传感器与检测技术-图文pp模块九.ppt

传感器与检测技术传感器与检测技术项目教程项目教程学习单元一智能传感器学习单元二生物传感器学习单元三MEMS传感器学习单元四网络传感器模块九模块九 新型传感器新型传感器模块九模块九 新型传感器新型传感器模块导读模块导读传感器技术不仅是监测的基础，也是控制的基础。这不仅是因为控制必须以检测输入的信息为基础，并且为了知道控制达到的精度和状态，必须感知，否则不明确控制效果的控制仍然是盲目的。信息获取、传感技术是仪器科学与技术学科的基础技术，新型传感器是发展高水平测量控制仪器仪表的基础，传感技术已成为制约测量控制仪器仪表发展的瓶颈。因此，不断出现的新技术、新原理和新材料用到检测技术上，必将使检测技术产生同步的发展。模块九模块九 新型传感器新型传感器新型传感器及信息获取、传感技术主要是对客观世界有用信息的检测，它包括有用量测量敏感技术、遥感遥控技术、新材料技术、信息融合技术、传感器制造技术等。信息融合技术涉及传感器分布、微弱信号提取（增强）、传感信息融合和成像技术。传感器制造技术涉及微加工、生物芯片、新工艺等技术。本模块将较系统地介绍一些新型传感器，如智能传感器、生物传感器、MEMS传感器和网络传感器等。通过本模块内容的学习，使学生能够了解几种新型传感器的原理、性能和应用，以及传感器技术的发展方向。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器 智能传感器的定义与功能一、一、智能传感器在检测及自动控制系统中具有相当于人的五感（视、听、嗅、味、触等）的重要作用。自动化系统的功能越全，系统对传感器的依赖程度越大。在高级控制系统中，智能传感器是一项关键技术。智能传感器不仅要“感知”外界的信号，还要把“感知”到的信号进行必要的加工处理，两者结合实现传感器的优异功能是传感器发展的必然趋势。传感器的智能化是科学技术发展的结果，也是科学技术发展的需要。智能传感器（intelligent sensor或smart sensor）的概念最初是美国国家航空航天局（NASA）在开发宇宙飞船过程中形成的，宇宙飞船在太空中飞行时，需要知道它的速度、姿态和位置等数据。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器为了宇航员能正常生活，需要控制舱内温度、气压、湿度、加速度、空气成分等，因而要安装大量的传感器，进行科学试验、观察也需要大量的传感器。要处理如此多的由传感器所获取的信息，需要一台大型电子计算机，而这在飞船上是无法做到的。为了不丢失数据，又要降低成本，于是提出了分散处理数据的设想，智能传感器随之诞生。自20世纪70年代初问世以来，它已成为传感器技术发展中的主要方向之一。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器自补偿功能自补偿功能1.根据给定的传统传感器和环境条件的先验知识，处理器利用数字计算方法，自动补偿传统传感器硬件线性、非线性和漂移及环境影响因素引起的信号失真，恢复被测信号。计算方法用软件实现，达到软件补偿硬件缺陷的目的。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器自计算和处理功能自计算和处理功能2.根据给定的间接测量和组合测量数学模型，智能处理器利用补偿的数据可计算出不能直接测量的物理量数值。利用给定的统计模型可计算被测对象的总体统计特性和参数，利用已知处理器重新标定传感器特性。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器自学习与自适应功能自学习与自适应功能3.传感器通过对被测量样本值的学习，处理器利用近似公式和迭代算法可认知新的被测量值，即有再学习能力。同时，通过对被测量和影响量的学习，处理器利用判断准则自适应地重构结构和重置参数，如自选量程、自选通道、自动触发、自动滤波切换和自动温度补偿等。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器自诊断功能自诊断功能4.因内部和外部因素影响，传感器的性能会下降或失效，分别称为软、硬故障。处理器利用补偿后的状态数据，通过电子故障字典或有关算法可预测、检测和定位故障。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器其他常用功能其他常用功能5.其他常用功能包括用于数据交换通信接口功能、数字和模拟量输出功能及使用备用电源的断电保护功能等。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器 智能传感器的结构和实现二、二、根据上述功能分析，智能传感器的一般功能结构如图9-1所示。图中没有标出影响量的传感器功能模块。图9-1 智能传感器的一般功能结构原理图学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器智能传感器的实现方式有以下三种：（1）模块化集成方式。