電晶體等等）及信號放大裝置構成的分析工具 或系統(tǒng)。根據(jù)不同的應用課題， 人們可以設計出各種各樣的化學傳感器。 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感器 67 例如： 光化學傳感器 是近年發(fā)展起來的一種新型 微量和痕量分析技術，它是把特定的化學物質(zhì)的 種類和濃度變成電信號來表示的功能元件。醫(yī)學上采用 化學傳感器作病情診斷及治療過程的自動控制。 生物醫(yī)學傳感器 生物醫(yī)學工程導論——生物醫(yī)學傳感