基于無線傳感技術的生物體PH監測儀的研究

徐琳珊 柳振寶 王慶華 朱毅 趙子琪 羅勇杰 張瑋光 陳文光

摘?要：pH值作為內環境理化性質之一，能夠很好的反映內環境的穩定狀況，進而反映生物體即時的健康狀況。本作品是一款結合無線通信技術和無線供電技術的更加便捷的可嵌入式PH檢測儀，可實現利用電磁耦合的方式進行無線充電，并在充電的過程中實現信號的無線傳輸，同時兼具報警功能，生物體內的PH值異常時可以發出報警信號。

關鍵詞：可嵌入式器件;無線通信技術;無線供電技術

眾所周知，生物正常機體通過調節作用，能夠使各個器官、系統協調活動，共同維持生物體內環境的相對穩定狀態，從而保證生物體的正常生命活動。而作為內環境理化性質之一的pH值，能夠很好的反映內環境的穩定狀況，進而反映生物體即時的健康狀況。對于生物體內pH值的監測，有利于及時把控其生物體的健康狀況。當我們的產品發出預警信號之后，就可以對生物體開展進一步的診斷與治療。

通過監測生物體內pH值來了解其健康水平。只要預先設定好該生物體正常情況下體內的pH值范圍，嵌入生物體內的PH值監測儀就能對其進行實時的pH值監測，當pH值超出預設的正常pH值范圍后，該產品就會向外圍的配套設備發出報警提示，以便做進一步的健康檢查與診斷。所以該作品的研究對及時掌握生物體健康狀況具有重要意義。

對于無線傳感技術的生物體PH值監測儀，可植入式微型器件是一個真正的微系統，其中包括兩個部分，一部分在生物體內部，另一部分在生物體外部。系統原理圖如圖1所示。

1 傳感器在生物體內結構性能

1.1 體內能量接收電路實現

由于能量接收電路需要通過手術植入到實驗生物體內，為降低生物體的排異反應，應該使植入的電路板體積盡可能小，功耗保持相對較低，并且要將其整體封裝在具有生物兼容性的硅材料中。體內能量接收電路包括LC并聯諧振電路、整流濾波模塊以及穩壓電路模塊。為了使得到的藕合電壓能夠最大，采用并聯諧振的方式接收能量。圖2是體內外藕合變壓器實例Ls和Cs組成的并聯諧振回路與發射端的串聯諧振。

1.2 工藝集成封裝技術

生物相容性是指生物材料與生物體內的組織和血液中的生化成份相容，材料不被腐蝕且對生物體不產生毒副作用的特性與能力。在嵌入式過程中，從材料封裝及產品檢測都需要考慮生物相容性。

因此，對材料的選擇顯得十分重要的。由于硅橡膠具有良好的性能和生物相容性，我們選擇采用道康寧生產的醫用硅橡膠作為封裝材料，其產品名稱SilasticMDX4-4210。它具有良好的流動性能，而且本身的質量輕，以及適合長期植入生物體超過90天等特點。另外，Silastic

MDX4-4210還具有其他特點：在室溫下固化且無收縮變形，加熱可加快固化速度。它通過了ISO

10993-1，符合或優于下列驗收標準：細胞毒作用、敏化作用、刺激性、皮下反應、系統毒性（急性）和亞急性毒性。

2 該產品在生物體外結構性能

2.1 體外能量發射電路

E類放大器在經皮無線能量傳輸的應用當中驅動體外發射線圈產生高頻振蕩電流，從而產生作為能量傳輸中介的高頻交變磁場，實現能量的發射。在選擇驅動線圈的載波頻率時主要需要考慮以下幾個問題：①所選頻率是否在醫用允許使用范圍內;②載波頻率對經皮能量傳輸的效率的影響;③是否有利于電路調試。

用LRC電橋測得自行繞制的扁平空心發射線圈的電感值約為3.3uH。如果載波頻率選得過高，計算得與之諧振的電容將非常小，實際中不好調試，加上晶體管和線圈中雜散分布電容的影響，電路將會十分不穩定。同時，還會產生“趨膚效應”，當交變電流流經線圈時，由于感應作用使得導體截面上電流分布不均勻，其電流密度和磁通密度隨著距離導體表面越近而增大。當高頻電流流經導線時，可以看作電流只通過導線表面上極薄的一層，這相當于導線的橫截面積減小而電阻增大。電流頻率越高，趨膚效應越明顯。若載波的頻率低，則會影響藕合系數從而降低能量傳輸效率。通過實驗比較，決定選擇載波為4MHz。查閱相關文獻可知，對于射頻ISM頻段即工業，科學和醫用頻段，沒有所謂使用授權的限制，只需要遵守一定的發射功率（功率不能超過1W），并且不能對其它設備造成擾。故選取4MHz的載波是可行的。

