CN112957066B - 基于n型悬臂梁式一维MEMS声传感器的电子听诊器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于n型悬臂梁式一维MEMS声传感器的电子听诊器，属于生物医疗器件技术领域。该电子听诊器包括由三角支撑架、支撑柱、紧固螺栓、滑块、连接杆、支撑板、支撑杆组成的支撑螺纹连接体，由椭圆形壳体、盖体和感应薄膜组成的心音探头壳体以及设置于心音探头壳体内的MEMS声传感器微结构。本发明电子听诊器设计科学，结构合理，体积小巧美观，成本低廉，加工简单易于批量生产，使用操作方便稳定，检测灵敏度高，抗干扰能力强、信噪比高、可靠性高、带宽高、检测效果好，值得推广使用。

Description

基于n型悬臂梁式一维MEMS声传感器的电子听诊器

技术领域

本发明属于生物医疗器件技术领域，特别涉及一种用于检测心音信号的声学传感器探头，具体是一种专一性转换心音信号且抗干扰能力强、可靠性高的基于n型悬臂梁式一维MEMS声传感器的电子听诊器。

背景技术

心音信号是人体最重要的主动生理声信号之一，是由心脏搏动过程中心肌的收缩与舒张、各瓣膜的开闭以及心肌和血液运动所产生的振动形成的，包含着心脏各个部分如心房、心室、心血管、大血管及各个瓣膜的大量生理信息，能够反映心脏正常或者病理的音响，是临床评估心脏功能的最基本方法；心音是心脏及心血管系统机械运动中所产生声音的总称，包含着心脏各个部分本身及相互之间作用的生理和病理信息；目前在临床上对心脑血管疾病的主要诊断手段仍然是对心音的听诊。

听诊是临床诊断的不可缺少的常规检查手段，19世纪以前，医生只能把耳朵直接置于患者胸前进行“直接听诊”，直到1816年法国医生Laennec发明了听诊器，“间接听诊”才成为可能，形成了心脏听诊学等学科，极大地推动了医学发展。

传统的观测和诊断心脏功能的手段主要有临床听诊和检测ECG信号。ECG信号即心电图，electrocardiogram，在人体的胸肌、手腕、脚腕处连接电极，在每个心动周期中，心脏类似于电源，起搏点、心房、心室相继兴奋，心肌细胞动作产生电位变化，在人体的不同部位存在电位差，通过心电描记器记录出心电变化，得到心电图。

为了弥补传统听诊器在使用时受外界因素影响较大、准确性较差、依赖医生主观影响大等缺陷，电子听诊器应运而生，使得听诊诊断更准确、方便、可靠和有效。电子听诊器利用声学传感器作为接受声信号的敏感元件，将实际临床上及其微弱的振动心音信号通过硬件滤波器和远算放大器，使听到的心音信号更加准确。然而随着传感器对心音信号灵敏度提高的同时，对于周围环境噪声的敏感性也会成正比例提高；且正常心音信号的频率范围为20~600Hz，与环境噪声的频率重叠区较大，为后端处理电路的滤波降噪工作带来了巨大的难题。心杂音信号的幅值和出现的频率点具有较大的不确定性，仅依靠算法降噪，容易将包含有病理信息的心杂音信号误当做“噪声”而处理掉，使得检测到的心音信号和后期处理失去了病理学研究意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有电子听诊器使用寿命短、可靠性不高、带宽低等问题，而提供一种基于n型悬臂梁式一维MEMS声传感器的电子听诊器。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于n型悬臂梁式一维MEMS声传感器的电子听诊器，包括三角支撑架、支撑柱、紧固螺栓、滑块、连接杆、支撑板、支撑杆、椭圆形壳体、盖体、感应薄膜和MEMS声传感器微结构；支撑柱的底端固定在三角支撑架上，滑块滑动套装在支撑柱上，紧固螺栓螺纹连接在滑块上，支撑板通过连接杆与滑块固定，支撑杆的一端与支撑板连接固定、另一端与椭圆形壳体的壳底连接固定，盖体固定安装在椭圆形壳体的壳口处，盖体上均布贯穿开设有若干六边形孔口，感应薄膜密封固定在盖体外；椭圆形壳体的壳底上设置有注油孔、引线孔和导气孔，椭圆形壳体的内腔中安装有信号处理电路板，MEMS声传感器微结构集成在信号处理电路板上，MEMS声传感器微结构的输出端导线通过引线孔引出，椭圆形壳体的内腔中注满有硅油。

