基于無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)的生物體PH監(jiān)測(cè)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(nèi)環(huán)境理化性質(zhì)之一，能夠很好的反映內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定狀況，進(jìn)而反映生物體即時(shí)的健康狀況。本作品是一款結(jié)合無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)的更加便捷的可嵌入式PH檢測(cè)儀，可實(shí)現(xiàn)利用電磁耦合的方式進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電，并在充電的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)線(xiàn)傳輸，同時(shí)兼具報(bào)警功能，生物體內(nèi)的PH值異常時(shí)可以發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

關(guān)鍵詞：可嵌入式器件;無(wú)線(xiàn)通信技術(shù);無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)

眾所周知，生物正常機(jī)體通過(guò)調(diào)節(jié)作用，能夠使各個(gè)器官、系統(tǒng)協(xié)調(diào)活動(dòng)，共同維持生物體內(nèi)環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，從而保證生物體的正常生命活動(dòng)。而作為內(nèi)環(huán)境理化性質(zhì)之一的pH值，能夠很好的反映內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定狀況，進(jìn)而反映生物體即時(shí)的健康狀況。對(duì)于生物體內(nèi)pH值的監(jiān)測(cè)，有利于及時(shí)把控其生物體的健康狀況。當(dāng)我們的產(chǎn)品發(fā)出預(yù)警信號(hào)之后，就可以對(duì)生物體開(kāi)展進(jìn)一步的診斷與治療。

通過(guò)監(jiān)測(cè)生物體內(nèi)pH值來(lái)了解其健康水平。只要預(yù)先設(shè)定好該生物體正常情況下體內(nèi)的pH值范圍，嵌入生物體內(nèi)的PH值監(jiān)測(cè)儀就能對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的pH值監(jiān)測(cè)，當(dāng)pH值超出預(yù)設(shè)的正常pH值范圍后，該產(chǎn)品就會(huì)向外圍的配套設(shè)備發(fā)出報(bào)警提示，以便做進(jìn)一步的健康檢查與診斷。所以該作品的研究對(duì)及時(shí)掌握生物體健康狀況具有重要意義。

對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)的生物體PH值監(jiān)測(cè)儀，可植入式微型器件是一個(gè)真正的微系統(tǒng)，其中包括兩個(gè)部分，一部分在生物體內(nèi)部，另一部分在生物體外部。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

1 傳感器在生物體內(nèi)結(jié)構(gòu)性能

1.1 體內(nèi)能量接收電路實(shí)現(xiàn)

由于能量接收電路需要通過(guò)手術(shù)植入到實(shí)驗(yàn)生物體內(nèi)，為降低生物體的排異反應(yīng)，應(yīng)該使植入的電路板體積盡可能小，功耗保持相對(duì)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(nèi)能量接收電路包括LC并聯(lián)諧振電路、整流濾波模塊以及穩(wěn)壓電路模塊。為了使得到的藕合電壓能夠最大，采用并聯(lián)諧振的方式接收能量。圖2是體內(nèi)外藕合變壓器實(shí)例Ls和Cs組成的并聯(lián)諧振回路與發(fā)射端的串聯(lián)諧振。

1.2 工藝集成封裝技術(shù)

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

因此，對(duì)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(chǎn)的醫(yī)用硅橡膠作為封裝材料，其產(chǎn)品名稱(chēng)SilasticMDX4-4210。它具有良好的流動(dòng)性能，而且本身的質(zhì)量輕，以及適合長(zhǎng)期植入生物體超過(guò)90天等特點(diǎn)。另外，Silastic

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

10993-1，符合或優(yōu)于下列驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：細(xì)胞毒作用、敏化作用、刺激性、皮下反應(yīng)、系統(tǒng)毒性（急性）和亞急性毒性。

