无接触生物电势传感器的制作方法

专利名称：无接触生物电势传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种低噪声、无接触电容传感器系统，以在没有与身体表面直接接触 的情况下测量由身体产生的电压信号。背景脑电图(EEG)和心电图(ECG或者EKG)传感器分别测量自大脑和心脏发出的电场 的时变量值，作为在器官内的细胞活性的结果。目前，用于这些电势的测量的可用的传感器 需要与皮肤直接电接触，这能够通过在传感器和皮肤之间使用导电凝胶或者通过摩擦皮肤 来实现。尽管凝胶满足产生良好的接触的目的，但是却有若干个潜在的缺陷。首先，将凝胶 施加到使用256个传感器的EEG帽(cap)内要花费多达一小时。另外，凝胶会通过头发扩 散以在传感器之间引起短路，并且随着时间的过去而风干，使得长期的记录是非常困难的。 ECG传感器常常通过粘合剂接合到皮肤，这需要附着区域没有头发，即刮去，并且进一步需 要轻轻摩擦皮肤区域以产生良好的接触。在测试完成时传感器的拆除是最让人不愉快的并 且通常是相当疼的。虽然已经有许多使用无需凝胶的传感器的尝试，但是仍要依赖与皮肤的干接触。 一般地，这些方法受限于没有头发的身体区域。例如，在公开号为2007/0048707的美国专 利中描述的ICAP 释放计(Release Meter)系统是由ICAP技术获得的用于压力管理的个 人用户产品，其采用弹性头饰带将电极固定在紧靠使用者的前额的位置。在Licata等人的 第6，510，333号美国专利中描述的混合方法避免了凝胶的直接施加需求，而通过使用以导 电液体或凝胶填充的软弹性硬毛，仍要依赖于它的导电特性。缺陷是硬毛衬垫的加工相对
曰虫 ρ卩贝。最近，无接触生物电势传感器已经获得了一些成效。Prance和合作者已经使用 了低输入偏置电流放大器，其在低频下产生低噪声工作。(参见Measurement Science and Technology (测量科学与技术)，2000 年第 11 卷第 291-297 页，R. J. Prance, A. Debray, Τ. D. Clark, H. Prance, Μ. Nock, C. J. Harland VX R A. J. Clippingdale 的"An ultra-low-noise electrical-potentialprobe for human-body scanning(用于人体 扫描的超低噪声电势探测器)” JPMeasurement Science and Technology(测量科学 与技术)，2002 年第 13 卷第 163-169 页，C. J. Harland, T. D. Clark 以及 R. J. Prance 的 "Electricpotential probes-new directions in the remote sensing of the human body(电势探测器-在人体远程传感中的新用法)”。)这种电容耦合的电传感器的缺陷是， 由于传感器漂移和输入偏置补偿电流导致了寄生电荷的建立。抵消该漂移的常规方法涉及 利用分流电阻器包括到信号地的传导路径。这种方案带来的问题是使用的高值电阻器提供 过多的热噪声量，使信号受到污染。Krupka的第7，088，176号的美国专利描述了一种反馈电路，其不断地稳定在放大器的输入节点处的电压。然而，这种电路也会引入噪声且具有相 对高的功率需求。因此，需要无凝胶无接触传感器，其完全避免与皮肤接触的需要，不限于无头发的 身体区域以及进一步避免现有技术中的无接触传感器的漂移和噪声问题。发明概述本发明包括电容生物传感器系统和方法，该系统和方法提供了无接触传感板，其 排除与皮肤表面接触的要求并且通过电容耦合工作，并且其能够通过头发、衣服或其他皮 肤覆盖物来测量电场。现有技术的漂移和噪声问题通过使用复位电路间断地复位放大器的 输入节点来克服。复位的定时和持续时间将依赖于在传感器中预先确定的条件，如漂移的 方向和电平，或当在放大器输入上的电压超过指定阈值时。在一种实施方式中，发明的电容传感器系统包括传感板、放大器(总称为“基本电 容传感器”)、以及开关电路。传感板直接地或者通过诸如头发、衣服或其他皮肤覆盖物的居 间的物质电容耦合至身体表面，如人的皮肤。在所述身体表面的电势的改变产生了引起所 述传感板的电势的改变的电场。所述传感板包括位于所述电场用于自所述电场产生输入信 号的传感节点。所述传感板不与所述身体表面接触。放大器包括输入端口和输出端口并设 置成放大所述输入信号。所述放大器在所述输入端口接收输入信号，并放大所述输入信号 以在所述输出端口产生输出信号。输出信号被传送到读出设备，如打印机或计算机监控器， 以产生被检测信号的可见的示数。附加在或代替直接显示，所述输出信号可被传送至存储 设备以存储，并随后传输、观察和/或处理。为了避免寄生电荷的出现，开关电路连接至所 述放大器的所述输入端口和参考电压。所述开关电路间断地闭合从所述传感节点到所述参 考电压的分流路径，以复位在所述传感节点上的电压。在另一实施方式中，通过添加开关电路和单位增益放大器到电容传感器电路中的 基本电容传感器，避免了在所述放大器的所述输入节点处的寄生电荷的出现。所述开关电 路连接至所述放大器的所述输入端口和参考电压。所述开关电路包括至少一个开关器件和 包括多个电容器的复位电路。所述电容器设置成产生开启或激活所述至少一个开关器件的 激活电压。所述开关电路连接至所述输入端口和参考电压，其中所述开关电路设置成当所 述至少一个开关器件开启时，间断地闭合从所述传感节点到所述参考电压的分流路径以复 位所述传感节点。所述单位增益放大器包括第一输入端口和第一输出端口。所述第一输入 端口耦合至所述放大器的所述输入端口，并且设置成在所述第一输出端口产生第一输出电 压。所述单位增益放大器耦合至一个或多个电阻器，其中所述一个或多个电阻器设置成当 所述至少一个开关器件断开时，将所述多个电容器拉至所述第一输出电压。在查阅了下面详细的说明和附图后，本发明的其他特征和优点对于那些本领域普 通技术人员将更容易变得明显。附图简述