本发明电子听诊器主要由心音探头壳体、支撑螺纹连接体、MEMS声传感器微结构、感应薄膜组成。心音探头壳体主要由椭圆形壳体、盖体和感应薄膜组成，椭圆形壳体的椭圆形结构是仿生蝙蝠耳结构，其可以有效的接收声音传递信号的特点进行结构优化设计；盖体上均布贯穿开设有若干六边形孔口，该盖体仿照蜂巢的结构设计，蜂巢的结构设计特点是比强度和比刚度高、重量轻、材料消耗少、良好的缓冲隔振功能、良好的隔热效果，感应薄膜自身的固有频率会对传感器有影响，作为内支撑的盖体采用的六边形蜂巢结构有效的提高了感应薄膜的固有频率，提高传感器性能。感应薄膜的敞口端扣在椭圆形壳体的壳口上并用聚氨酯胶密封固定，感应薄膜具有良好的透声性能、机械性能，感应薄膜与内部耦合液绝缘硅油、涂抹于皮肤表面的耦合剂、脏器器官特性阻抗相匹配，具有较高的透声系数，构成多层传声介质，从而能很好地将心音、呼吸音等脏器声信号传递至MEMS声传感器微结构，达到检测和诊断目的。支撑螺纹连接体包括三角支撑架、支撑柱、紧固螺栓、滑块、连接杆、支撑板、支撑杆，该结构设计可以实现上下高度、左右角度的任意调节，充分考虑了不同高度、不同年龄的诊断人群的适用范围；面对高灵敏的听诊器探头，延长探头的使用寿命也是本发明需要解决的技术问题之一，固定听诊器探头的目的：一是在于减少听诊器探头和接触者的接触次数，二是可以避免皮肤接触太紧造成感应薄膜损坏或者皮肤接触太松使得心音信号的检测失去病理研究意义，无法有效的给出诊断依据。滑块、支撑板等的设计可以在固定听诊器探头的基础上，面向更多不同身高的诊断人群，使心音诊断更舒适，更可靠，更便捷。

进一步的，MEMS声传感器微结构包括方形支撑边框，方形支撑边框的底部框边的内侧中部位置向内延设固定有n型支撑边框和n型悬臂梁，n型悬臂梁位于n型支撑边框内；n型悬臂梁根部的两侧梁段上各设置有一个压敏电阻，方形支撑边框的底部框边上紧邻n型悬臂梁根部的位置处设置有两个压敏电阻，四个压敏电阻的阻值相等且之间通过金属引线连接成一个检测心音声信号的惠斯通全桥差动电路。MEMS声传感器微结构的加工材料为SOI硅圆片，采用MEMS工艺加工而成，具有工艺简单、成本极低、可靠性高的特点，具体是在硅衬底上利用ICP等离子刻蚀技术刻蚀出方形支撑边框、n型支撑边框和n型悬臂梁，在n型悬臂梁的两侧梁段及方形支撑边框的相应位置分别利用等离子注入技术注入硼离子形成压敏电阻，四个压敏电阻的阻值相等且之间通过金属引线连接成一个检测心音声信号的惠斯通全桥差动电路；声信号通过感应薄膜和声耦合液，作用在MEMS声传感器微结构上，由于MEMS声传感器微结构对于垂直作用的声压信号最为敏感，抑制其它方向的噪声，n型悬臂梁发生形变，使得上面的两个压敏电阻发生变化，惠斯通电桥的输出电压发生变化，电压的变化量就反应了声压的大小，实现心音信号的定向探测。

进一步的，信号处理电路板固定在椭圆形壳体内腔的1/2深度处。结合椭圆形壳体内腔仿生蝙蝠耳结构的特点，在该位置处能够更好的接收心音信号。

进一步的，三角支撑架、支撑柱、紧固螺栓、滑块、连接杆、支撑板、支撑杆、椭圆形壳体和盖体均采用吸声材料树脂9400制作而成，这样可以很好的吸收环境噪声，提高检测准确度。