2 該產(chǎn)品在生物體外結(jié)構(gòu)性能

2.1 體外能量發(fā)射電路

E類(lèi)放大器在經(jīng)皮無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)膽?yīng)用當(dāng)中驅(qū)動(dòng)體外發(fā)射線(xiàn)圈產(chǎn)生高頻振蕩電流，從而產(chǎn)生作為能量傳輸中介的高頻交變磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)能量的發(fā)射。在選擇驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈的載波頻率時(shí)主要需要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：①所選頻率是否在醫(yī)用允許使用范圍內(nèi);②載波頻率對(duì)經(jīng)皮能量傳輸?shù)男实挠绊?③是否有利于電路調(diào)試。

用LRC電橋測(cè)得自行繞制的扁平空心發(fā)射線(xiàn)圈的電感值約為3.3uH。如果載波頻率選得過(guò)高，計(jì)算得與之諧振的電容將非常小，實(shí)際中不好調(diào)試，加上晶體管和線(xiàn)圈中雜散分布電容的影響，電路將會(huì)十分不穩(wěn)定。同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生“趨膚效應(yīng)”，當(dāng)交變電流流經(jīng)線(xiàn)圈時(shí)，由于感應(yīng)作用使得導(dǎo)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(dǎo)體表面越近而增大。當(dāng)高頻電流流經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)時(shí)，可以看作電流只通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)表面上極薄的一層，這相當(dāng)于導(dǎo)線(xiàn)的橫截面積減小而電阻增大。電流頻率越高，趨膚效應(yīng)越明顯。若載波的頻率低，則會(huì)影響藕合系數(shù)從而降低能量傳輸效率。通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較，決定選擇載波為4MHz。查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，對(duì)于射頻ISM頻段即工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)用頻段，沒(méi)有所謂使用授權(quán)的限制，只需要遵守一定的發(fā)射功率（功率不能超過(guò)1W），并且不能對(duì)其它設(shè)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(bǔ)償功能的隔離式低功耗pH監(jiān)測(cè)儀，其特點(diǎn)是完全隔離式低功耗pH傳感器信號(hào)調(diào)理器和數(shù)字化儀，并且?guī)в凶詣?dòng)溫度補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)高精度。電路包含其中三個(gè)重要的電路級(jí)：pH探針緩沖器、ADC和430低功耗單片機(jī)。利用430低功耗單片機(jī)可以設(shè)置正常的PH值，當(dāng)異常時(shí)即報(bào)警，在生物體內(nèi)定時(shí)檢測(cè)，從而減少功耗，以延長(zhǎng)電容供電的時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)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(yùn)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(nèi)部電阻pH探針提供了一種有效的解決方案。pH檢測(cè)和溫度補(bǔ)償系統(tǒng)基于AD7793，24位（Σ-Δ）ADC。它有三個(gè)差分模擬輸入和一個(gè)片內(nèi)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(yīng)用。有一個(gè)低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源，而且也可采用一個(gè)外部差分基準(zhǔn)電壓。輸出數(shù)據(jù)速率可通過(guò)軟件編程設(shè)置，可在4.17Hz至470Hz的范圍內(nèi)變化。

2.3 無(wú)線(xiàn)通信及供電部分

為解決植入部分的供電問(wèn)題以及采集到的數(shù)據(jù)如何傳輸出來(lái)的問(wèn)題，我們采用一種雙向通信的充電技術(shù)，在發(fā)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(fā)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?jī)?nèi)容及創(chuàng)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(gè)重要的電路級(jí)：pH探針緩沖器、ADC和430低功耗單片機(jī)。同時(shí)對(duì)各電路級(jí)進(jìn)行分析，確保各級(jí)之間相互匹配又能互不干擾，并利用HFSS對(duì)電感模型進(jìn)行優(yōu)化處理，最終確定了制作工藝并完成模型的制作通過(guò)了檢測(cè)。

3.2 無(wú)線(xiàn)通信及無(wú)線(xiàn)供電系統(tǒng)的初步研究

在分析無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)以及無(wú)線(xiàn)供電的工作要求之后對(duì)其電路進(jìn)行了驗(yàn)證，接著對(duì)微型射頻MEMS線(xiàn)圈進(jìn)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(shù)的研究