图1示出根据本发明的用于记录在人体表面的电势的电容传感器系统的一个实 施方式。图2示出图1的电容传感器系统的第一可选实施方式，包括开关电路。图3示出图1的电容传感器系统的第二可选实施方式，包括多个开关器件。图4示出图1的电容传感器系统的第三可选实施方式，包括多个开关器件和用于接收放大器的电平移位输出的次级放大器。图5A和图5B示出传感板和身体表面之间的间隔距离对输入信号增益的影响的曲 线图。图6A和图6B为传感器间隔距离对涉及输入的噪声的影响的曲线图。图7为从头皮两个位置测量的输入信号的功率谱密度的曲线图。图8为电势相对时间的曲线图，示出使用本发明生物传感器通过T恤衫采用典型 的ECG测量。图9示出根据实施方式的使用电容传感器系统测量电场的方法。发明详述描述一种记录在人体表面的电势的设备。为了提供对本发明的数个实施方式的 正确理解，下面的描述提出许多具体细节，例如具体系统、组件、方法等的实例。然而，对于 本领域技术人员来说明显的是，本发明的至少一些实施方式在没有这些具体细节的条件下 可以被实施。在其他情况下，为了避免本发明的不必要的模糊，没有详细描述已知组件或方 法，或者将已知组件或方法呈现在单个方框图形式中。因而，提出的具体细节仅仅是示范性 的。特定的实现可与这些示范性的细节不同，但是仍可预期是在本发明的精神和范围内。图1示出用于记录在人体表面的电势的电容传感器系统的一种实施方式。电容传 感器系统10包括用于电容耦合至身体表面15的传感板40、具有输入端口 25和输出端口 35的放大器30。例如，电容传感器系统10可以作为低噪声无接触EEG/ECG传感器被实现。 输入端口 25包括高阻抗正输入和低阻抗负输入。能够保持传感板40接近于身体表面15。 例如，就EEG而言，传感器可以为分布在帽表面周围的多个传感器之一。传感板40设置成 作为传感电容器的第一板而起作用。身体表面15作为传感电容器的另一“板”而起作用， 传感电容器的电介质包括在传感板40和身体表面15之间的介质。电介质的一些例子包括 空气、头发、衣服等等。在身体表面15上的电势的改变产生引起在传感板40上的电势的改 变的电场。传感板40包括位于电场中的传感节点12，其用于生成到放大器30的输入端口 25的输入信号。传感板40不与身体表面15接触。放大器30通过输入端口接收输入信号， 放大该输入信号并输出放大信号至输出端口 35。放大器30的输入端口 25可以包括高阻抗 输入和低阻抗输入。放大器30可以为电压放大器或测量放大器。在一种实施方式中，传感 板40连接至放大器30的高阻抗输入用于读出。放大器输入偏置电流存在于放大器30的 输入端口 25。放大器30的输入偏置电流非常小，但是如果忽视而被留下，其将朝着供电轨 之一的方向驱动放大器30的高阻抗正输入节点。为了防止朝着供电轨之一的方向驱动放 大器30的高阻抗正输入节点，使用包括一个或多个开关器件的复位或开关电路。在一种实施方式中，通过使用开关器件间断性地短暂地闭合从传感节点12到地 (或其他参考)电位的分流路径，电容传感器系统10结合开关电路以间断地分流闭合分流 路径。实现该原理的简化电路的实例如图2所示，其示出了图1的电容传感器系统的一种 实施方式，包括开关电路。图2的电容传感器系统100包括电容耦合至身体表面15的传感 板40、具有输入端口 25和输出端口 35的放大器30、具有第一输入端口 45和第一输出端口 55的第二放大器50、开关器件95、电容器60和75以及电阻器65和70。电容传感器系统 100可以作为低噪声无接触EEG/ECG传感器被实现。类似于电容传感器系统10，放大器30 用于放大在放大器30的输入端口 25接收到的输入信号。第二放大器50包括耦合至放大器30的输入端口 25的第一输入端口。第二放大器50，例如单位增益放大器，设置成输出在 放大器30的输入端口 25上的电压的复制(copy)。因而第二放大器50设置为单位增益以 形成在输入端口 25上的电压的复制。放大器30的输入偏置电流非常小，但是如果忽视而被留下，其将朝着供电轨之一 的方向驱动放大器的高阻抗正输入节点。使用包括开关器件95的复位电路或开关电路以 减少输入偏置电流的影响。开关器件95可以是具有集电极端子90、基极端子80和发射极 端子85的晶体管。开关器件95、电容器60和75以及电阻器65和70可以合并到开关电路 中。在一种实施方式中，开关电路连接至放大器30的输入端口和参考电压。参考电压可以 是地。开关电路间断地闭合从传感节点12到参考电压的分流路径，以复位传感节点12。复 位传感节点12包括复位在传感节点12处的电压。因而，通过被闭合以短路传感节点12到 已知参考电压的开关器件(例如，晶体管或继电器)，将传感节点12间断性地复位。在一种 实施方式中，参考电压在包括在放大器30的输入共模电压范围内的电压范围内。在一种实 施方式中，为了闭合开关器件95的开关，输入电容器60 (Cl)连接至参考电压，而输入电容 器75(C2)连接至能够开启开关器件95 (Si)的电压。在一段短暂的时间后，电容器60 (Cl) 和电容器75(C2)断开与这些电压的连接，从而打开开关并且断开开关器件95。