模块化集成方式是指将敏感元件、调理电路和微处理器都做成带标准接口的模块，并将模块集成并配备有关的智能处理软件。这种方式最经济、最快速。（2）单芯片集成方式。单芯片集成方式是指利用微电子技术、微机械加工技术等将智能传感器的硬件集成在一个芯片上。这种方式使智能传感器达到微型化、结构一体化，从而提高了精度、稳定性和可靠性。若敏感元件构成阵列并配备相应的图像处理软件，可实现二维和三维图形图像传感器，这种智能传感器达到它的最高级形式。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器（3）多芯片集成方式。多芯片集成方式是指根据需要和可能，将系统的各功能部件或模块（如敏感、调理、处理和接口）分别集成在两个或多个芯片上，并将芯片以不同方式组合在一个基片上，然后封装在一个外壳里。多芯片集成方式适合更复杂系统的集成，或对给定的系统降低集成工艺设备要求。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器 智能传感器的应用与发展方向三、三、智能传感器已广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域。例如，它在机器人领域中有着广阔的应用前景。智能传感器使机器人具有类人的五官和大脑功能，可感知各种现象，完成各种动作。在工业生产中，利用传统传感器无法对某些产品质量指标（如黏度、硬度、表面光洁度、成分、颜色及味道等）进行快速直接测量并在线控制，而利用智能传感器可直接测量与产品质量指标有函数关系的生产过程中的某些量（如温度、压力、流量等），利用神经网络或专家系统技术建立的数学模型进行计算，可推断出产品的质量。在医学领域中，糖尿病患者需要随时掌握血糖水平，以便调整饮食和注射胰岛素，防止其他并发症。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器通常测血糖时必须刺破手指采血，再将血样放到葡萄糖试纸上，最后把试纸放到电子血糖计上进行测量。这是一种既麻烦又痛苦的方法。美国Cygnus公司生产了一种“葡萄糖手表”，其外观像普通手表一样，戴上它就能实现无痛、无血、连续的血糖测试。“葡萄糖手表”上有一块涂着试剂的垫子，当垫子与皮肤接触时，葡萄糖分子就被吸附到垫子上，并与试剂发生电化学反应，产生电流。传感器测量该电流，经处理器计算出与该电流对应的血糖浓度，并以数字量显示。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器图9-2所示为智能温度传感器功能结构框图，它具有自动通道选择、自动量程选择、自动补偿、自动报警等多种智能功能。图9-2 智能温度传感器功能结构框图学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器下面是传感器发展完善的三个主要方向：（1）虚拟化。虚拟化是利用通用的硬件平台及软件实现智能传感器的特定硬件功能，虚拟化传感器可缩短产品开发周期，降低成本，提高可靠性。（2）网络化。智能传感器是利用各种总线的多个传感器组成系统并配备带有网络接口（LAN或Internet）的微处理器。（3）多传感器信息融合。多传感器信息融合是智能处理的多传感器信息经元素级、特征级和决策级组合，形成更为精确的被测对象特性和参数。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器 智能传感器的设计与实现途径四、四、目前，传感器技术的发展是沿着非集成化设计、集成化设计和混合设计三条途径来实现智能传感器的。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器非集成化设计非集成化设计1.（1）经典传感器系统。非集成化智能传感器首先将传统的经典传感器（采用非集成化工艺制作的传感器，仅具有获取信号的功能）及信号调理电路、数据采集模块、带数字总线接口的微处理器组合为整体而构成的一个智能传感器系统，如图9-3所示。图9-3 非集成化智能传感器系统框图学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器图中的信号调理电路用来调理传感器输出信号，即将传感器输出信号进行放大，并转换为数字信号后送入微处理器，再由微处理器通过数字总线接口接在现场数字总线上，这是一种实现智能传感器系统的最快途径与方式。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器例如，美国罗斯蒙特公司生产的电容式智能压力（差）变送器系列产品（见图9-4），就是在原有传统式非集成电容式变送器的基础上附加一块带数字总线接口的微处理器插板后组装而成的，它配备了可进行通信、控制、自校正、自补偿、自诊断等功能的智能化软件，从而实现智能化。图9-4 罗斯蒙特公司生产的学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器这种非集成化智能传感器是在现场总线控制系统发展的推动下迅速发展起来的。对于自动化仪表生产厂家来说，原有的一整套生产工艺设备基本不变。