论文部分内容阅读
摘 要:pH值作为内环境理化性质之一,能够很好的反映内环境的稳定状况,进而反映生物体即时的健康状况。本作品是一款结合无线通信技术和无线供电技术的更加便捷的可嵌入式PH检测仪,可实现利用电磁耦合的方式进行无线充电,并在充电的过程中实现信号的无线传输,同时兼具报警功能,生物体内的PH值异常时可以发出报警信号。
关键词:可嵌入式器件;无线通信技术;无线供电技术
众所周知,生物正常机体通过调节作用,能够使各个器官、系统协调活动,共同维持生物体内环境的相对稳定状态,从而保证生物体的正常生命活动。而作为内环境理化性质之一的pH值,能够很好的反映内环境的稳定状况,进而反映生物体即时的健康状况。对于生物体内pH值的监测,有利于及时把控其生物体的健康状况。当我们的产品发出预警信号之后,就可以对生物体开展进一步的诊断与治疗。
通过监测生物体内pH值来了解其健康水平。只要预先设定好该生物体正常情况下体内的pH值范围,嵌入生物体内的PH值监测仪就能对其进行实时的pH值监测,当pH值超出预设的正常pH值范围后,该产品就会向外围的配套设备发出报警提示,以便做进一步的健康检查与诊断。所以该作品的研究对及时掌握生物体健康状况具有重要意义。
对于无线传感技术的生物体PH值监测仪,可植入式微型器件是一个真正的微系统,其中包括两个部分,一部分在生物体内部,另一部分在生物体外部。系统原理图如图1所示。
1 传感器在生物体内结构性能
1.1 体内能量接收电路实现
由于能量接收电路需要通过手术植入到实验生物体内,为降低生物体的排异反应,应该使植入的电路板体积尽可能小,功耗保持相对较低,并且要将其整体封装在具有生物兼容性的硅材料中。体内能量接收电路包括LC并联谐振电路、整流滤波模块以及稳压电路模块。为了使得到的藕合电压能够最大,采用并联谐振的方式接收能量。图2是体内外藕合变压器实例Ls和Cs组成的并联谐振回路与发射端的串联谐振。
1.2 工艺集成封装技术
生物相容性是指生物材料与生物体内的组织和血液中的生化成份相容,材料不被腐蚀且对生物体不产生毒副作用的特性与能力。在嵌入式过程中,从材料封装及产品检测都需要考虑生物相容性。
因此,对材料的选择显得十分重要的。由于硅橡胶具有良好的性能和生物相容性,我们选择采用道康宁生产的医用硅橡胶作为封装材料,其产品名称SilasticMDX4-4210。它具有良好的流动性能,而且本身的质量轻,以及适合长期植入生物体超过90天等特点。另外,Silastic
MDX4-4210还具有其他特点:在室温下固化且无收缩变形,加热可加快固化速度。它通过了ISO
10993-1,符合或优于下列验收标准:细胞毒作用、敏化作用、刺激性、皮下反应、系统毒性(急性)和亚急性毒性。
2 该产品在生物体外结构性能
2.1 体外能量发射电路
E类放大器在经皮无线能量传输的应用当中驱动体外发射线圈产生高频振荡电流,从而产生作为能量传输中介的高频交变磁场,实现能量的发射。在选择驱动线圈的载波频率时主要需要考虑以下几个问题:①所选频率是否在医用允许使用范围内;②载波频率对经皮能量传输的效率的影响;③是否有利于电路调试。
用LRC电桥测得自行绕制的扁平空心发射线圈的电感值约为3.3uH。如果载波频率选得过高,计算得与之谐振的电容将非常小,实际中不好调试,加上晶体管和线圈中杂散分布电容的影响,电路将会十分不稳定。同时,还会产生“趋肤效应”,当交变电流流经线圈时,由于感应作用使得导体截面上电流分布不均匀,其电流密度和磁通密度随着距离导体表面越近而增大。当高频电流流经导线时,可以看作电流只通过导线表面上极薄的一层,这相当于导线的横截面积减小而电阻增大。电流频率越高,趋肤效应越明显。若载波的频率低,则会影响藕合系数从而降低能量传输效率。通过实验比较,决定选择载波为4MHz。查阅相关文献可知,对于射频ISM频段即工业,科学和医用频段,没有所谓使用授权的限制,只需要遵守一定的发射功率(功率不能超过1W),并且不能对其它设备造成扰。故选取4MHz的载波是可行的。
2.2 传感部分