当断开开关 器件95时，电阻器65 (Rl)和70 (R2)具有将电容器60 (Cl)和75 (C2)拉至在放大器50⑶ 的输出端口 55上产生的电压的作用。该上拉方法将在传感节点12上的由开关器件95产 生的电流噪声最小化。一般地，用于复位或分流传感节点12的开关可以以许多不同的方式发生。图3示 出可以使用的可选电路。图3示出图1的电容传感系统的一种实施方式，包括多个开关器 件。图3参考上述图1和图2来描述。图3的电容传感器电路200包括电容耦合至身体表 面15的传感板40、具有输入端口 25和输出端口 35的放大器30、耦合至第二开关器件105 的第一开关器件130、电容器110，115，120和125。类似于电容传感器系统10，放大器30用 于放大在放大器30的输入端口 25接收到的输入信号，并且在输出端口 35输出放大信号， 用于显示或进一步处理。在一种实施方式中，电容器110和115提供到第二开关器件105 的输入，并且电容器120和125提供到第一开关器件130的输入。在一种实施方式中，第一和第二开关器件，130(S1)和105(S2)可以是金属氧化物 场效应晶体管(MOSFET)。通过控制输入电容器110、115、120和125，可以接通或断开开关 器件130(S1)和105(S2)。在一种实施方式中，开关部分地复位传感节点12。从而，开关不 能完全地复位传感节点到地(或参考电压)电位，而是以一小数量朝着地(或参考电压) 移动传感节点的电压。当开关器件130(S1)和105(S2)没有开启(OFF状态)时，开关器件 130 (Si)和105 (S2)可以用上拉或下拉电阻器被偏置，如图2中所示的关于电阻器65和70。 在一种实施方式中，开关器件130(S1)和105(S2)周期性地每次开启一个。在其他实施方 式中，输入电容器125 (Cl)和110(C4)连接至参考电压，而输入电容器120 (C2)和115 (C3) 连接至能够开启开关器件95 (Si)的电压。在输入电容器125(C1)和110(C4)上的参考电 压可以是电源电压，或者在一电压范围内的其他供电电压，其中该电压范围包括在放大器 30的输入共模电压范围内或接近放大器30的共模范围(CMR)的中部。开关器件130(S1) 和105(S2)激活或开启的持续时间和/或时序可以关于在传感节点12上电压漂移的方向 和大小而改变。例如，当在传感节点12上的电压超过给定参考值时，相比较于其他情况，开关器件130(S1)可以被激活一段较长的持续时间，和/或开关器件105(S2)可以被激活 一段较短的持续时间。相反地，当在传感节点12上的电压达到给定参考值以下，开关器件 130 (Si)可以被激活一段较短的持续时间，和/或开关器件105(S2)被激活一段较长的持续 时间。一种类似的方案将调整开关激活的顺序而不是开关激活的持续时间，从而当传感节 点12上的电压超过参考电平时优先地关闭开关器件130 (Si)，并且在其他情况，优先地关 闭开关器件105(S2)。在其他实施方式中，分离的控制电路或控制模块决定开关的周期、脉 冲持续时间和/或顺序，例如，类似于用在开关功率调整器和数据变换电路设计中的脉冲 宽度调制器(PWM)电路和Delta-Sigma调制器(DSM)电路。图4示出了图1的电容传感器系统的一种实施方式，包括多个开关器件和用于接 收第一放大器的电平移位输出的第二放大器。图4是电容传感器系统300的具体实例，包 括如电压、电容和电阻值的例子的具体细节。特定实现可与这些示范性的细节不同，但是仍 可预期是在本发明的精神和范围内。图4的电容传感器系统300包括用于电容耦合至身体 表面15的传感板40、第一放大器30、次级放大器150、开关器件135和140、电容器Cl (41. 9 纳法(nF))至C5(10微法(yF))、电阻器Rl (38千欧)至R8 (20千欧)，供电电压175(1.5 伏特)和185(1. 5伏特)、和复位电压参考170和180，以及由电容器C5和电阻器R8形成 的电平移位。在身体表面(皮肤)15上的信号电容耦合至金属板，例如在图1、图2和图3中示 出的传感板40。传感板40可以结合在印刷电路板(PCB)的底部，其采用用于传感板40或 整个电容传感器系统300的电绝缘的阻焊剂来覆盖。信号的第一放大由第一放大器30完 成。在一种实施方式中，第一放大器30是设置成增益为50的测量放大器。类似于电容传 感器系统10，放大器30用于放大在放大器30的输入端口 25接收到的输入信号。输入端口 包括放大器负输入160和放大器正输入165。在一些实施方式中，测量放大器30可以具有 3飞安培(femtoamp) (fA)的低输入偏置电流(典型的)和0. IfA/(赫兹(Hz))^2的输入电 流噪声(典型的)。电容传感器系统300还以结合保护引脚输出或保护输出190的保护电路为特色， 其遵循增益为1的放大器正输入165。结合保护输出190的保护电路的实现类似于图2的 单位增益放大器50的实现。在一种实施方式中，电容传感器系统300实现正极保护(例如， 正极保护输出190)以维持放大器正输入165周围的保护环。正极保护也可以用于驱动与 传感板40关联的屏蔽金属板195，其中该屏蔽金属板195设置成最小化从不同于身体表面 (例如，头皮)15的信号源获得的电场。屏蔽金属板195可作为在传感板40上方的印刷电 路板(PCB)上的金属内层来实现。因为结合了保护输出190的保护电路被有源驱动以使在 放大器30的输入端口 25上的电压倍增，这避免了信号增益的寄生电容分割。如前面所描述的，复位或开关电路可用于防止放大器的输入偏置电流朝着放大器 30的供电轨之一驱动放大器正输入165。开关或复位电路可包括开关器件135和140、电阻 器R5 (60千欧)和R6 (20千欧)、以及复位电压参考170和180。