因此，对于这些厂家而言，非集成化实现是一种建立智能传感器系统的最经济、最快捷的途径与方式。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器（2）模糊传感器系统。近些年来，发展极为迅速的模糊传感器也是一种非集成化的新型智能传感器。模糊传感器是在经典数值测量的基础上，经过模糊推理和知识集成，以模拟人类自然语言符号描述的形式输出测量结果的传感器。显然，模糊传感器的核心部分的功能就是模拟人类自然语言符号的产生及其处理。模糊传感器的“智能”之处在于它可以模拟人类感知的全过程。它不仅具有智能传感器的一般优点和功能，而且具有学习推理的能力，具有适应测量环境变化的能力，并且能够根据测量任务的要求进行学习推理。另外，模糊传感器还具有与上级系统交换信息、自我管理和调节的能力。通俗地说，模糊传感器的作用应当与一个具有丰富经验的测量工人的作用是等同的，甚至更好。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器图9-5所示为模糊传感器的简单结构和功能示意图。其中，经典数值测量单元不仅提取传感信号，而且对其进行数值预处理，如滤波、恢复信号等。图9-5 模糊传感器的简单结构和功能示意图 学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器符号产生单元和符号处理单元是模糊传感器的核心部分，它们利用已有的知识或经验，对已恢复的传感信号进一步处理，得到符号测量结果。其中的符号处理采用模糊信息处理技术，对模糊后得到的符号形式的传感信号，结合知识库内的知识（主要有模糊判断规则、传感信号特征、传感器特征及测量任务要求等信息），经过模糊推理和运算，得到被测量的符号描述结果及其相关知识。当然，模糊传感器可以通过学习新的变化情况（如任务发生改变、环境变化等）来修正和更新知识库内的信息。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器集成化设计集成化设计2.集成化智能传感器系统是采用微加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路和微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上而构成的，故又可称为集成智能传感器，其外形如图9-6所示。图9-6 集成智能传感器外形示意图学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器随着微电子技术的飞速发展，微米/纳米技术的问世，大规模集成电路工艺技术的日臻完善，集成电路器件的密集度越来越高。它已成功地使各种数字电路芯片、模拟电路芯片、微处理器芯片、存储器电路芯片的性价比大幅度提升，促进了微加工技术的发展，形成了与传统的经典传感器制作工艺完全不同的现代传感器技术。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器现代传感器技术是指以硅材料为基础（因为硅既有优良的电性能，又有极好的力学性能），采用微米级的微加工技术和大规模集成电路工艺来实现各种仪表传感器系统的微米级尺寸化技术，国外也称为专用集成微型传感器技术。由此制作的智能传感器的特点如下：学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器（1）微型化。微型压力传感器已经可以小到放在注射针头内送进血管测量血液流动情况，装在飞机或发动机叶片表面用以测量气体的流速和压力。美国研制成功的微型加速度计可以使火箭或飞船的制导系统质量从几千克下降至几克。（2）结构一体化。压阻式压力（差）传感器最早实现一体化结构。传统做法是先分别机械加工金属圆膜片与圆柱状环，然后把二者粘贴在一起形成周边固定结构的“金属杯”，再在圆膜片上粘贴电阻变换器（应变片）而构成压力（差）传感器，这就不可避免地存在蠕动、迟滞、非线性特性。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器（3）高精度。比起分体结构，传感器结构一体化后，迟滞、重复性指标将大大改善，漂移时间大大减少，精度提高。后续的信号调理电路与敏感元件一体化后可以大大减小由引线长度带来的寄生参量的影响，这对电容式传感器有更重要的意义。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器（4）多功能。微米级敏感元件结构的实现，特别有利于在同一硅片上制作不同功能的多个传感器。例如，美国霍尼韦尔公司在20世纪80年代初期生产的ST-3000型智能压力（差）和温度变送器（见图9-7）。图9-7 霍尼韦尔公司ST-3000型智能压力（差）和温度变送器 学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器就是在一块硅片上制作了感受压力、压差及温度三个参量的，具有三种功能（可测压力、压差、温度）的敏感元件结构的传感器。