进一步的，感应薄膜采用TPU材料制作而成，厚度为0.02mm，TPU材料与人体皮肤特性亲近，可以提高检测准确度。

本发明电子听诊器解决了目前心音二维传感器存在的使用寿命短、可靠性不高、带宽低等问题，本发明听诊器具有灵敏度高、低成本、可批量加工、可靠性高、带宽大的优点，比传统的电子听诊器更具优势。从结构工艺设计的角度，将心音信号从外界环境振动噪声中转化分离出来，进行专一性检测，降低了环境噪声对心音信号检测的影响，提高了其抗干扰能力，使得心音检测精确性提高。便捷的支撑架可以更好地解决心音探头接触人体皮肤的紧密性，上下可调节的移动螺纹扣便于不同身高的诊断人群进行测试。同时，由于传感器获取到的心音信号为原始信号，从而降低了后端信号处理电路和消噪算法的难度。

本发明电子听诊器设计科学，结构合理，体积小巧美观，成本低廉，加工简单易于批量生产，使用操作方便稳定，检测灵敏度高，抗干扰能力强、信噪比高、可靠性高、带宽高、检测效果好，值得推广使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，此处的附图用来提供对本发明的进一步说明，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明电子听诊器整体结构的正视图。

图2为本发明电子听诊器整体结构的侧视图。

图3为本发明电子听诊器中MEMS声传感器微结构的结构示意图。

图4为本发明电子听诊器中支撑螺纹连接体的结构示意图。

图5为本发明电子听诊器中心音探头壳体的正视图。

图6为本发明电子听诊器中心音探头壳体的后视图。

图7为本发明电子听诊器中心音探头壳体的内部结构示意图。

图8为图3中的A部分放大示意图。

图中：1-三角支撑架、2-支撑柱、3-紧固螺栓、4-滑块、5-支撑板、6-支撑杆、7-椭圆形壳体、8-盖体、9-连接杆、10-注油孔、11-引线孔、12-导气孔、13-信号处理电路板、14-方形支撑边框、15-n型支撑边框、16-n型悬臂梁、17-压敏电阻、18-连接孔。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合参考附图并结合实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

一种基于n型悬臂梁式一维MEMS声传感器的电子听诊器，如图1至图3所示，包括三角支撑架1、支撑柱2、紧固螺栓3、滑块4、连接杆9、支撑板5、支撑杆6、椭圆形壳体7、盖体8、感应薄膜和MEMS声传感器微结构。其中，三角支撑架1、支撑柱2、紧固螺栓3、滑块4、连接杆9、支撑板5、支撑杆6组成支撑螺纹连接体，椭圆形壳体7、盖体8、感应薄膜组成心音探头壳体， MEMS声传感器微结构设于心音探头壳体内。

如图4和图5所示，支撑柱2的底端固定在三角支撑架1上，滑块4滑动套装在支撑柱2上，紧固螺栓3螺纹连接在滑块4上，支撑板5通过连接杆9与滑块4固定，支撑杆6共设上下两根，其一端与支撑板5连接固定、另一端与椭圆形壳体7的壳底连接固定，盖体8固定安装在椭圆形壳体7的壳口处，盖体8上均布贯穿开设有若干六边形孔口，感应薄膜密封固定在盖体8外。三角支撑架1以三角形稳定性作为基础，支撑柱2、紧固螺栓3、滑块4相互配合可以调节使用高度，同时也可以实现支撑板5的左右调节；三角支撑架1与支撑柱2之间、紧固螺栓3与滑块4之间、滑块4与连接杆9之间、支撑板5与支撑杆6之间，支撑杆6与椭圆形壳体7之间均采用螺纹连接，以实现可拆连接的功能，方便其的安装于拆卸。三角支撑架1、支撑柱2、紧固螺栓3、滑块4、连接杆9、支撑板5、支撑杆6、椭圆形壳体7和盖体8均采用吸声材料树脂9400制作而成，感应薄膜采用TPU材料制作而成，厚度为0.02mm。

如图6和图7所示，椭圆形壳体7的壳底上开设有上下两个与支撑杆6连接的连接孔18，两个连接孔18之间开设有并排设置的注油孔10、引线孔11和导气孔12，椭圆形壳体7的内腔中在其1/2深度位置处通过固定槽安装有信号处理电路板13，MEMS声传感器微结构集成在信号处理电路板13上，MEMS声传感器微结构的输出端导线通过引线孔11引出并与带通滤波模块连接，椭圆形壳体7的内腔中注满有硅油。