例如，当在输入端口 25上的 电压在包括在放大器30的输入共模电压范围内的电压范围内时，开关器件135和140(例 如，晶体管)由包括复位电压参考170和180的外部电路开启。当晶体管135和140关闭 或未被驱动时，例如，晶体管135和140的基极和发射极节点将被保护输出190上拉。完成 由保护输出190上拉晶体管135和140的基极和发射极节点，以最小化来自晶体管135和140的漏电流(且尤其是合成电流噪声)。放大器负输入160可用由电阻器R4 (80千欧) 和电容器C4(100微法)组成的反馈回路跟踪缓慢变化的正输入来进行。该回路也用于截 止频率低于IHz的输入信号。在输出端口 35，测量放大器30的输出电平移位并被发送至次级放大器150。次级 放大器150可以为运算放大器。电平移位器由电容器C5和电阻器R8形成。这是普通高通 滤波器，其用电压Vref (1. 5V)代替放大器输出端口 35的低频电压。输出端口 35的高频部 分不受影响地通过该电平移位器。例如，该次级放大器150可以设置成增益为20。次级放 大器150包括第二输出端口 6和具有第二负输入3和第二正输入2的第二输入端口。第二 正输入2设置成接收测量放大器的电平移位输出。电容器C2 (100微法)在第二负输入3实 现，以便由C2在IHz处插入零点，例如用于进一步地截止频率在IHz以下的输入信号。通 过与Rl (38千欧)作用的Cl (41. 9纳法)和与R3 (10. 5千欧)作用的C3 (150纳法)，两个 极点在IOOHz实现。电容器和电阻器的该组合完成了在IHz和IOOHz之间的带通滤波器的 特性。极点和零点是表示输入信号的传递函数的特性，用于实现滤波器。在一种实施方式 中，例如，模拟数字转换器145通过接口耦合至次级放大器150。模拟数字转换器145接收 次级放大器输出信号，该输出信号已经被在次级放大器150上实现的带通滤波器过滤。例 如，模拟数字转换器145为18比特模拟数字转换器，其将次级放大器输出信号转换为数字 比特流。接口可选择地与另外的模拟数字转换器145系列链接，以减少在一个或多个电容 传感器系统中的导线的数量。模拟数字转换器的输出连接至在诸如计算机用于在监视器上 显示的用户接口上的数据采集卡，或者连接至打印机以产生表示例如装置特性的测量装置 的打印记录。在另外的实施方式中，放大器30需要的总电流是来自+5伏特(V)和-5伏特(V) 电源(的供电轨)的lma。次级放大器150和模拟数字转换器145可使用单端3V供电且需 要160微安的总电流。在一些实施方式中，电容传感器系统300的总功率为10. 5毫瓦，这 意味100个电容传感器系统可以用电池组运行数个小时。除上述描述的实例外，有许多其他方法实现复位临界传感节点12的开关电路。例 如，开关自身可以为晶体管(双极性的、MOSFET、JFET、MESFET，等)，继电器(包括传统继电 器和微机械(MEMS)继电器、机械开关、电开关等)。可仅有一个开关器件或几个开关器件。 参考电压可设置在放大器CMR、供电电压或其他值的中部。参考电压自身可以通过搜索最 佳值的反馈回路变化。当认为输入电压或在传感节点12上的电压接近于CMR的极限或者 在有规律的间隔时，可以执行开关动作。在任一情形中，可以使用控制器决定激活哪个开关 器件，何时激活它们以及激活的持续时间。可选择地，人控制器可以决定何时复位传感节点 12。在示范性的实施方式中，电容传感器由两个定制的一个堆叠在另一个之上的印刷 电路板(PCB)构成。圆形的且与美国一角硬币( 18mm)的尺寸相近的上部PCB包括次 级放大器150、模拟数字转换器145和一些无源组件(例如电阻器Rl，R2，R3和电容器Cl， C2，C3)。同样是圆形的且与美国两角五分钱( 30mm)的尺寸相近的底部PCB拥有传感板 15、屏蔽板195、测量放大器155以及开关器件135和140 (例如，晶体管)。在一种实施方式 中，PCB的底层是用阻焊剂覆盖的全金属。在可选的实施方式中，在上部PCB上的全部的或 部分的分立组件可以结合到可以直接安装在较低的PCB的顶部的一个或多个集成电路中。
图5A和5B示出传感板和身体表面之间的间隔距离对输入信号增益的影响的示范 性结果。参考图1、2、3以及4描述图5A和图5B。图5A示出在各种频率上的输入信号的 被测增益。输入信号是由传感节点12产生并在放大器30或155的输入端口 25上被接收 的信号。正如关于图4所描述的，在IHz和IOOHz之间的滤波的带通特性在图5A中是显然 的。由于存在由反馈回路引起的在那里起作用的三个零点，IHz的截止可以是较陡的，其中 反馈回路由测量放大器155、在次级放大器150反馈中的电容器C2、以及由电容器C5和电 阻器R8形成的电平移位器构成。之前讨论的关于图4中的两个极点在频率IOOHz处起作 用。在一种实施方式中，由传感节点12产生的输入，例如EEG输入，可以被模拟为通过 电容器耦合至电容传感器系统300的电压源。电容可以被计算为传感板40的面积除以传感 板40和身体表面15 (如头皮)之间的距离。由于在测量放大器155的放大器正输入165上 也存在寄生电容，因此在放大器正输入165上可以形成电容分压器，其降低输入信号强度。 图5B示出在信号发生器例如身体表面和传感板40之间，三个不同距离处的增益。随着距离 的增加，输入耦合电容降低，电路的全部增益也降低。在0.2mm距离处，增益是869，然而在 1. 6mm处是539以及在3. 2mm处是391。当将有源屏蔽板195替换为无源屏蔽板时，随着距 离的增益的降低是非常大的。