这不仅增加了传感器的功能，而且可通过数据融合技术消除交叉灵敏度的影响，提高传感器的稳定性与精度。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器（5）阵列式。微加工技术已经在1 cm2的硅芯片上制作含有几千个压力传感器的传感器阵列。例如，丰田中央研究所半导体研究室用微加工技术制作的集成化应变计式面阵触觉传感器，在8 mm8 mm的硅片上制作了3232敏感阵列，基片四周还制作了信号处理电路，其元件总数为16 000个。敏感元件组成阵列后，配合相应图像处理软件，可以实现图像成像且构成多维图像传感器。这时的智能传感器就达到了它的最高级形式。敏感元件组成阵列后，通过计算机/微处理器运算、模式识别、神经网络技术的应用，有利于消除传感器的时变误差和交叉灵敏度等不利影响，可提高传感器的可靠性、稳定性与分辨能力。如目前已成为研究热点的气敏传感器阵列的研究，以期望实现气体种类判别和混合体成分分析与浓度测量。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器（6）全数字化。通过微加工技术可以制作各种形式的微结构，其固有谐振频率可以设计成某种物理参量（如温度或压力）的单值函数。因此，可以通过检测其谐振频率来检测被测物理量。这是一种谐振式传感器，直接输出数字量（频率）。它的性能极为稳定，精度高，无须A/D转换器便能与微处理器方便地接口。免去A/D转换器，对于节省芯片面积、简化集成化工艺均十分有利。（7）使用方便，操作简单。它没有外部连接元件，外接连线数量极少，包括电源、通信线可以少至四根，因此接线极其简便。它还可以自动进行整体自校，无须用户长时间地反复多环节调节与校验。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器根据以上特点可以看出，通过集成化实现的智能传感器，为达到高自适应性、高精度、高可靠性与高稳定性，其发展主要有两种趋势：多功能化、阵列化，加上强大的软件信息处理功能；谐振式传感器，加上软件信息处理功能。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器混合设计混合设计3.根据需要与可能，将系统各个集成化环节，如敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口，以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上并装在一个外壳里，如图9-8所示。图9-8 在一个封装内可能的混合集成实现方式 学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器集成化敏感单元（结构型传感器）包括弹性敏感元件及变换器，（智能）信号调理电路包括多路开关、仪用放大器、基准、A/D转换器等，微处理器单元包括数字存储器（EPROM、ROM、RAM）、I/O接口、微处理器、D/A转换器等。图9-8(a)中，将三块集成化芯片封装在一个外壳里。图9-8(b)(d)中，将两块集成化芯片封装在一个外壳里。图9-8(a)(c)中的（智能）信号调理电路具有部分智能化功能，如自动校零、自动进行温度补偿，因为这种电路带有零点校正电路和温度补偿电路。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器若按智能化程度来分，集成化智能传感器有三种存在形式：（1）初级形式。初级形式就是环节中没有微处理器单元，只有敏感单元与（智能）信号调理电路，二者被封装在一个外壳里。这是智能化传感器系统中最早出现的商品化形式，也是最广泛使用的形式，被称为初级智能传感器。从功能上来讲，它只具有比较简单的自动校零、非线性的自动校正和温度自动补偿功能。这些简单的智能化功能由硬件电路来实现，故通常称该种硬件为智能调理电路。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器（2）中级形式/自立形式。中级形式是在组成环节中除敏感单元与（智能）信号调理电路外，必须含有微处理器单元，即一个完整的传感器系统封装在一个外壳里的形式。它具有完善的智能化功能，这些智能化功能主要是由强大的软件来实现的。（3）高级形式。高级形式是集成度进一步提高，敏感单元实现多维阵列化时，配备了更强大的信息处理软件，从而具有更高级的智能化功能的形式。这时的传感器系统不仅具有完善的智能化功能，而且具有更高级的传感器阵列信息融合功能，或具有成像与图形处理等功能。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器显然，对于集成化智能传感器系统而言，集成化程度越高，其智能化程度就越可能达到更高的水平。综上所述，智能传感器系统是一门涉及多学科的综合技术，是当今世界正在发展的高新技术。因此，作为设计一个智能传感器系统的工程师，除必须具有经典的、现代的传感器技术外，还必须具有信号分析与处理、计算机软硬件设计、通信与接口、电路与系统等学科的基础知识。当然，智能传感器系统也需要由多门学科的工程师进行并肩合作、共同努力。