對(duì)封裝好的樣品在模擬生物體環(huán)境的生理鹽水中進(jìn)行了測(cè)試。其測(cè)試結(jié)果精確度高，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)微器件在植入環(huán)境中長(zhǎng)期工作。我們?cè)趥鹘y(tǒng)PH監(jiān)測(cè)儀基礎(chǔ)上有所改進(jìn)，首先該可植入式微型器件是一個(gè)真正的微系統(tǒng)，其次結(jié)合了無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)是一種更加便捷，功能更加強(qiáng)大的可嵌入式PH檢測(cè)儀，可實(shí)現(xiàn)利用電磁耦合的方式進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電，用到具有電源隔離功能430低功耗單片機(jī)并在充電過(guò)程中實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)線(xiàn)傳輸，同時(shí)兼?zhèn)鋱?bào)警功能，生物體內(nèi)PH值異常時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

4 本產(chǎn)品性能指標(biāo)及應(yīng)用范圍

4.1 產(chǎn)品性能指標(biāo)

本產(chǎn)品在傳統(tǒng)PH監(jiān)測(cè)儀的基礎(chǔ)上有所改進(jìn)，首先該可植入式微型器件是一個(gè)真正的微系統(tǒng)，結(jié)合了無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)是一種更加便捷，功能更加強(qiáng)大的可嵌入式PH檢測(cè)儀，可實(shí)現(xiàn)利用電磁耦合的方式進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電，用到具有電源隔離功能430低功耗單片機(jī)并在充電過(guò)程中實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)線(xiàn)傳輸，發(fā)射器效率可達(dá)80%，接收器效率在90%左右，整個(gè)效率超過(guò)70%，PH檢測(cè)精度達(dá)到0.1，同時(shí)兼?zhèn)鋱?bào)警功能，生物體內(nèi)PH值異常時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

4.2 應(yīng)用范圍

（1）可以通過(guò)檢測(cè)土壤PH值達(dá)到保護(hù)作物的生長(zhǎng)，也可用于林業(yè)防護(hù)。

（2）在污水處理方面，向監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近的植物體內(nèi)植入檢測(cè)器可以得到許多信息。同時(shí)能為諸如供水水源保護(hù)的早期預(yù)警系統(tǒng);監(jiān)測(cè)污染物濃度的上升趨勢(shì);評(píng)價(jià)污染治理措施的效果;驗(yàn)證污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果等方面提供重要信息。

（3）在食品生產(chǎn)方面，我們的產(chǎn)品能提供更高精度pH值的測(cè)量，能夠幫助各行業(yè)生產(chǎn)方控制生產(chǎn)工藝、保證產(chǎn)品的功效、減少浪費(fèi)、避免損害實(shí)驗(yàn)人員及環(huán)境，并滿(mǎn)足法律法規(guī)的要求。

（4）化工領(lǐng)域的應(yīng)用主要表現(xiàn)在pH值的測(cè)量，很多化學(xué)反應(yīng)需要在特定的pH下進(jìn)行，否則得不到所期望的產(chǎn)物。

參考文獻(xiàn)：

[1]李杏，杜哲益.無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)及其應(yīng)用[J].集成電路應(yīng)用，2016，33（12）：60-62.

[2]毛衛(wèi)軍.基于電感耦合的近距離無(wú)線(xiàn)供電關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)研究[D].浙江大學(xué)，2017.

[3]趙陽(yáng)陽(yáng)，向自林，張鵬.關(guān)于磁耦合諧振式與電磁感應(yīng)式無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)功率輸出特性與匹配電路設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2018，40（10）：122-124+131.

[5]謝國(guó)民，韓劉路，付華，丁會(huì)巧.無(wú)線(xiàn)充電式傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2018，37（03）：99-102.

[6]靳志芳.磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)線(xiàn)圈的電磁分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].北京交通大學(xué)，2017.