带有有源屏蔽板195的电容传感器系统300(例如，EEG/ECG 传感器)能够在宽范围间隔操作，正如在传感板40和身体表面15之间碰到典型的头发和 衣服。图6A和图6B为示出传感器间隔距离对涉及输入的噪声的影响的取样结果。参考 图1、2、3和4描述图6A和图6B。如电容传感器系统300设计的EEG传感器设计要求具有 非常低的噪声的放大器电路。被测量的输入信号可以具有像数十微伏一样低的峰-峰值， 因此在这以下的噪声电平是令人满意的。在一些实施方式中，因为模拟数字转换器145转 换的是已经引起了大增益(例如，在放大器155上的增益50和在次级放大器150上的增益 20)的信号并且在18位电平上转换，所以模拟数字转换器145不是重要的噪声源。因为次级 放大器150跟在来自放大器155的初始增益50的后面，其也没有提供重要的噪声。在一种 实施方式中，在频率带从1至IOOHz中计算的放大器155的涉及输入(referred-to-input， RTI)电压噪声为大约0. 66微伏的均方根(μ Vrms)。测量放大器155的RTI电流噪声尽管 非常小，仍被在放大器正输入165处引入的电容所结合。假如在传感板40和身体表面15之 间的距离为0. 2mm，该电流噪声被转变为大约1 μ Vrms0在一种实施方式中，电容传感器系 统300以结合保护引脚输出保护输出190和保护输入(未示出)的电路为特色。理想地，保 护输入保持开关器件135和140的端子在同一电压上，保持它们的漏极噪声电流接近于零。 电阻器R4尽管大，仍产生热噪声，因为其被在放大器155上实现的反馈回路降低，因此该热 噪声不是重要的因素。因而，总的期望RTI电压噪声在2. OyVrms以下。如图6Α所示，被 测噪声密度作为频率的函数。使用产生接地的输入信号的传感板40，在放大器150的输出 端口处，对于在传感板40和身体表面之间的0. 2mm、l. 6mm和3. 2mm的距离，测量频谱密度 估计值。这产生1.88 μ Vrms的被测噪声。然后，在放大器150的输出端口上测量的噪声被 两个放大器的在图5中的被测中频带增益(例如，794或58dB)所分离。为了比较噪声量值 和感兴趣的输入信号的量值，进行涉及输入的噪声(RTI)的该处理。在感兴趣的频率范围 内(I-IOOHz)的总噪声可以通过在该范围内结合如图6A所示的噪声含量来获得。图6B示出对于三个距离的该计算的结果。图6B还示出使用从电路中的多种元件贡献的噪声的估 计值理论地计算的噪声。对于在传感板40和身体表面15之间的距离为0. 2mm，被测总噪声 为l.SSyVrms。当在传感板40和身体表面15之间的间隔距离增加时，耦合电容降低。然 后，电流噪声被结合在较大的电压噪声值中。然后，电流噪声被结合在较大的电压噪声值中。图6B示出理论地计算的噪声连同 在与用于图6A的增益测量的三个相同的距离上的测量值。涉及输入的rms噪声在I-IOOHz 频率带上对于三个间隔距离被测量，并且与理想期望噪声相比较。理想曲线说明了放大器 155的电流和涉及电压输入的噪声和在放大器155的输入端口 25的电容分割。图7为在根据本发明所构建的模型的测试期间从测试对象头部的两个位置测量 的输入信号的功率谱密度的曲线图。例如，在一种实施方式中，使用头饰带将传感板40压 在对象头部上。第一传感板40位于头部的后部(在头发之上)，而第二传感板位于耳朵的 后部以用作参考。当对象先闭上他的眼睛12秒钟，然后保持它们睁开相同的时间量的时 候，记录两个传感器之间的压差。图7示出了来自这两块时间的数据的频率谱密度。例如， 正像通常在EEG实验中所观察到的，当眼睛闭上时，可以清楚的看到在IOHz附近的阿尔法 (alpha)频率带内增加的功率。图8为使用根据本发明所构造的传感器通过对象的T恤衫测量的取样ECG电压的 记录。该曲线图描述了位于心脏附近的两个传感板40之间的电势差。传感板中的一个位 于胸部之上、心脏区域的上面，并且第二传感板位于胸部的侧面用作参考。两个传感板40 均被放置在对象的T恤衫的外面。图8所示为4秒的记录，其可通过监控器和/或打印机显不。图9示出使用根据一种实施方式的电容传感器系统测量身体表面电场的方法的 一个实例。该方法可以在图2、3和4中的电容传感器系统100、200或300中实现。在块 400，过程以将传感板40电容耦合至身体表面15开始。在身体表面15上的电势的改变产 生了引起传感板40的电势的改变的电场。传感板40未与身体表面15接触。在块405，在 与传感板40关联的传感节点12处产生输入信号。产生的输入信号基于电场中传感节点12 位于的传感板40的电势的改变。然后过程继续到块410，其中输入信号被具有输入端口和 输出端口的放大器放大。放大器设置成在输入端口接收输入信号，并在输出端口产生输出 信号，其中输出信号基于输入信号的放大。最后，在块415，使用开关电路间断地关闭分流路 径，以复位连接到输入端口的传感节点，其中开关电路连接至输入端口和参考电压。上述系统和方法可以用于由大脑产生的脑电图(EEG)信号的测量，用于大脑-计 算机接口。该系统和方法还可以用在心电图(ECG)中用于心脏检测，以及在肌电图(EMG)中 用于肌肉活动记录。不同于大多数的其他EEG/ECG/EMG传感器的设计，上述电容传感器系 统和方法实质上是电容性的，并且因此不需要身体的或欧姆的接触到身体表面，比如皮肤。 大多数现有传感器要求通过传导凝胶的应用和/或摩擦皮肤的制剂电接触到皮肤，在本发 明中避免了这两种情况。电容传感器系统和方法可以在比如医学诊断设备、神经修复、生物反馈、神经图 像、大脑-计算机接口以及交互式计算机模拟的EEG帽实现。电容传感器系统和方法可以在 EEG传感器接口到计算机模拟软件中是有用的，并且可以用于工业应用，比如电子制造业中 的静电积累的监控。