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器在智能传感器系统中，系统的输入将包括多个传感器的信息，如温度、压力、湿度等，如何在后续的信号接收与处理过程中获得多个传感器的信息，并剔除无用和错误的信息，得到有用的信息，实现信息的优化（即多传感器融合技术），这在越来越复杂的智能传感器系统中愈加突出，成为一个新的研究热点。学习单元一学习单元一 智能传感器智能传感器思考与练习问题1 智能传感器的定义是什么？思考：问题2 智能传感器有哪些功能？思考：学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器相对于前几个模块的各类传感器，生物传感器出现较晚。生物传感器与化学传感器有着紧密的联系，首例生物传感器就是利用了化学传感器中的氧电极，同时还利用电磁学、微电子学、光学、声学、热学、化学等原理，将生物分子与分析物相互作用产生的信号转换为电信号。生物传感器是一类特殊的传感器，由生物敏感元件与适当的换能器组成，具有特异性识别生物分子的功能，并能检测生物分子与分析物之间的相互作用，用于微量物质的检测。生物传感器的进展与生物元件和微加工技术的提高有着紧密联系。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器生物传感器具有选择型好、灵敏度高、检测的样品用量少、实验成本低、分析速度快、能在复杂的体系中进行实时监测等特点，尤其是它的高度自动化、微型化与集成化的特点，使得生物传感器在研究与技术开发领域得到广泛重视，在各个应用领域得到迅速发展。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器 生物传感器的发展历史一、一、第一代生物传感器第一代生物传感器1.1962年，Clark在纽约自然科学学会的论文集中首次提出了“在化学电极的敏感膜中加入酶以实现对目标物进行选择性分析”的设想。1967年，Updike等人把葡萄糖氧化酶固定化膜和氧电极组装在一起，制成了第一代生物传感器。1972年，Yellow Springs仪器公司制造了第一台商业生物传感器，之后，Leeds、Northrup和Beckman仪器公司相继推出用于血糖和尿糖检测的电化学传感器。1975年，热酶探针和酶热敏电阻器分别研制成功。它们是热生物传感器的原型。1980年，在光学传感器光极的基础上，Lubbers等人研制出测量乙醇的光学生物传感器。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器这些换能器通过测定生化反应中的产物、热效应或光效应而间接地测定目标分析物。1983年，Leiberg等人发表了一篇采用表面等离子体共振（SPR）技术实现实时监测亲和反应的报道，表面等离子体共振技术随即促成了免疫传感器的诞生。1984年，Turner等人报道了用二茂铁及其衍生物作为氧化还原酶的介体以制造廉价酶电极的方法。MediSense公司很快便以此为基础发展了能大规模生产、具有高重现性酶电极的丝网印刷技术，推动了生物传感器的发展。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器第二代生物传感器第二代生物传感器2.20世纪90年代初，生物传感器的研究进入第二阶段。第二代生物传感器的特点是使用抗体或受体蛋白作为分子识别组件，换能器的种类更为多样化，如场效应晶体管、光纤、压电晶体和声表面波器件等。第二代生物传感器的代表产品为瑞典Pharmacia公司推出的BIAcore与BIAlite两个产品。1996年，Turner等人研制出以DNA为敏感物的传感器，通过液晶分散技术，将DNA聚阳离子配合物固定在换能器上，所有能影响DNA分子间交联度的物理和化学因素均能被传感器灵敏地捕获。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器第三代生物传感器第三代生物传感器3.21世纪发展的生物传感器为第三代产品，它不断地向微型化、集成化方向发展，随着微加工技术和纳米技术的进步，便携式测试仪已得到快速发展。随着许多新生物技术的出现（如生物表达化学、表面定性、分子标记及纳米技术），生物传感器发展的方向有了显著变化。如今，纳米材料在生物传感器中的应用使其研究进入崭新阶段。酶电极的性能是由酶的催化活性、酶活性中心和电极表面之间的电子交换速率决定的，纳米颗粒对酶生物传感器的敏感性有增强作用。纳米颗粒比表面积大、表面自由能高，吸附能力较强，使更多的酶分子可以固定在纳米颗粒表面。Morrin等人利用聚苯胺纳米颗粒制成了生物传感器，国内外学者还对纳米颗粒增强葡萄糖氧化酶（GOD）生物传感器开展了大量研究。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器 生物传感器的基本结构二、二、生物传感器是由固定化的生物敏感元件和物理或化学换能器组成的系统，是用来侦测生物体内或生物体外环境中的化学物质或与之起特异性交互作用后产生响应的一种装置。