综述-压力传感器

摘要：随着科技的日新月异，压力传感器技术发生了根本性的变革 ,已经彻底改变了传统医用传感器体积大、性能差的缺点, 形成了全新的现代的微型压力传感器技术 , 并向着崭新的方向快速发展。微型压力传感器由于智能化、微型化、多参数、可遥控和无创检测等优点被广泛运用于临床工作中，现就微型压力传感器原理及其在医学领域中的应用加以综述。

关键词：微型；压力传感器；医学领域；原理；应用； 

前言：压力传感器是检测人体内各种生理压力参数的传感器，在医学领域中的应用十分广泛。而微型的压力传感器由于体积小，操作简单、快捷、准确、能定时、能记忆存储数据等功能特点，不仅能实时监测患者病情，又能减轻了医务人员的工作强度，也使医疗手段得以现代化、高科技化。

1.压力传感器的工作原理

1.1. 应变片压力传感器原理

将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在 电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路 （通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。金属电阻应变片的内部结构见下图：  

图1  金属电阻应变片结构图

1.2陶瓷压力传感器原理 

  压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥(闭桥)，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号。 

1.3扩散硅压力传感器原理 

                      图2：扩散硅压力传感器结构图

扩散硅压力传感器的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。

1.4压阻式传感器工作原理

固态压阻式传感器是利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的新型传感器[1]。固态压阻传感器的核心是硅膜片。利用半导体扩散技术， 将 P 型杂质扩散到一片N型底层上， 形成一层极薄的导电P型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。若在圆形硅膜片上扩散出4个P型电阻构成惠斯登电桥的4个桥臂， 即成固态压阻器件。芯体结构如图1， 固态压阻传感器结构如图2。

当硅单晶在任意晶向受到纵向和横向应力作用时， 其阻值的变化可用以下公式表示：

若圆形膜片周边固定，在均匀压力的作用下，当膜片的位移小于膜片的厚度时，其膜片的应力分布为：

式中σr为径向应力，σt为切向应力，P为压力， h,r0分别为膜片的厚度和有效半径， r为硅电阻距膜片中心的距离，μ为泊松比。

从上式可以看出，随着硅电阻距膜片中心的距离的变化，其应力也发生变化，靠近圆心的两个电阻将受到拉应力，而远离圆心的两个电阻受到压应力，若适当地安排它们的位置， 可使其电阻的变化达到大小相等，变化相反，即可组成差动电桥，其形式为四等臂差动电桥结构。

1.5电感式传感器工作原理

这种传感器是将压力的变化量转换为对应的电感变化量输入给放大器和记录器。如下图所示。

电感传感器的工作原理图

1—铁芯  2—衔铁  3—膜盒 p—作用压力

   铁芯1和衔铁2均由导磁性材料硅钢片或坡莫合金制成。衔铁和铁芯之间有空隙∂，在压力作用下，衔铁随膜盒3上下运动，磁路中的气隙∂随之改变，使线圈的磁阻发生变化，从而引起线圈电感的变化。线圈中的电感等于单位电流所产生的磁链。

电感量

上式为电感压力传感器的基本特性公式，它表示由于压力P的变化引起膜片衔铁气隙∂的变化，使得磁路中线圈电感也有相应的变化，而测出电感量的变化，就能得到压力的大小。

2.压力传感器在医学领域中应用

2.1在临床生理压力中监测

吴宪平等[2]设计了压阻式医用导管端微型压力传感器，把压阻式微型传感器的芯片安装在导管侧壁实行生理压力的测量。陈延航等[3]研究设计了YH—1型压阻式微型生理压力传感器，可长时间植入体内测压，对主动脉，左心室，颈动脉等高压测量和右心室，肺动脉，腔静脉等低压测量均可适用。吴云江等[ 4]通过结合电容式压力传感器获取加压过程的袖带气压，经片内ADC采样后进行算法分析得到血压值，再将其按自定义格式存储，无线传输至具有蓝牙功能的手机终端。高春华等[5]制作了一种测腹内压简易连接装置，通过压力传感器测膀胱内压间接测腹内压，装置如下图：

该装置操作方便，经济实惠，在ICU内可常规进行腹内压监测，可准确预测腹内高压患者病情变化，及早防止ACS的发生，降低危重患者的死亡率。胡锦等[6]应用MP3V5050GP压力传感器设计了一种高精度血压的监测方法，方便、准确地实时检测血压值。

2.2在中医诊脉中应用

李俊国[7]等研制一种压电式加速度脉搏传感器，为中医诊脉提供了便利。人的脉搏号通过压电传感器的作用,使得脉搏的振动信号转换为电荷信号,然后通过电荷放大器的转换作用,将电荷量转换为很微弱的电压信号,此电压信号再经过电压放大器的放大作用,就可以达到转换的电压信号要求,通过的转 换作用即可得到与之相对应的数字信号。卓俊骐等[8]设计了柔性封装的中医脉诊压力传感器阵列，用于取脉点下动态压力分布的采集，阵列单元采用硅压阻式压力传感器，各个阵列单元的压力信号经过差分放大后被采集和送往上位机处理，获得取脉点动态分布。张海荣[9]设计了基于MSP430F149 的脉诊仪，通过压力传感器探测脉搏信息，并可以结合 PC机界面进行波形显示和数据分析，通过本脉诊仪所获取的脉搏波形能很好的反应脉搏压力和细微特征，可为医护人员诊断提供有效的参考。

