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MEMS血糖传感器的微弱信号检测技术研究

作　者: 郗洪柱
导　师: 黄博; 刘亚欣
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 血糖传感器微弱信号超滤组织液葡萄糖浓度预测
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

当人体内胰岛素分泌不足或胰岛素作用缺失时会导致血糖浓度偏离正常水平从而引发糖尿病及其并发症。血糖浓度的检测是糖尿病科学诊断的前提。本文针对课题组研制的MEMS血糖传感器用于组织液超滤提取检测的功能需求，研究了三电极MEMS血糖检测传感器微电流检测技术并研制了传感器检测与控制电路。本文主要对检测原理、电路设计与分析、电路测试以及检控系统葡萄糖浓度测试等部分进行了详细研究。首先对MEMS血糖传感器的检测原理进行分析，对辅助传感器产生电流的电路（恒电位电路和信号发生电路）原理图进行设计，对传感器产生的微电流范围进行实验分析。对传感器工作过程中产生的电化学噪声进行研究，提出噪声消减方法，为后续微电流检测电路的设计奠定基础。然后结合检测微电流输出特点及血糖传感器超滤提取动作控制需求，设计了检控系统，由微电流检测系统、人机交互及无线通信、电源系统三大部分组成。为验证微电流检测系统电路设计的正确性，本文借助Multisim仿真软件重点对电路中的恒电位及I/V转换的性能进行分析。此外对电路中的噪声来源进行分析，计算相关噪声并分析对电流检测的影响。对元件布置与布线、接地、电路板漏电防护等方面进行了研究，从而提高电路的抗干扰能力。在检控电路研制基础上，本文搭建测试系统，测试电路的静态和动态特性.静态特性准确度、重复性、灵敏度、分辨力、稳定性、零漂等；动态特性包括恒电位电路的电压跟随特性以及检测电路的阶跃响应和频率响应特性。测试结果表明，该检测系统满足设计指标。最后，为测试葡萄糖浓度，将微电流检控电路与MEMS血糖传感器集成，做葡萄糖浓度的响应实验和重复性实验。在测试结果数据处理基础上，建立了葡萄糖浓度预测模型。测试结果表明，通过预测模型得到的检测结果符合临床检测精度要求。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-17
  1.1 课题背景和研究意义  10-11
  1.2 血糖检测研究现状  11-13
    1.2.1 有创检测  11
    1.2.2 无创检测  11
    1.2.3 连续检测  11-13
  1.3 微电流检测方法概述  13-16
    1.3.1 电流-电压转换法  13-14
    1.3.2 电流-频率转换法  14-15
    1.3.3 电容充电法  15
    1.3.4 其它方法  15-16
  1.4 主要研究内容  16-17
第2章 MEMS 血糖传感器微电流机理分析  17-25
  2.1 基于三电极体系的葡萄糖浓度检测原理分析  17-19
  2.2 基于 MEMS 工艺的血糖传感器组成  19-20
  2.3 传感器微电流产生电路设计  20-23
    2.3.1 恒电位电路设计  20-21
    2.3.2 信号发生电路设计  21-23
  2.4 传感器电化学噪声来源及消减  23-24
  2.5 本章小结  24-25
第3章微电流检控系统设计  25-47
  3.1 系统组成与指标  25-27
  3.2 微电流检测系统设计  27-34
    3.2.1 恒电位电路  27-28
    3.2.2 信号发生电路  28
    3.2.3 电流-电压转换电路  28-29
    3.2.4 可编程增益放大电路  29-31
    3.2.5 滤波功能实现  31-33
    3.2.6 模数转换功能实现  33-34
  3.3 人机交互及无线通信设计  34-36
    3.3.1 人机交互设计  34-36
    3.3.2 无线通信方案设计  36
  3.4 电源系统设计  36-38
  3.5 微电流检测系统仿真分析  38-41
    3.5.1 恒电位性能分析  39-40
    3.5.2 电流-电压转换性能分析  40-41
  3.6 电路噪声分析  41-44
  3.7 电路抗干扰设计  44-46
    3.7.1 元件布置及布线设计  44-45
    3.7.2 接地设计  45
    3.7.3 电路板防漏电设计  45-46
  3.8 本章小结  46-47
第4章微电流检测系统性能分析  47-61
  4.1 测试系统组成原理  47-49
  4.2 静态特性  49-56
    4.2.1 准确度测试  49-51
    4.2.2 重复性测试  51-53
    4.2.3 灵敏度测试  53-54
    4.2.4 分辨力测试  54-55
    4.2.5 稳定性测试  55-56
    4.2.6 零漂测试  56
  4.3 动态特性  56-60
    4.3.1 扫描跟随特性  56-58
    4.3.2 阶跃响应特性  58-59
    4.3.3 频率响应特性  59-60
  4.4 本章小结  60-61
第5章检测系统的葡萄糖浓度测试实验  61-70
  5.1 系统搭建  61-62
  5.2 检测系统葡萄糖浓度测试实验  62-65
    5.2.1 响应实验  63-64
    5.2.2 重复性实验  64-65
  5.3 葡萄糖浓度预测模型的建立  65-66
  5.4 预测结果的评价  66-69
  5.5 本章小结  69-70
结论  70-72
参考文献  72-76
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  76-78
致谢  78

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