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器生物传感器通常利用纯化的酶、免疫系统、细胞器、组织或完整细胞作为催化剂，并与物化仪器（换能器）相结合使用。换能器可监测被分析物质在固定的催化剂作用下所发生的物理或化学变化，并将这些信号转换成容易检测的信号（通常为电信号）。生物传感器包括生物敏感元件、换能器和信号处理系统，其基本结构如图9-9所示。图9-9 生物传感器的基本结构学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器生物敏感元件生物敏感元件1.生物敏感元件是生物传感器中具有分子识别功能的元件，如组织、微生物、细胞器、细胞受体、酶、抗体、核酸、生物衍生材料或仿生材料，且须固定在换能器表面。固定方法根据被固定对象的不同，可分别采用酶、抗体、核酸固定化（主要有物理吸附法、共价结合法、离子结合法），抗体固定化（纤维素抗体膜固定化法），微生物固定化（琼脂固定法、膜过滤器吸附固定法）和组织固定化（小肠黏膜组织固定化法）。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器以组织、微生物、细胞器、细胞受体作为敏感元件的生物传感器较少，这类敏感元件通常存在活性容易丧失的问题。以酶、抗体作为生物传感器敏感膜最为成熟，使用更为广泛。酶与抗体具有非常高的生物选择性，因此以酶或抗体作为生物敏感膜的生物传感器具有较高的灵敏度。相对于组织、微生物、细胞器等，酶与抗体的体积更小，能够在单位面积内集成大量不同种类的酶，因此能够获得更高的灵敏度和同时测定多种待测物。生物衍生材料或仿生材料通常利用生物材料所固有的优点，以人为的方法对生物材料进行改善，获得预期的功能特性，如改善生物材料的使用寿命、改进生物材料的力学性能等。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器换能器换能器2.换能器的作用是将分析物与生物敏感元件作用的信号转换成另一种更方便测定或量化的信号，包括将生物信号转换为电化学信号、热信号、光学信号、电信号等。含换能器的生物传感器主要包括电化学生物传感器、热效应生物传感器、光学生物传感器、压电晶体生物传感器和场效应晶体管生物传感器。电化学生物传感器与压电晶体生物传感器的研究最为成熟，应用最为广泛。光学生物传感器能够实现非接触式测量，从而减少了对生物样品的损害。场效应晶体管生物传感器利用成熟的集成电路（IC）技术，能够实现生物传感器的集成。热效应生物传感器的研究较少，它受外界的干扰较大，在目前市场中占有量较少。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器信号处理系统信号处理系统3.传感器信号处理系统的主要功能是将换能器转换后的电信号进行输出、处理、存储，然后根据得到的信号反映出各种生物被测量。由于传感器输出的电信号一般较微弱，输出信号与噪声混杂在一起，传感器的信噪比小、输出信号弱，传感器的输出特性呈线性或非线性，外界环境的变化会影响传感器的输出特性。因此，对生物传感器的信号处理系统提出了更高的要求。传感器信号处理系统一般包括信号输出（电桥电路等）、信号放大、信号滤波、信号转换和显示四个部分。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器（1）信号输出。各种信息由传感器采集后，首先变换成电信号，然后通过电桥电路传输。（2）信号放大。在许多检测技术的应用场合，传感器输出的信号比较弱，而且其中还包括了工频、静电和电磁耦合等共模干扰。对这种信号的放大就需要放大电路具有很好的共模抑制比及高增益、低噪声和高输入阻抗，一般将这种放大器称为仪用放大器。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器（3）信号滤波。传感器获得的信号中，混杂许多其他频率的干扰。由于干扰的存在，有时会得到不正确的测量值，有时有用的信号被淹没在干扰噪声中。为了突出有用信号，抑制噪声干扰，就要对传感器获得的信号进行滤波。滤波可分为低通滤波、高通滤波、带通滤波和带阻滤波四种。（4）信号转换和显示。信号转换主要是指将模拟信号转换成易于处理的数字信号，转换系统包括采样保持电路、比较器、模拟多路开关、A/D转换器、D/A转换器等。显示一般是通过计算机或显示屏等将分析后的信息显示出来，并对数据进行存储。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器 生物传感器的分类三、三、在研究生物传感器之前，首先应该对生物传感器的工作原理有较深的理解。由于生物传感器是一门结合物理、化学、生物等多门学科的交叉性学科，因此生物传感器具有多种工作原理，涉及电学、化学、热学、光学、声学等领域。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器根据不同的工作原理，生物传感器可分为不同的类型，见表9-1。