壓電薄膜擁有獨(dú)一無二的特性，作為一種動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器，非常適合應(yīng)用于人體皮膚表面或植入人體內(nèi)部的生命信號(hào)監(jiān)測(cè)。一些薄膜元件靈敏到足以隔著外套探測(cè)出人體脈搏。本文將著重介紹幾種壓電薄膜在生命特征監(jiān)護(hù)方面的典型應(yīng)用。

當(dāng)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)（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(duì)壓力敏感，但對(duì)于壓電薄膜來說，在縱向施加一個(gè)很小的力時(shí)，橫向上會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，而如果對(duì)薄膜大面積施加同樣的力時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)小很多。因此，壓電薄膜對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)力非常敏感，28μm厚的 PVDF 的靈敏度典型值為10 ~ 15mV /微應(yīng)變（長(zhǎng)度的百萬(wàn)分率變化）。

使用“動(dòng)態(tài)應(yīng)力”這個(gè)術(shù)語(yǔ)是因?yàn)樾巫儺a(chǎn)生的電荷會(huì)從與薄膜連接的電路流失，所以壓電薄膜并不能探測(cè)靜態(tài)應(yīng)力。當(dāng)需要探測(cè)不同水平的預(yù)應(yīng)力時(shí)，這反而成為壓電薄膜的優(yōu)勢(shì)所在。薄膜只感受到應(yīng)力的變化量，最低響應(yīng)頻率可達(dá)0.1Hz。

壓電薄膜很薄，質(zhì)輕，非常柔軟，可以無源工作，因此可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)用傳感器，尤其是需要探測(cè)細(xì)微的信號(hào)時(shí)。顯然，該材料的特點(diǎn)在供電受限的情況下尤為突出（在某些結(jié)構(gòu)中，甚至還可以產(chǎn)生少量的能量）。而且壓電薄膜極其耐用，可以經(jīng)受數(shù)百萬(wàn)次的彎曲和振動(dòng)。

接觸式傳感器

利用壓電薄膜的動(dòng)態(tài)應(yīng)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(nèi)側(cè)）。精量電子—美國(guó)MEAS傳感器的產(chǎn)品型號(hào)1001777是一款通用傳感器，傳感器的一側(cè)涂有壓力敏感膠。但這款膠未經(jīng)生物兼容性認(rèn)證，在短期試驗(yàn)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。

圖1顯示的是利用電荷放大器（低頻為1Hz，靈敏度為1mV/pC）取得的脈搏信號(hào)。輸出大約為130mV（相當(dāng)于約100mV 的開路電壓），換算成動(dòng)態(tài)應(yīng)力約為 8με。

圖1中的信號(hào)是在手部放松時(shí)取得的。彎曲或轉(zhuǎn)動(dòng)手腕可以產(chǎn)生更大振幅的信號(hào)，尤其是在預(yù)放大器的頻率設(shè)置得很低時(shí)。圖2顯示出重復(fù)握緊和松開物體時(shí)壓電薄膜傳感器的反應(yīng)，輸出振幅為3V左右（開路），或大約250με的動(dòng)態(tài)應(yīng)力。

壓電薄膜之所以既能探測(cè)非常微小的物理信號(hào)又能感受到大幅度的活動(dòng)，是因?yàn)镻VDF膜的壓電響應(yīng)在相當(dāng)大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)都是線性的（大約14個(gè)數(shù)量級(jí)）。多數(shù)情況下，只要能明顯區(qū)分目標(biāo)信號(hào)和噪聲的帶寬，細(xì)小的目標(biāo)信號(hào)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(cè)胸部、腿部、眼部肌肉和皮膚的運(yùn)動(dòng)。另外，傳感器可以通過探測(cè)肌肉（例如拇指和食指之間的肌肉）對(duì)電擊的反應(yīng)作為檢驗(yàn)麻醉效果的指示器（神經(jīng)肌肉傳導(dǎo)）。

加速度傳感器

Minisense100是精量電子的一款標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，采用懸臂梁設(shè)計(jì)，一端用硬性PCB板夾緊并帶有連接引腳，另一端裝有質(zhì)量塊。

質(zhì)量塊使傳感器在受到振動(dòng)時(shí)連貫反應(yīng)。質(zhì)量塊保持不動(dòng)，而薄膜部分發(fā)生形變，從而產(chǎn)生非常高的電壓靈敏度（大約 1V/g）。由這個(gè)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(nèi)置RF遙感設(shè)備）。通過階段性采集佩戴者的信號(hào)來確定其位置和跟蹤其狀態(tài)。傳感器感測(cè)到胸卡被摘下時(shí)會(huì)將胸卡設(shè)置成睡眠狀態(tài)；如果傳感器感受到身體任何部位的運(yùn)動(dòng)，肌肉的震顫，甚至是脈搏的振動(dòng)，會(huì)喚醒胸卡。