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这里描述的实施方式实现了上述特征，同时对传感节点12产生尽可能小的噪声。 仅仅在开关器件被激活的时间的短持续时间内产生一点噪声。此外，开关操作允许用非常 低的电阻值替换高电阻值，从而在激活期间产生较低热噪声谱密度。这里描述的多个实施方式提供了一种利用开关电路对付放大器的临界输入端口 处不利的电流的装置，该开关电路间断地复位或分流传感节点。如上所述，发明的电路的开 关特性显现出在低功率电路将极少的电路噪声注入临界传感节点的优点。本领域的那些技术人员应理解，与在此公开的上述附图和实施方式相关描述的各 种用作说明的模块和方法步骤通常可以作为电子硬件、软件、固件或其组合来实现。为了清 晰的说明硬件和软件的该可交换性，通常就它们的功能方面而言，各种用作说明的模块和 方法步骤已经在上面被描述。这种功能是作为硬件还是软件被实现，取决于特定应用和加 在整个系统上的设计约束条件。技术人员可以对于每个特定应用通过不同的方法实现上述 功能，但这种实现的决定不应被解释为导致背离本发明的范围的原因。另外，模块或步骤中 的功能组是容易描述的。具体功能可以从一个模块或步骤移到另一个，而没有背离本发明。此外，与在此公开的实施方式有关的各种用作说明的模块和方法步骤可以用硬件 实现或执行，硬件例如为通用处理器、数字信号处理器(“DSP”)、专用集成电路(“ASIC”)、 现场可编程门阵列(“FPGA”)或其他可编程逻辑器件、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组 件、或设计为执行在此描述的功能的其任意组合。通用处理器是硬件，且可以是微处理器， 但可选的，该处理器可以是任何硬件处理器或控制器、微控制器。处理器还可以作为计算器 件的组合来实现，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心联合的一个或多 个微处理器、或任意其他此类配置。另外，结合与此处公开的实施方式所描述的方法或算法的步骤可以直接在硬件、 由处理器执行的软件模块、或二者的组合中实施。软件模块可以驻留在易于获得读取介质 的计算机或控制器中，读取介质包括RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM 存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或包括网络存储介质的其他任何形式的存储介 质。典型的存储介质可以耦合至处理器，以使处理器可以从存储介质中读取信息，并向存储 介质中写入信息。可选地，存储介质可以是构成处理器所需要的。处理器和存储介质还可 以驻留在ASIC中。提供的公开的实施方式的上述描述使任何本领域的技术人员能够进行或使用本 发明。对本领域那些技术人员而言，这些实施方式的各种更改是明显的，并且此处描述的一 般原则可以被应用于其他实施方式，而不背离本发明的精神和范围。从而，应理解的是在此 呈现的描述和附图是本发明典型的实施方式，并且因此是由本发明广泛地预期的主题的代 表。进一步应理解的是，本发明的范围包含其他实施方式，且本发明的范围仅仅被所附的权 利要求相应地限制。参考文献提供一般的背景信息的以下参考文献的教导通过引用在此并入。[1] 2006 年 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (IEEE 生物医 学电路和系统会议)，J. C. Chiou, Li-Wei Ko, Chin-Teng Lin, Chao-TingHong, Tzyy-Ping Jung 的“Using Novel MEMS EEG Sensors in DetectingDrowsiness Application (在探测 睡意应用中使用新颖的MEMS EEG传感器)”。
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[2] 1969 年 IEEE transactions on Biomedical Engineering (IEEE 生物医学工程 学报)第 16 卷第 99 页,A. Lopez 和 P. C. Richardson 的"Capacitiveeletrocardiographic and bioelectric electrodes (电容性心电图仪和生物电电极)”。[3] IEEE transactions on Biomedical Engineering (IEEE 生物医学工程学报) 第 188 卷第 299-300 页，Τ. Matsuo, K. Iinuma，和 Μ. Esashi 的“Abarium-titanate—ceramics capacitive-type EEG electrode (钛酸钡陶瓷电容型 EEG 电极)”。[4] 2000 年 Measurement Science and Technology (测量科学与技术)第 11 卷第 291-297 页，R. J. Prance, A. Debray, Τ. D. Clark, H. Prance, Μ. Nock, C. J. Harland, 以 及 A. J. Clippingdale 的"An ultra-low-noiseelectrical-potential probe for human-body scanning(用于人体扫描的超低噪声电势探测器)”。