2.2 傳感部分

使用ADI公司的帶有溫度補償功能的隔離式低功耗pH監測儀，其特點是完全隔離式低功耗pH傳感器信號調理器和數字化儀，并且帶有自動溫度補償以實現高精度。電路包含其中三個重要的電路級：pH探針緩沖器、ADC和430低功耗單片機。利用430低功耗單片機可以設置正常的PH值，當異常時即報警，在生物體內定時檢測，從而減少功耗，以延長電容供電的時長，同時也有電源隔離功能。AD8603是一款精密微功耗（最大值50μA）及低噪聲（22nV/√Hz）CMOS運算放大器，配置為連接AD7793通道之一輸入的緩沖器。AD8603的典型輸入偏置電流為200fA，為高內部電阻pH探針提供了一種有效的解決方案。pH檢測和溫度補償系統基于AD7793，24位（Σ-Δ）ADC。它有三個差分模擬輸入和一個片內低噪聲、可編程增益放大器（PGA），其范圍為單位增益至128。AD7793的最大功耗僅為500μA，適用于任何低功耗應用。有一個低噪聲、低漂移內部帶隙基準電壓源，而且也可采用一個外部差分基準電壓。輸出數據速率可通過軟件編程設置，可在4.17Hz至470Hz的范圍內變化。

2.3 無線通信及供電部分

為解決植入部分的供電問題以及采集到的數據如何傳輸出來的問題，我們采用一種雙向通信的充電技術，在發射端與接收端之間有兩種通信鏈路。其中從接收端（RX端）到發射端（TX）的通信采用ASK方式，從TX到RX端的通信采用FSK方式。

3 主要研究內容及創新性

3.1 可植入微型PH傳感電路的研究

其電路主要包含三個重要的電路級：pH探針緩沖器、ADC和430低功耗單片機。同時對各電路級進行分析，確保各級之間相互匹配又能互不干擾，并利用HFSS對電感模型進行優化處理，最終確定了制作工藝并完成模型的制作通過了檢測。

3.2 無線通信及無線供電系統的初步研究

在分析無線通信系統以及無線供電的工作要求之后對其電路進行了驗證，接著對微型射頻MEMS線圈進行研究，分析其傳輸能量的效率。

3.3 可植入式器件工藝集成封裝技術的研究

對封裝好的樣品在模擬生物體環境的生理鹽水中進行了測試。其測試結果精確度高，同時能實現微器件在植入環境中長期工作。我們在傳統PH監測儀基礎上有所改進，首先該可植入式微型器件是一個真正的微系統，其次結合了無線通信技術和無線供電技術是一種更加便捷，功能更加強大的可嵌入式PH檢測儀，可實現利用電磁耦合的方式進行無線充電，用到具有電源隔離功能430低功耗單片機并在充電過程中實現信號的無線傳輸，同時兼備報警功能，生物體內PH值異常時發出報警信號。

4 本產品性能指標及應用范圍

4.1 產品性能指標

本產品在傳統PH監測儀的基礎上有所改進，首先該可植入式微型器件是一個真正的微系統，結合了無線通信技術和無線供電技術是一種更加便捷，功能更加強大的可嵌入式PH檢測儀，可實現利用電磁耦合的方式進行無線充電，用到具有電源隔離功能430低功耗單片機并在充電過程中實現信號的無線傳輸，發射器效率可達80%，接收器效率在90%左右，整個效率超過70%，PH檢測精度達到0.1，同時兼備報警功能，生物體內PH值異常時發出報警信號。

4.2 應用范圍

（1）可以通過檢測土壤PH值達到保護作物的生長，也可用于林業防護。

（2）在污水處理方面，向監測點附近的植物體內植入檢測器可以得到許多信息。同時能為諸如供水水源保護的早期預警系統;監測污染物濃度的上升趨勢;評價污染治理措施的效果;驗證污染風險評價結果等方面提供重要信息。

（3）在食品生產方面，我們的產品能提供更高精度pH值的測量，能夠幫助各行業生產方控制生產工藝、保證產品的功效、減少浪費、避免損害實驗人員及環境，并滿足法律法規的要求。

（4）化工領域的應用主要表現在pH值的測量，很多化學反應需要在特定的pH下進行，否則得不到所期望的產物。

參考文獻：

[1]李杏，杜哲益.無線充電技術及其應用[J].集成電路應用，2016，33（12）：60-62.

[2]毛衛軍.基于電感耦合的近距離無線供電關鍵模塊設計研究[D].浙江大學，2017.

[3]趙陽陽，向自林，張鵬.關于磁耦合諧振式與電磁感應式無線充電特性的研究[J].

通訊世界，2017，（08）：152-154.

[4]李家棟，王冬青，徐棟，龔秀元.磁耦合諧振式無線充電系統功率輸出特性與匹配電路設計[J].制造業自動化，2018，40（10）：122-124+131.

[5]謝國民，韓劉路，付華，丁會巧.無線充電式傳感器系統設計及關鍵技術[J].傳感器與微系統，2018，37（03）：99-102.

[6]靳志芳.磁耦合諧振式無線電能傳輸系統線圈的電磁分析與優化設計[D].北京交通大學，2017.