使用ADI公司的带有温度补偿功能的隔离式低功耗pH监测仪,其特点是完全隔离式低功耗pH传感器信号调理器和数字化仪,并且带有自动温度补偿以实现高精度。电路包含其中三个重要的电路级:pH探针缓冲器、ADC和430低功耗单片机。利用430低功耗单片机可以设置正常的PH值,当异常时即报警,在生物体内定时检测,从而减少功耗,以延长电容供电的时长,同时也有电源隔离功能。AD8603是一款精密微功耗(最大值50μA)及低噪声(22nV/√Hz)CMOS运算放大器,配置为连接AD7793通道之一输入的缓冲器。AD8603的典型输入偏置电流为200fA,为高内部电阻pH探针提供了一种有效的解决方案。pH检测和温度补偿系统基于AD7793,24位(Σ-Δ)ADC。它有三个差分模拟输入和一个片内低噪声、可编程增益放大器(PGA),其范围为单位增益至128。AD7793的最大功耗仅为500μA,适用于任何低功耗应用。有一个低噪声、低漂移内部带隙基准电压源,而且也可采用一个外部差分基准电压。输出数据速率可通过软件编程设置,可在4.17Hz至470Hz的范围内变化。
2.3 无线通信及供电部分
为解决植入部分的供电问题以及采集到的数据如何传输出来的问题,我们采用一种双向通信的充电技术,在发射端与接收端之间有两种通信链路。其中从接收端(RX端)到发射端(TX)的通信采用ASK方式,从TX到RX端的通信采用FSK方式。
3 主要研究内容及创新性
3.1 可植入微型PH傳感电路的研究 其电路主要包含三个重要的电路级:pH探针缓冲器、ADC和430低功耗单片机。同时对各电路级进行分析,确保各级之间相互匹配又能互不干扰,并利用HFSS对电感模型进行优化处理,最终确定了制作工艺并完成模型的制作通过了检测。
3.2 无线通信及无线供电系统的初步研究
在分析无线通信系统以及无线供电的工作要求之后对其电路进行了验证,接着对微型射频MEMS线圈进行研究,分析其传输能量的效率。
3.3 可植入式器件工艺集成封装技术的研究
对封装好的样品在模拟生物体环境的生理盐水中进行了测试。其测试结果精确度高,同时能实现微器件在植入环境中长期工作。我们在传统PH监测仪基础上有所改进,首先该可植入式微型器件是一个真正的微系统,其次结合了无线通信技术和无线供电技术是一种更加便捷,功能更加强大的可嵌入式PH检测仪,可实现利用电磁耦合的方式进行无线充电,用到具有电源隔离功能430低功耗单片机并在充电过程中实现信号的无线传输,同时兼备报警功能,生物体内PH值异常时发出报警信号。
4 本产品性能指标及应用范围
4.1 产品性能指标
本产品在传统PH监测仪的基础上有所改进,首先该可植入式微型器件是一个真正的微系统,结合了无线通信技术和无线供电技术是一种更加便捷,功能更加强大的可嵌入式PH检测仪,可实现利用电磁耦合的方式进行无线充电,用到具有电源隔离功能430低功耗单片机并在充电过程中实现信号的无线传输,发射器效率可达80%,接收器效率在90%左右,整个效率超过70%,PH检测精度达到0.1,同时兼备报警功能,生物体内PH值异常时发出报警信号。
4.2 应用范围
(1)可以通过检测土壤PH值达到保护作物的生长,也可用于林业防护。
(2)在污水处理方面,向监测点附近的植物体内植入检测器可以得到许多信息。同时能为诸如供水水源保护的早期预警系统;监测污染物浓度的上升趋势;评价污染治理措施的效果;验证污染风险评价结果等方面提供重要信息。
(3)在食品生产方面,我们的产品能提供更高精度pH值的测量,能够幫助各行业生产方控制生产工艺、保证产品的功效、减少浪费、避免损害实验人员及环境,并满足法律法规的要求。
(4)化工领域的应用主要表现在pH值的测量,很多化学反应需要在特定的pH下进行,否则得不到所期望的产物。
参考文献:
[1]李杏,杜哲益.无线充电技术及其应用[J].集成电路应用,2016,33(12):60-62.
[2]毛卫军.基于电感耦合的近距离无线供电关键模块设计研究[D].浙江大学,2017.
[3]赵阳阳,向自林,张鹏.关于磁耦合谐振式与电磁感应式无线充电特性的研究[J].
通讯世界,2017,(08):152-154.
[4]李家栋,王冬青,徐栋,龚秀元.磁耦合谐振式无线充电系统功率输出特性与匹配电路设计[J].制造业自动化,2018,40(10):122-124+131.