[5] 2OO2 年 Measurement Science and Technology (测量科学与技术)第 I3 卷第 163-169 页，C. J. Harland, T. D. Clark 和R. J. Prance 的"Electricpotential probes-new directions in the remote sensing of the human body (电势探测器-在人体远禾呈传感 中的新用法)”。[6]2005 $ 7 月 22-27 H Proceedings of the 11th International Conferenceon Human-Computer Interaction (人机交互的第 11 次国际会议学报)， R. Matthews, N. J. McDonald, I. Fridman, P, Hervieux, \)JsR T. Nielsen 的"The invisible electrode-zero prep time,ultra low capacitive sensing(隐形电极-零予页备时间、超 低电容传感)”。[7]2006 $ IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (IEEE t 物医学电路和系统会议)，C. Park, P. H. Chou, Y. Bai, R. Matthews,以及 Α. Hibbs 的“An ultra-wearable, wireless, low power ECG monitoring system(超耐磨、无线、低功率ECG 监控系统)”。[8] 2007 年 5 月 2-4 日 Proceedings of the SPIE Conference onBioengineered and Bioinspired Systems III (生物工程和生物激发系统II的SPIE会议学报)，J. Errera 和 H. S. Sack 的 “Dielectric properties of animalf ibers (动物纤维的电介质特性)，，。[9] 2007 年 5 月 2-4 日 Proceedings of the SPIE Conference onBioengineered and Bioinspired Systems III (生物工程和生物激发系统III的SPIE会议学报)， T.Sullivan, S.Deiss, Τ. P. Jung, 和 G. Cauwenberghs 的"Alow-Noise, Low-Power EEG acquisition Node for Scalable Brain-Machinelnterfaces (用于可扩展的脑机接口 的低 噪声、低功率EEG获取节点)”。
权利要求
一种用于测量电场的传感器，所述系统包括传感板，该传感板电容耦合至身体表面，其中在所述身体表面的电势的改变产生了引起所述传感板的电势的改变的电场，所述传感板包括位于所述电场中的用于自所述电场产生输入信号的传感节点，所述传感板通过居间的物质与所述身体表面分离；放大器，该放大器设置成放大所述输入信号，所述放大器具有输入端口和输出端口，所述放大器设置成在所述输入端口接收所述输入信号并在所述输出端口产生放大的输出信号；以及开关电路，该开关电路连接至所述输入端口和参考电压，所述开关电路设置成间断地闭合从所述传感节点到所述参考电压的分流路径，以复位连接至所述输入端口的所述传感节点。
2.如权利要求1所述的用于测量电场的传感器，其中所述参考电压是接地。
3.如权利要求1所述的用于测量电场的传感器，其中所述参考电压在包括在所述放大 器的输入共模电压范围内的电压的范围内。
4.如权利要求1所述的用于测量电场的传感器，其中所述开关电路包括至少一个开关 器件。
5.如权利要求4所述的用于测量电场的传感器，其中所述至少一个开关器件是晶体管。
6.如权利要求1所述的用于测量电场的传感器，还包括单位增益放大器，该单位增益 放大器具有耦合至所述放大器的所述输入端口的第一输入端口，所述单位增益放大器设置 成输出在所述放大器的所述输入端口的电压的复制。
7.如权利要求4所述的用于测量电场的传感器，其中所述开关电路还包括多个电容 器，所述多个电容器中的至少第一电容器连接至所述参考电压，以及所述多个电容器中的 至少第二电容器连接至能够开启所述至少一个开关器件的激活电压。
8.如权利要求4所述的用于测量电场的传感器，其中所述至少一个开关器件通过控制 多个电容器的输入而被开启和关闭，该多个电容器设置成对所述至少一个开关器件产生激 活电压。
9.如权利要求7所述的用于测量电场的传感器，还包括具有第一输入端口和第一输 出端口的单位增益放大器，所述第一输入端口耦合至所述放大器的所述输入端口，所述单 位增益放大器设置成在所述第一输出端口产生第一输出电压，其中，所述第一输出电压是 在所述放大器的所述输入端口的电压的复制，所述单位增益放大器耦合至一个或多个电阻 器，所述一个或多个电阻器设置成当所述至少一个开关器件断开时，将所述多个电容器拉 至所述第一输出电压。
10.如权利要求1所述的用于测量电场的传感器，其中所述放大器的所述输入端口包 括高阻抗输入和低阻抗输入。
11.如权利要求1所述的用于测量电场的传感器，其中所述传感节点耦合至所述放大 器的所述高阻抗输入。
12.如权利要求1所述的用于测量电场的传感器，其中所述身体表面是人的身体表面。
13.如权利要求1所述的用于测量电场的传感器，其中所述传感电容器的电介质包括 在所述传感板和所述身体表面之间的居间的物质。2