表9-1 生物传感器的分类学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器电化学生物传感器电化学生物传感器1.电化学生物传感器又称生物电极，它是以电化学传感器作为基础电极与生物活性材料组成的生物传感器。电化学生物传感器基于产生或消耗电子的生物化学反应，通常由三个电极组成：参比电极、工作电极和辅助电极。电化学传感器主要由识别待测物的敏感膜和将生物量转化为电信号的电化学转换器两部分组成。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器电化学生物传感器的信号来自生物样品在活性电极的表面发生反应，这种反应引起电子穿过双电层（产生电流）或改变了双电层的电势（产生电压）。通过固定电压测量电流（电流和分析物的浓度成比例）或在电流为零的情况下测量电压（对数响应）。传感器的电极表面发生变化（包括离子强度、pH、水合作用、氧化还原反应），这些变化导致导电聚合物层发生物理或化学变化，从而产生容易检测到的信号。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器热效应生物传感器热效应生物传感器2.物质的热力学运动可以描述为焓变，所有生物学反应都伴随焓变，它以热的释放或热的形式反映出来。对于一个精密的生物学反应（如小体积的细胞代谢或酶促反应），需要精密的量热手段来实现热效应。热效应生物传感器实现热效应的条件为高精密的热敏元件和保温（隔热）性能优良的反应系统。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器光学生物传感器光学生物传感器3.光与物质相互作用时，某些光学参数会发生变化，可以通过生物化学反应检测光学参数的变化，分析被测物的浓度、结构等特征。当生物化学反应的终产物或中间产物具有光学特性（如吸收、反射、荧光等）时，通过光学生物传感器就能直接测量光学信号的变化；当终产物或中间产物（如O2、H2O2、CO2等）不具有光学特性时，通过增加标记物来间接地检测光学信号的变化。在这两种方法中，又可根据光学信号强度的改变，分为增强型和抑制型。在增强型模式中，信号强度与分析物的浓度成正比；在抑制型模式中，信号强度与分析物的浓度成反比。目前已制成各种类型的光学生物传感器，如光学酶传感器、光学亲和传感器、光学DNA传感器等，广泛应用于各个领域。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器相比于其他类型的生物传感器，由于光学的特性及光学传感器的各种工作原理，为了保证光学传感器稳定的工作效果、高灵敏性和高选择性，在光学生物传感器的使用和设计中需要考虑以下问题：学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器（1）信号的转换。增强信号，降低噪声。（2）流体设计。样品的注入和排出，减少样品的污染，提高样品的传输能力，减少检测时间。（3）表面固定化。有效地捕捉分析物，排除非特异性结合。（4）检测方法。直接结合、间接结合等。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器相比于其他生物传感器，光学生物传感器具有稳定性及灵敏性高等优点。这些优点使得光学生物传感器越来越受到广大研究者的重视，并且已经成功应用于医学及生化分析等领域。但是，光学生物传感器也存在缺点，如抗干扰能力较差、价格较为昂贵等。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器压电晶体生物传感器压电晶体生物传感器 4.最早用于生化分析的为免疫传感器，是Shons等人于1972年制成改进后的第一个压电免疫传感器，开创了压电晶体生物传感器的先河。压电晶体生物传感器是将生物化学反应的高选择性和压电石英晶体对质量变化的灵敏性结合在一起而形成的一种新型生物传感器。因其对微量质量的高灵敏度（可达1 ng）及在气相、液相环境中进行检测的特性，目前，压电晶体生物传感器在生物领域、医疗领域已经得到了广泛而深入的应用。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器晶体振动分为体声波（BAW）和声表面波（SAW）两种类型，它们都可以用于生物传感器的研制，目前已经有很多基于这两种振动类型的生物传感器。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器（1）体声波生物传感器。体声波生物传感器是由生物敏感膜和体声波生物传感器组成的。与体声波传感器相比，体声波生物传感器的不同点在于在一侧的原型电极上固定有一层生物识别元件，这种生物识别元件通常为酶、抗体等生物分子。通过利用酶与底物或抗体与抗原之间的特异性结合，实现对待测生物样品的定量分析。石英晶体微天平是一种使用最为广泛的声波器件。石英晶体微天平生物传感器的基底采用AT切型的圆形石英晶片，两侧有一对圆形电极，在两个电极之间施加电压，使晶体产生剪切变形。声波传感方向从内部垂直朝向晶体表面。