2.3在临床治疗中的监测

李华军等[10]研制了微型呼吸压力传感器，采用E1梁膜结构弹性敏感元件制作呼吸压力传感器，将传感器安装在呼吸机呼吸通道部位，直接检测呼吸机末端供气与患者呼吸在呼吸内的压力动态情况，为压力支持通气和同步间歇指令通气等自动同步呼吸提供控制信息，为呼吸困难患者提供便携式呼吸机。李继斌等[11]设计了一种智能微型电动气压止血带，利用硅压力传感器监测止血带压力，合理地对止血带充放气，实现智能化的止血功能。王智勇等[12]应用一次性使用有创压力监测传感器用于重度脑室出血外引流术后患者的颅内压监测，能及早发现和及时处理颅高压，可避免脑灌注压降低、脑血流量减少、脑缺血缺氧造成的昏迷、脑功能障碍等。李春婵等[13]设计一种无线无源膀胱压力监测系统，对脊髓损伤导致的下尿路障碍患者提供实时监控膀胱压力，适时排空尿液，为目前医学不能治愈的排尿障碍患者提供一种新的治疗方法。Ferrara等[14]设计的体内移植物表面压力传感器，可以监测移植物与身体的融合程度。Ohki等[15]在腹主动脉瘤血管内修复过程中用一个无线压力监测传感器系统来检测和控制动脉瘤内压，提高了手术的效果和增加了探测内漏的安全性。Moore等[16]设计的椎间盘压力传感器提高了对脊柱生物学机制和疾病的了解，为医生提供了有价值的临床和生理学资料。何洪林[17]等设计了一种压力感应式传感器输液报警系统，利用橡胶、炭黑压力传感器以及与之相接的基本电路铺设于输液袋的内部靠近输液口的位置，然后外接电源与信号接收系统，由处理器分析信号的变化控制系统报警以及阻断输液工作。

3.展望

压力传感器提高了疾病诊断的准确性、治疗的有效性和预防的可预见性已经成为促进医学

发展的一个主要动力。另一方面，医学的发展对传感器的发展提出更高的要求，促进了医用传感器的发展。可以相信，传感器将会给医学界带来巨大的变化，为广大患者带来更多的福音。

References:

[1].    谢东, 医用压力传感器原理及其应用. 医疗设备信息, 2001(06): 第35-36页.

[2].    吴宪平等, 压阻式医用导管端微型压力传感器. 传感技术学报, 1993(03): 第9-14页.

[3].    陈延航与林真, _YH-1型压阻式微型生理压力传感器.

[4].    吴云江, 田丹与罗健, 基于上气测量的蓝牙4.0低功耗血压计设计. 电子技术应用, 2014. 40(12): 第36-39页.

[5] 高春华，陈秋红。ICU传感器测腹内压简易连接装置的制作及应用[J],中国实用护理杂志，2014,30（4）:44-45

[6] 胡 锦，彭诗瑶卜，张浩，阎跃鹏，基于压力传感器的高精度血压计系统设计[J]，传感器与微系统，2014,33(3)：110-114

[7].    李俊国与冯月晖, 压电式加速度脉搏传感器的研制. 西南科技大学学报(自然科学版), 2004(01): 第34-36页.

[8] 卓俊骐,王磊,沙洪,中医脉诊柔性阵列式压力传感器设计.国际生物医学工程杂志2015,38(1):15-18

[9] 张海荣，基于 M SP430F149 的脉诊仪设计与实现[J],2011:44-45

[10]李华军,王文襄,王常有,郑建忠,王麦广,刘秀娥,呼吸机微型呼吸压力传感器的研制及应用[J],医疗卫生装备,1998,(04),9-10

[11]. 李继斌，基于 M SP430 智能微型电动气压止血带的研制[J]，北京生物医学工程，2010,29（2）：115-119

[12]. 王智勇， 艾昌淼， 朱颂国， 罗兴武，一次性使用有创压力监测传感器在颅内压监测中的应用[J]，实用临床医学2015，16(1)：107

[13] 李春婵，张旭，李刚，任朝晖，刘庆凯，阎立丽，一种无线无源膀胱压力监测系统的设计[J]，中国医学物理学杂志，201431（2）：4788-4791

[14].    Ferrara, L.A., et al., In Vivo Assessment of Bone Graft/Endplate Contact Pressure in a Caprine Interbody Pseudarthrosis Model: A Preliminary Biomechanical Characterization of the Fusion  Process for the Development of a Microelectromechanical Systems (MEMS) Biosensor. SAS J, 2008. 2(1): p. 1-8.

[15].    Ohki, T., et al., Initial results of wireless pressure sensing for endovascular aneurysm repair: The APEX Trial—Acute Pressure Measurement to Confirm Aneurysm Sac EXclusion. Journal of Vascular Surgery, 2007. 45(2): p. 236-242.

[16].    Moore, M.K., et al., Piezoresistive pressure sensors in the measurement of intervertebral disc hydrostatic pressure. The Spine Journal, 2009. 9(12): p. 1030-1034.

[17]何洪林，赵育新，钱俊，谢骏，江叶，徐荀.压力感应式传感器输液报警系统设计与实现[J].医疗卫生装备.2014(9):36-37