14.如权利要求13所述的用于测量电场的传感器，其中所述电介质包括空气、头发和 衣服中的一个。
15.如权利要求1所述的用于测量电场的传感器，其中所述放大器是电压放大器。
16.如权利要求15所述的用于测量电场的传感器，其中所述传感板连接至所述电压放 大器的所述高阻抗输入。
17.如权利要求1所述的用于测量电场的传感器，其中所述传感板设置成起到传感电 容器的第一板的作用，并且所述身体表面起到所述传感电容器的第二板的作用。
18.如权利要求1所述的用于测量电场的传感器，还包括至少一个耦合至所述开关电 路的复位电路，用于开启或关闭所述至少一个开关器件。
19.如权利要求4所述的用于测量电场的传感器，其中所述至少一个开关器件包括第 一开关器件和第二开关器件。
20.如权利要求19所述的用于测量电场的传感器，其中所述至少一个开关器件的开关 操作部分地复位所述传感节点。
21.如权利要求20所述的用于测量电场的传感器，其中所述传感节点的部分的复位包 括以一个数量朝着电压参考的方向改变在所述传感节点处的电压。
22.如权利要求20所述的用于测量电场的传感器，其中所述第一开关器件和所述第二 开关器件周期性地一次一个地被激活。
23.如权利要求22所述的用于测量电场的传感器，其中所述第一开关器件和所述第二 开关器件被激活的时间的持续时间基于在所述传感节点上电压漂移的方向和大小。
24.如权利要求22所述的用于测量电场的传感器，其中所述第一开关器件和所述第二 开关器件被激活的顺序基于在所述传感节点上电压漂移的方向和大小。
25.如权利要求22所述的用于测量电场的传感器，其中控制模块控制周期、脉冲宽度 和开关操作的顺序中的一个。
26.如权利要求1所述的用于测量电场的传感器，其中所述参考电压被反馈回路改变， 该反馈回路设置成使所述参考电压最优化。
27.如权利要求4所述的用于测量电场的传感器，其中当在所述输入信号上的电压接 近包括在所述放大器的所述输入共模电压范围内的电压的范围的界限时，所述至少一个开 关器件被激活。
28.如权利要求1所述的用于测量电场的传感器，还包括保护输出，该保护输出设置成 遵循具有正输入和负输入的且增益为1的所述输入端口。
29.如权利要求28所述的用于测量电场的传感器，其中所述保护输出设置成支持在所 述正输入周围的保护环。
30.如权利要求28所述的用于测量电场的传感器，其中所述保护输出设置成驱动与所 述传感板关联的屏蔽金属板，以最小化从除了所述身体表面以外的源获得的电场。
31.如权利要求7所述的用于测量电场的传感器，还包括保护输出，该保护输出设置成 当所述至少一个开关器件断开时，上拉所述至少一个开关器件的基极节点和发射极节点。
32.一种用于测量电场的传感器，所述系统包括传感板，该传感板电容耦合至身体表面，其中在所述身体表面的电势的改变产生引起 所述传感板的电势的改变的电场，所述传感板包括位于所述电场中的用于自所述电场产生信号的传感节点，所述传感板通过居间的物质与所述身体表面分离；放大器，该放大器设置成放大所述输入信号，所述放大器具有输入端口和输出端口，所 述放大器设置成在所述输入端口接收所述输入信号并在所述输出端口产生放大的输出信 号；包括至少一个开关器件的开关电路和包括多个电容器的复位电路，所述多个电容器设 置成对所述至少一个开关器件产生激活电压以开启或激活所述至少一个开关器件，所述开 关电路连接至所述所述输入端口和参考电压，所述开关电路设置成当所述至少一个开关器 件开启时，间断地闭合从所述传感节点到所述参考电压的分流路径，以复位连接至所述输 入端口的所述传感节点；以及单位增益放大器，该单位增益放大器具有第一输入端口和第一输出端口，所述第一输 入端口耦合至所述放大器的所述输入端口，所述单位增益放大器设置成在所述第一输出端 口产生第一输出电压，所述单位增益放大器耦合至一个或多个电阻器，其中所述一个或多 个电阻器设置成当所述至少一个开关器件断开时，将所述多个电容器拉至所述第一输出电 压。
33.如权利要求32所述的用于测量电场的传感器，其中为了开启所述至少一个开关器 件，所述多个电容器中的至少第一电容器连接至所述参考电压，并且所述多个电容器中的 至少第二电容器连接至能够开启所述至少一个开关器件的电压。
34.如权利要求32所述的用于测量电场的传感器，其中开启所述至少一个开关器件包 括闭合所述至少一个开关器件的开关。
35.如权利要求34所述的用于测量电场的传感器，其中所述开关闭合以短路所述传感 节点至所述参考电压。
36.如权利要求32所述的用于测量电场的传感器，其中所述参考电压是接地。
37.如权利要求32所述的用于测量电场的传感器，其中所述传感板设置成起到传感电 容器的第一板的作用，并且所述身体表面起到所述传感电容器的第二板的作用。
38.如权利要求32所述的用于测量电场的传感器，其中所述第一输出电压是在所述放 大器的所述输入端口的所述电压的复制。
全文摘要
描述了一种电容传感器系统，其包括传感板、放大器和开关电路。传感板电容耦合至身体表面。在身体表面上的电势的改变产生了引起传感板的电势的改变的电场。传感板包括位于电场的传感节点，用于自电场产生输入信号。传感板不与身体表面接触。放大器在输入端口接收输入信号，放大输入信号并在输出端口产生输出信号。开关电路连接至输入端口和参考电压。开关电路间断地闭合从传感节点到参考电压的分流路径，以复位在传感节点上的电压。
文档编号A61B5/04GK101902958SQ200880122079
公开日2010年12月1日 申请日期2008年11月26日 优先权日2007年11月28日
发明者托马斯·J·沙利文, 斯蒂芬·R·戴斯, 格特·考文贝赫 申请人:加利福尼亚大学董事会