由于仅仅在两个基本点电极之间的区域有电压活性，因此电极所覆盖的区域振动强度最大，离开这个区域，振动迅速减弱。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器相比于其他类型的生物传感器，石英晶体微天平生物传感器具有以下优点：制造简单，能承受较恶劣的环境，AT切型石英晶体微天平生物传感器具有良好的温度稳定性，对吸附物的质量比较敏感等，适合于制作生物传感器。当生物识别元件与分析物结合时，整个石英晶体微天平承受的质量发生变化，从而引起谐振频率的改变。通过检测谐振频率的变化量，即可分析计算结合分析物的质量。体声波生物传感器在生化领域多用于DNA分析和药物分析。DNA生物传感器可区分不同长度的DNA片段；药物分析传感器可通过特异性结合，分析药物成分、监测药物生产等。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器（2）声表面波生物传感器。声表面波生物传感器的基本结构由声表面波传感器和生物识别元件组成。其原理是在声表面波的传播路径上固定一层生物识别元件。当生物识别元件与分析物发生特异性结合时，声表面波的传播路径发生变化，从而引起声波波速与相位的改变。通过检测波速或相位的变化量，可以分析待测物的浓度等相关信息。声表面波生物传感器的电极装在晶体的同一侧，振动波跨越晶体表面，具有径向和垂直剪切组分，并与晶体表面耦合。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器这种耦合对振动波的振幅和速度影响很大，使声表面波传感器能够直接对外来质量和机械性质响应。体声波的能量从表面向内部传播，这种传播方式减少了表面的能量密度。由于声表面波为表面传播方式，能量集中在表面，因此对外来吸附质量比体声波更加敏感。在设计声表面波生物传感器时，应考虑振动稳定性及噪声水平对分析的干扰。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器半导体生物传感器半导体生物传感器5.半导体生物传感器由半导体器件和生物敏感元件组成。通常用的半导体生物传感器是场效应晶体管生物传感器，因此，半导体生物传感器又称为场效应晶体管生物传感器。场效应晶体管生物传感器源于两种成熟技术：固态集成电路（微电子学）和离子选择性电极（化学传感器）。20世纪70年代初开始将绝缘栅场效应晶体管（IGFET）用于氢的检测。离子选择性电极技术（ISE）中的关键部分离子选择性膜直接与场效应晶体相结合，进而出现了离子敏场效应晶体管（ISFET）。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器场效应晶体管生物传感器主要由生物敏感元件和场效应晶体管两部分构成。生物敏感元件固定着具有分子识别功能的生物敏感膜，而场效应晶体管则起信号转换的作用。研究使用的场效应晶体管大多为离子敏场效应晶体管，其中以氢离子（H+）敏场效应晶体管最为普遍。随着微电子机械系统（MEMS）的快速发展，生物传感器与微电子机械系统的结合将使生物传感器具有集成化、多功能化、便携式等优点；同时，由于微电子技术已经非常成熟，使得加工制作能够集成微电子系统的生物传感器的成本降低。场效应晶体管生物传感器使得这一目标成为可能。相比于其他类型的场效应晶体管，如MOSFET、ISFET，生物场效应晶体管（BiFET）具有以下特点：学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器（1）生物敏感元件直接涂在绝缘栅上而不是与场效应晶体管分离。可直接插入液体样品进行测定。常温操作。提供电压的金属栅被参比电极取代。（2）（3）（4）学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器相比于其他类型的生物传感器，以生物场效应晶体管为基础的场效应晶体管生物传感器具有如下优点：构造简单，成本低，便于批量制作；力学性能好，耐振动，使用寿命长；输出阻抗低，不受外来电场干扰，测试电路简单；体积小，可制成微型生物传感器，适合微量样品分析和活体内测定；可在同一硅片上集成多种传感器，同时对样品不同成分进行测量分析，得出综合信息；可直接整合到电路中进行信号处理，作为研制生物芯片和生物计算机的基础。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器 生物传感器的新近发展趋势 四、四、目前，生物传感器朝着智能化、微型化、多功能化的方向发展，通过与电子技术、信息技术、生物技术、新型材料的结合，生物传感器有着广阔的发展前景与应用市场。学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器光学传感器光学传感器1.无标签光检测生物传感器不需要对生物样品进行标记就能直接测量，从而降低了对生物样品活性的影响，使得测量更为简便。无标签光检测生物传感器已经被广大研究者所关注，其更新成果可以分为以下五类：学习单元二学习单元二 生物传感器生物传感器（1）表面等离子激元共振生物传感器。（2）干涉生物传感器。（3）