如图3和图8所示，MEMS声传感器微结构加工材料为SOI硅圆片，采用MEMS半导体微加工技术加工而成，具体是在硅衬底上利用ICP等离子刻蚀技术刻蚀出方形支撑边框14、n型支撑边框15和n型悬臂梁16，n型支撑边框15和n型悬臂梁16位于方形支撑边框14的底部框边的内侧中部位置，n型悬臂梁16位于n型支撑边框15内；在n型悬臂梁16根部的两侧梁段上分别利用等离子注入技术注入硼离子形成两个压敏电阻17，在方形支撑边框15的底部框边上紧邻n型悬臂梁16根部的位置处分别利用等离子注入技术注入硼离子形成两个压敏电阻17，四个压敏电阻17的阻值相等且之间通过金属引线连接成一个检测心音声信号的惠斯通全桥差动电路。n型悬臂梁16包括两根距离非常接近的侧梁，两根侧梁的自由端端部之间固定有横梁，n型悬臂梁16的作用等同于纤毛柱，该结构用长的侧梁模仿可动纤毛，用侧梁根部的压敏电阻17模仿感觉细胞，因此只要侧梁（模仿可动纤毛）能够获取声音信号的信息，就可以通过压敏电阻（模仿感觉细胞）实现声音信号的探测；为了增加结构的灵敏度，故采用双侧梁代替传统单梁，这样电桥由原来的1/4桥变为差动半桥，灵敏度增加一倍，当有信号作用于侧梁时，侧梁会产生形变，在侧梁根部产生应力变化，从而导致扩散在根部压敏电阻的阻值发生变化，压敏电阻与基准电阻连接构成惠斯通电桥，根据惠斯通电桥的输出变化，实现对声信号的测量。

椭圆形壳体7内灌满有绝缘硅油，心音信号通过人体组织向外界传递过程中会因为传递介质不同导致心音信号的缺失或者消失，绝缘硅油这种介质与人体组织介质密度匹配度相近，内腔灌满硅油很好的解决了与人体组织耦合的问题，减少心音信号在传递过程中的损耗，在注油的同时腔内的气体通过导气孔12排出，让腔内部形成硅油环境下的密封空间，然后将注油孔10和导气孔12密封。

上面是对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种基于n型悬臂梁式一维MEMS声传感器的电子听诊器，其特征在于：包括三角支撑架、支撑柱、紧固螺栓、滑块、连接杆、支撑板、支撑杆、椭圆形壳体、盖体、感应薄膜和MEMS声传感器微结构；支撑柱的底端固定在三角支撑架上，滑块滑动套装在支撑柱上，紧固螺栓螺纹连接在滑块上，支撑板通过连接杆与滑块固定，支撑杆的一端与支撑板连接固定、另一端与椭圆形壳体的壳底连接固定，盖体固定安装在椭圆形壳体的壳口处，盖体上均布贯穿开设有若干六边形孔口，感应薄膜密封固定在盖体外；椭圆形壳体的壳底上设置有注油孔、引线孔和导气孔，椭圆形壳体的内腔中安装有信号处理电路板，MEMS声传感器微结构集成在信号处理电路板上，MEMS声传感器微结构的输出端导线通过引线孔引出，椭圆形壳体的内腔中注满有硅油；MEMS声传感器微结构包括方形支撑边框，方形支撑边框的底部框边的内侧中部位置向内延设固定有n型支撑边框和n型悬臂梁，n型悬臂梁位于n型支撑边框内；n型悬臂梁根部的两侧梁段上各设置有一个压敏电阻，方形支撑边框的底部框边上紧邻n型悬臂梁根部的位置处设置有两个压敏电阻，四个压敏电阻的阻值相等且之间通过金属引线连接成一个检测心音声信号的惠斯通全桥差动电路；信号处理电路板固定在椭圆形壳体内腔的1/2深度处。

2.根据权利要求1所述的基于n型悬臂梁式一维MEMS声传感器的电子听诊器，其特征在于：三角支撑架、支撑柱、紧固螺栓、滑块、连接杆、支撑板、支撑杆、椭圆形壳体和盖体均采用吸声材料树脂9400制作而成。

3.根据权利要求1或2所述的基于n型悬臂梁式一维MEMS声传感器的电子听诊器，其特征在于：感应薄膜采用TPU材料制作而成，厚度为0.02mm。

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