ch02生物医学传感器基本知识.pptx

第二章生物医学传感器基知识教育部生物医学工程类专业教学指导委员会“十三五”规划教材生物医学传感与检测原理01传感器的静态特性静态特性的基本概念传感器在被测量的各个值处于稳定状态，输入量为恒定值而不随时间变化时，其相应输出量亦不随时间变化，这时输出量与输入量之间的关系称为静态特性。这种关系一般根据物理、化学、生物学的“效应”和“反应定律”得到，具有各种函数关系。静态特性的基本概念线性特性如图2-1（a）所示。静态特性的基本概念非线性项仅有奇次项的特性特性如图2-1（b）所示。静态特性的基本概念非线性项仅有偶次项的特性如图2-1（c）所示。静态特性的基本概念一般情况对应的曲线如图2-1（d）所示。静态特性的基本概念传感器的静态特性实际上是非线性的，所以它的输出不可能丝毫不差地反映被测量的变化，对动态特性也会有一定的影响。传感器的静态特性是在静态标准条件下进行校准的。衡量传感器静态特性的指标线性度迟滞重复性迟滞用来描述传感器的正向和反向特性的不一致程度，亦即对应于同一大小的输入信号，传感器在正、反行程时的输出信号数值不相等的程度。重复性表示传感器在同一工作条件下，输入朝同一方向做全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。传感器的线性度也称为传感器特性曲线的非线性误差。衡量传感器静态特性的指标灵敏度准确度传感器的准确度又称精确度或精度，表示被测量的测量结果与约定真值间的一致程度。灵敏度是指传感器在稳态下输出变化与输入变化的比值。“精密度和正确度精密度是描述在同一测量条件下，测量仪表指示值不一致的程度，反映测量结果中的随机误差的大小。”指输入量的变化不一致引起输出量有任何可见变化的量值范围。衡量传感器静态特性的指标温漂零点漂移灵敏限传感器无输入或当某一输入值不变时，每隔一段时间，进行读数，其输出偏离零值。温漂表示当温度变化时，传感器输出值的偏移程度。02传感器的动态特性动态特性的一般数学模型为了便于分析和处理传感器的动态特性，必须建立数学模型，用数学中的逻辑推理和运算方法来研究传感器的动态响应。对于线性系统的动态响应研究，最广泛使用的数学模型是线性常系数微分方程。只要对该微分方程求解，就可得到传感器的动态性能指标。动态特性的一般数学模型绝大多数传感器的输出与输入之间的关系都可用零阶、一阶或二阶微分方程来描述。因此，可将传感器分为零阶、一阶和二阶传感器，阶数越高，传感器的动态特性越复杂。传递函数在分析、设计和应用传感器时，传递函数的概念十分有用。所谓传递函数，就是输出信号与输入信号之比。因此，只要用算子D代替式中的d/dt 就可得到算子形式的传递函数。传递函数如果设定输入信号是时间的函数，则能推导出输出信号，可以使用框图（见图2-11）来表明信号的流向和传感器的特性。传递函数通常，在研究线性系统时还可应用拉氏变换法。这时，把输出量拉氏变换与输入量拉氏变换之比称为拉氏形式的传递函数。因此，就传递函数来看，可以很方便地把拉氏形式的传递函数改写成算子形式的传递函数，只要把式中的s换成D即可，反之亦行。这两种形式的传递函数都可以用来描述系统的动态特性，有时统称为系统的传递函数。动态响应1.（1）频率响应的通式正弦输入时的频率响应如图2-12所示。动态响应（2）零阶、一阶和二阶传感器的传递函数及频率特性零阶传感器与频率无关，其输出与输入成正比，即无幅值和相位失真，所以零阶传感器具有理想的动态特性，如图2-14所示。动态响应2.阶跃输入响应单位阶跃信号如图2-17所示，其幅值为1。如果是零阶的传感器，则输入与输出成正比，如图2-18所示。03常用敏感材料常用敏感材料化合物半导体元素半导体半导体敏感材料单晶硅是大多数固态传感器使用的敏感材料，因为单晶硅具有优良的机械、物理特性，材质纯，内耗低，功耗小。大多数化合物半导体具有类似于单元素半导体的结构特点和电特性，其优点是具有较宽的禁带范围和迁移率。半导体材料按化学组成可分为元素半导体、化合物半导体、有机半导体等。常用敏感材料非晶半导体硅蓝宝石硅蓝宝石材料是在蓝宝石（tα-A1，O，）衬底上应用外延生长技术形成的硅薄膜。非晶半导体大致可分为以Si为代表的四面体系（如Si（a-Si）等）和以Se、Te为构成元素的氧属（硫族）元素化合物系。常用敏感材料石英敏感材料石英的化学组成为SiO，SiO，的晶态形式即石英晶体的理想形状为六角锥体（见图2-23），通过锥顶端的轴线称为z轴（光轴）。常用敏感材料功能陶瓷敏感材料功能陶瓷的应用领域更为广泛，主要用于电、磁、光、声、热力和化学等信息的检测、转换、传输、处理和存储。根据其组成结构的易调和可控性，可以制备超高绝缘性、绝缘性、半导体、导电性和超导性陶瓷；根据其能量转换和耦合特性，可以制备压电、光电、热电、磁电和铁电等陶瓷；根据其对外场条件的敏感效应，可以制备热敏、气