將傳感器用一條輕薄而有彈性的綁帶固定在胸部，可以“聽”到心音的細(xì)節(jié)。如果傳感器電氣接口頻率非常低，同時(shí)還可以監(jiān)控呼吸的情況（見圖3）。這個(gè)波形圖顯示呼吸引起的胸腔運(yùn)動(dòng)，大約 4 秒鐘一個(gè)信號(hào)周期；同時(shí)也顯示出心跳的信號(hào)，大概每秒一次（60bpm）。將濾波器設(shè)置為1Hz~10Hz濾除圖3 波形中的呼吸信號(hào)和噪聲，可以獲得心跳的實(shí)時(shí)信號(hào)（見圖4）。

圖4波形中所有的信號(hào)都是在病人休息時(shí)采集的。人體的運(yùn)動(dòng)會(huì)輕易影響心跳的信號(hào)，這一點(diǎn)可以通過一個(gè)加速度計(jì)驗(yàn)證。應(yīng)用一個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)（傳感器尺寸 1.3 x3mm）在心臟起搏器上，監(jiān)測(cè)病人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以相應(yīng)調(diào)整起搏器的速率。

聽診器

很多電子聽診器都采用了壓電薄膜作為傳感器元件，因?yàn)樗陀?，靈敏度高，帶寬范圍寬。在該應(yīng)用中，傳感器元件通常都封裝在傳統(tǒng)的金屬聽診頭中，因?yàn)閭鞲衅餍枰c身體形成“作用力”。一旦動(dòng)態(tài)的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，就可以有選擇性的過濾或放大、作為音頻信號(hào)回放、運(yùn)用更復(fù)雜的運(yùn)算方法判斷出具體的狀況、或傳輸?shù)竭h(yuǎn)程基站進(jìn)行進(jìn)一步分析存儲(chǔ)等。

傳感器組

一個(gè)復(fù)合聲傳感器可以同時(shí)監(jiān)控多個(gè)點(diǎn)。Deep Breeze公司用一個(gè)有差不多100個(gè)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(hào)在加工處理后轉(zhuǎn)換成聲音的“圖像”，因而氣管和肺里的氣流可以像動(dòng)畫片一樣成像。任何異物和不正?，F(xiàn)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(jiān)護(hù)

壓電薄膜和壓電電纜都可以安裝在床墊上探測(cè)病人的心跳、呼吸和身體運(yùn)動(dòng)。Hoana Medical Inc. 的監(jiān)護(hù)床報(bào)警系統(tǒng)在床墊和被單之間安裝了一組傳感器。病人坐或躺在監(jiān)護(hù)床上時(shí)，傳感器可以隔著衣服和被單準(zhǔn)確測(cè)量收集患者的生命特征信息。柔性開關(guān)用于采集靜態(tài)信號(hào)，病患所有的動(dòng)態(tài)信號(hào)都由壓電薄膜采集并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，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(shí)，系統(tǒng)可以提前報(bào)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(jiān)控儀

Infantrust 公司利用 PVDF 對(duì)應(yīng)力極端敏感的特性開發(fā)了一款輔助育兒產(chǎn)品 Respisense。把監(jiān)控儀夾在紙尿片貼近嬰兒腰部的位置，監(jiān)控嬰兒的心跳。Respisense中的壓電薄膜與腹部皮膚直接接觸，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)如果沒探測(cè)到嬰兒在活動(dòng)，震動(dòng)蜂鳴器將被啟動(dòng)，輕輕地?fù)軇?dòng)?jì)雰?，刺激它呼吸。如果在此后的一段時(shí)間內(nèi)嬰兒仍沒有反應(yīng)，報(bào)警器將被啟動(dòng)。

呼吸熱電監(jiān)測(cè)

PVDF對(duì)溫度的動(dòng)態(tài)變化也相當(dāng)敏感（28μm厚壓電薄膜的典型值是8 V/oC）。英國(guó)C-Lect醫(yī)療公司開發(fā)了一款監(jiān)控器，用來監(jiān)測(cè)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(jìn)和呼出氣體的溫度變化產(chǎn)生強(qiáng)勁的電信號(hào)。即使吸入的是加熱過的氧氣/空氣，測(cè)量結(jié)果仍然十分準(zhǔn)確。PIPPA監(jiān)控器由電池供電，LCD顯示每分鐘的呼吸次數(shù)。

用壓電薄膜制造的嘴唇接觸式傳感器運(yùn)用了相同的原理，探測(cè)通過嘴或鼻子的氣流。相對(duì)于熱敏電阻來說，壓電薄膜靈敏度高，響應(yīng)速度快，柔軟，并且探測(cè)面積大。

結(jié)論

從以上應(yīng)用案例看出，壓電薄膜可以替代傳統(tǒng)元件來探測(cè)并傳送生命特征信號(hào)至醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。相信在不久的將來，壓電薄膜會(huì)憑借其諸多優(yōu)點(diǎn)，更廣泛的應(yīng)用于治療和監(jiān)護(hù)中。