[5]谢国民,韩刘路,付华,丁会巧.无线充电式传感器系统设计及关键技术[J].传感器与微系统,2018,37(03):99-102.
[6]靳志芳.磁耦合谐振式无线电能传输系统线圈的电磁分析与优化设计[D].北京交通大学,2017.
关键词:可嵌入式器件;无线通信技术;无线供电技术
众所周知,生物正常机体通过调节作用,能够使各个器官、系统协调活动,共同维持生物体内环境的相对稳定状态,从而保证生物体的正常生命活动。而作为内环境理化性质之一的pH值,能够很好的反映内环境的稳定状况,进而反映生物体即时的健康状况。对于生物体内pH值的监测,有利于及时把控其生物体的健康状况。当我们的产品发出预警信号之后,就可以对生物体开展进一步的诊断与治疗。
通过监测生物体内pH值来了解其健康水平。只要预先设定好该生物体正常情况下体内的pH值范围,嵌入生物体内的PH值监测仪就能对其进行实时的pH值监测,当pH值超出预设的正常pH值范围后,该产品就会向外围的配套设备发出报警提示,以便做进一步的健康检查与诊断。所以该作品的研究对及时掌握生物体健康状况具有重要意义。
对于无线传感技术的生物体PH值监测仪,可植入式微型器件是一个真正的微系统,其中包括两个部分,一部分在生物体内部,另一部分在生物体外部。系统原理图如图1所示。
1 传感器在生物体内结构性能
1.1 体内能量接收电路实现
由于能量接收电路需要通过手术植入到实验生物体内,为降低生物体的排异反应,应该使植入的电路板体积尽可能小,功耗保持相对较低,并且要将其整体封装在具有生物兼容性的硅材料中。体内能量接收电路包括LC并联谐振电路、整流滤波模块以及稳压电路模块。为了使得到的藕合电压能够最大,采用并联谐振的方式接收能量。图2是体内外藕合变压器实例Ls和Cs组成的并联谐振回路与发射端的串联谐振。
1.2 工艺集成封装技术
生物相容性是指生物材料与生物体内的组织和血液中的生化成份相容,材料不被腐蚀且对生物体不产生毒副作用的特性与能力。在嵌入式过程中,从材料封装及产品检测都需要考虑生物相容性。
因此,对材料的选择显得十分重要的。由于硅橡胶具有良好的性能和生物相容性,我们选择采用道康宁生产的医用硅橡胶作为封装材料,其产品名称SilasticMDX4-4210。它具有良好的流动性能,而且本身的质量轻,以及适合长期植入生物体超过90天等特点。另外,Silastic
MDX4-4210还具有其他特点:在室温下固化且无收缩变形,加热可加快固化速度。它通过了ISO
10993-1,符合或优于下列验收标准:细胞毒作用、敏化作用、刺激性、皮下反应、系统毒性(急性)和亚急性毒性。
2 该产品在生物体外结构性能
2.1 体外能量发射电路
E类放大器在经皮无线能量传输的应用当中驱动体外发射线圈产生高频振荡电流,从而产生作为能量传输中介的高频交变磁场,实现能量的发射。在选择驱动线圈的载波频率时主要需要考虑以下几个问题:①所选频率是否在医用允许使用范围内;②载波频率对经皮能量传输的效率的影响;③是否有利于电路调试。
用LRC电桥测得自行绕制的扁平空心发射线圈的电感值约为3.3uH。如果载波频率选得过高,计算得与之谐振的电容将非常小,实际中不好调试,加上晶体管和线圈中杂散分布电容的影响,电路将会十分不稳定。同时,还会产生“趋肤效应”,当交变电流流经线圈时,由于感应作用使得导体截面上电流分布不均匀,其电流密度和磁通密度随着距离导体表面越近而增大。当高频电流流经导线时,可以看作电流只通过导线表面上极薄的一层,这相当于导线的横截面积减小而电阻增大。电流频率越高,趋肤效应越明显。若载波的频率低,则会影响藕合系数从而降低能量传输效率。通过实验比较,决定选择载波为4MHz。查阅相关文献可知,对于射频ISM频段即工业,科学和医用频段,没有所谓使用授权的限制,只需要遵守一定的发射功率(功率不能超过1W),并且不能对其它设备造成扰。故选取4MHz的载波是可行的。
2.2 传感部分
