非接触电容性耦合生物电信号传感器设计

【摘要】本文介绍一种非接触电容式电极，突破传统低输入阻抗设计，以高输入阻抗运算放大器为核心，通过有效的生物电信号电子模型建模，研究并设计出适用于常见生物电信号（ECG、EEG、EMG、EOG等）检测的有源电极，且功耗低，灵敏度高。

【关键词】非接触;电容式电极;生物电信号采集

随着科学技术的发展和人们物质生活水平的提高，生物电信号采集技术在医疗电子研究领域以及日常便携式应用领域得到飞速的发展。在生物信号测量采集中，电极是第一个非常重要模块，因为其担负着把人体中依靠离子传导的生物电信号转换为测量电路中依靠电子传导的电信号的作用。

湿电极和干电极需要直接接触皮肤才能达到预期的效果，非接触式电容型传感器即使皮肤与电极有间隔仍能采集到生物体电势信号。 在使用电极时，允许一些绝缘物质充当电容介质，例如头发，衣服或者空气，而不需要特殊的电解质。

我们设计此电极主要有以下内容：

（1）电路工作方案设计

电极工作电路设计为信号先通过一路缓冲器引入信号，然后经过一路滤波器滤出低频干扰，然后经过一路缓冲器送与后级电路处理。如图1所示。

图1 电极电路工作流程

（2）电极印刷电路板结构设计

电极印刷电路板设计为3层结构电极圆片、屏蔽层和电路层。如图2所示。

图2 电极印刷电路板三层结构

图3 电极综合电路

1.电极电路设计

1.1 信号引入方式

非接触式电容式电极通过电极表面覆铜圆片与皮肤表面形成的电容耦合引入生物体电势信号。非接触式电极可以等效为通过一个很小的电容（大约10pF）耦合信号。

1.2 前端放大器电路

前端放大器设计为一路缓冲器。不对信号进行放大，而是使得输入阻抗增大到百兆级，因为人体皮肤表面的阻抗非常大，这样就可以以分压的方式获得生物体表面电势。

1.3 信号预处理电路

信号通过一路缓冲器之后，对信号进行预处理。预处理电路我们选用一阶高通滤波器，截止频率在0Hz到0.7Hz之间。此预处理电路用来滤出低频干扰、减少在测量过程中的人为误差和减少基线的偏移。

2.电极性能与测试

电极的综合电路如图3所示，选用TI公司的的一款精密放大器LMP7702作为前端运放。

该运放有较高的共模抑制比，很低的噪声系数，较高的增益带宽积，是采集生物信号比较理想的前端放大器。选择截止频率为0.72Hz，电容C为220nF，电阻R为1MΩ，的高通滤波器，可以获得心电信号。如图4所示。

图4 采集到的心电信号

3.结束语

本文介绍的是利用皮肤表面与电极表面耦合形成电容，把信号引入到电极后级处理，它的特点就是不再需要特殊的电解质。所以，这种新型生物传感器小巧的外观，低成本材料和方便的使用方法十分适应现代生物技术的发展。

参考文献

[1]杨玉星.生物医学传感器与检测技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

[2]彭承琳.生物医学传感器原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2000.

[3]黄争，李琰.运算放大器应用手册.基础知识篇[M].北京：电子工业出版社，2010.