使用ADI公司的带有温度补偿功能的隔离式低功耗pH监测仪,其特点是完全隔离式低功耗pH传感器信号调理器和数字化仪,并且带有自动温度补偿以实现高精度。电路包含其中三个重要的电路级:pH探针缓冲器、ADC和430低功耗单片机。利用430低功耗单片机可以设置正常的PH值,当异常时即报警,在生物体内定时检测,从而减少功耗,以延长电容供电的时长,同时也有电源隔离功能。AD8603是一款精密微功耗(最大值50μA)及低噪声(22nV/√Hz)CMOS运算放大器,配置为连接AD7793通道之一输入的缓冲器。AD8603的典型输入偏置电流为200fA,为高内部电阻pH探针提供了一种有效的解决方案。pH检测和温度补偿系统基于AD7793,24位(Σ-Δ)ADC。它有三个差分模拟输入和一个片内低噪声、可编程增益放大器(PGA),其范围为单位增益至128。AD7793的最大功耗仅为500μA,适用于任何低功耗应用。有一个低噪声、低漂移内部带隙基准电压源,而且也可采用一个外部差分基准电压。输出数据速率可通过软件编程设置,可在4.17Hz至470Hz的范围内变化。
2.3 无线通信及供电部分
为解决植入部分的供电问题以及采集到的数据如何传输出来的问题,我们采用一种双向通信的充电技术,在发射端与接收端之间有两种通信链路。其中从接收端(RX端)到发射端(TX)的通信采用ASK方式,从TX到RX端的通信采用FSK方式。
3 主要研究内容及创新性
3.1 可植入微型PH傳感电路的研究 其电路主要包含三个重要的电路级:pH探针缓冲器、ADC和430低功耗单片机。同时对各电路级进行分析,确保各级之间相互匹配又能互不干扰,并利用HFSS对电感模型进行优化处理,最终确定了制作工艺并完成模型的制作通过了检测。
3.2 无线通信及无线供电系统的初步研究
在分析无线通信系统以及无线供电的工作要求之后对其电路进行了验证,接着对微型射频MEMS线圈进行研究,分析其传输能量的效率。
3.3 可植入式器件工艺集成封装技术的研究
对封装好的样品在模拟生物体环境的生理盐水中进行了测试。其测试结果精确度高,同时能实现微器件在植入环境中长期工作。我们在传统PH监测仪基础上有所改进,首先该可植入式微型器件是一个真正的微系统,其次结合了无线通信技术和无线供电技术是一种更加便捷,功能更加强大的可嵌入式PH检测仪,可实现利用电磁耦合的方式进行无线充电,用到具有电源隔离功能430低功耗单片机并在充电过程中实现信号的无线传输,同时兼备报警功能,生物体内PH值异常时发出报警信号。
4 本产品性能指标及应用范围
4.1 产品性能指标
本产品在传统PH监测仪的基础上有所改进,首先该可植入式微型器件是一个真正的微系统,结合了无线通信技术和无线供电技术是一种更加便捷,功能更加强大的可嵌入式PH检测仪,可实现利用电磁耦合的方式进行无线充电,用到具有电源隔离功能430低功耗单片机并在充电过程中实现信号的无线传输,发射器效率可达80%,接收器效率在90%左右,整个效率超过70%,PH检测精度达到0.1,同时兼备报警功能,生物体内PH值异常时发出报警信号。
4.2 应用范围
(1)可以通过检测土壤PH值达到保护作物的生长,也可用于林业防护。
(2)在污水处理方面,向监测点附近的植物体内植入检测器可以得到许多信息。同时能为诸如供水水源保护的早期预警系统;监测污染物浓度的上升趋势;评价污染治理措施的效果;验证污染风险评价结果等方面提供重要信息。
(3)在食品生产方面,我们的产品能提供更高精度pH值的测量,能够幫助各行业生产方控制生产工艺、保证产品的功效、减少浪费、避免损害实验人员及环境,并满足法律法规的要求。
(4)化工领域的应用主要表现在pH值的测量,很多化学反应需要在特定的pH下进行,否则得不到所期望的产物。
参考文献:
[1]李杏,杜哲益.无线充电技术及其应用[J].集成电路应用,2016,33(12):60-62.
[2]毛卫军.基于电感耦合的近距离无线供电关键模块设计研究[D].浙江大学,2017.
[3]赵阳阳,向自林,张鹏.关于磁耦合谐振式与电磁感应式无线充电特性的研究[J].
通讯世界,2017,(08):152-154.
[4]李家栋,王冬青,徐栋,龚秀元.磁耦合谐振式无线充电系统功率输出特性与匹配电路设计[J].制造业自动化,2018,40(10):122-124+131.
[5]谢国民,韩刘路,付华,丁会巧.无线充电式传感器系统设计及关键技术[J].传感器与微系统,2018,37(03):99-102.
[6]靳志芳.磁耦合谐振式无线电能传输系统线圈的电磁分析与优化设计[D].北京交通大学,2017.