專利名稱：無接觸生物電勢傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低噪聲、無接觸電容傳感器系統(tǒng)，以在沒有與身體表面直接接觸 的情況下測量由身體產(chǎn)生的電壓信號。背景腦電圖(EEG)和心電圖(ECG或者EKG)傳感器分別測量自大腦和心臟發(fā)出的電場 的時變量值，作為在器官內(nèi)的細胞活性的結(jié)果。目前，用于這些電勢的測量的可用的傳感器 需要與皮膚直接電接觸，這能夠通過在傳感器和皮膚之間使用導(dǎo)電凝膠或者通過摩擦皮膚 來實現(xiàn)。盡管凝膠滿足產(chǎn)生良好的接觸的目的，但是卻有若干個潛在的缺陷。首先，將凝膠 施加到使用256個傳感器的EEG帽(cap)內(nèi)要花費多達一小時。另外，凝膠會通過頭發(fā)擴 散以在傳感器之間引起短路，并且隨著時間的過去而風(fēng)干，使得長期的記錄是非常困難的。 ECG傳感器常常通過粘合劑接合到皮膚，這需要附著區(qū)域沒有頭發(fā)，即刮去，并且進一步需 要輕輕摩擦皮膚區(qū)域以產(chǎn)生良好的接觸。在測試完成時傳感器的拆除是最讓人不愉快的并 且通常是相當(dāng)疼的。雖然已經(jīng)有許多使用無需凝膠的傳感器的嘗試，但是仍要依賴與皮膚的干接觸。 一般地，這些方法受限于沒有頭發(fā)的身體區(qū)域。例如，在公開號為2007/0048707的美國專 利中描述的ICAP 釋放計(Release Meter)系統(tǒng)是由ICAP技術(shù)獲得的用于壓力管理的個 人用戶產(chǎn)品，其采用彈性頭飾帶將電極固定在緊靠使用者的前額的位置。在Licata等人的 第6，510，333號美國專利中描述的混合方法避免了凝膠的直接施加需求，而通過使用以導(dǎo) 電液體或凝膠填充的軟彈性硬毛，仍要依賴于它的導(dǎo)電特性。缺陷是硬毛襯墊的加工相對
曰蟲 ρ卩貝。最近，無接觸生物電勢傳感器已經(jīng)獲得了一些成效。Prance和合作者已經(jīng)使用 了低輸入偏置電流放大器，其在低頻下產(chǎn)生低噪聲工作。(參見Measurement Science and Technology (測量科學(xué)與技術(shù))，2000 年第 11 卷第 291-297 頁，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(用于人體 掃描的超低噪聲電勢探測器)” JPMeasurement Science and Technology(測量科學(xué) 與技術(shù))，2002 年第 13 卷第 163-169 頁，C. J. Harland, T. D. Clark 以及 R. J. Prance 的 "Electricpotential probes-new directions in the remote sensing of the human body(電勢探測器-在人體遠程傳感中的新用法)”。)這種電容耦合的電傳感器的缺陷是， 由于傳感器漂移和輸入偏置補償電流導(dǎo)致了寄生電荷的建立。抵消該漂移的常規(guī)方法涉及 利用分流電阻器包括到信號地的傳導(dǎo)路徑。這種方案帶來的問題是使用的高值電阻器提供 過多的熱噪聲量，使信號受到污染。Krupka的第7，088，176號的美國專利描述了一種反饋電路，其不斷地穩(wěn)定在放大器的輸入節(jié)點處的電壓。然而，這種電路也會引入噪聲且具有相 對高的功率需求。因此，需要無凝膠無接觸傳感器，其完全避免與皮膚接觸的需要，不限于無頭發(fā)的 身體區(qū)域以及進一步避免現(xiàn)有技術(shù)中的無接觸傳感器的漂移和噪聲問題。發(fā)明概述本發(fā)明包括電容生物傳感器系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)和方法提供了無接觸傳感板，其 排除與皮膚表面接觸的要求并且通過電容耦合工作，并且其能夠通過頭發(fā)、衣服或其他皮 膚覆蓋物來測量電場?，F(xiàn)有技術(shù)的漂移和噪聲問題通過使用復(fù)位電路間斷地復(fù)位放大器的 輸入節(jié)點來克服。復(fù)位的定時和持續(xù)時間將依賴于在傳感器中預(yù)先確定的條件，如漂移的 方向和電平，或當(dāng)在放大器輸入上的電壓超過指定閾值時。在一種實施方式中，發(fā)明的電容傳感器系統(tǒng)包括傳感板、放大器(總稱為“基本電 容傳感器”)、以及開關(guān)電路。傳感板直接地或者通過諸如頭發(fā)、衣服或其他皮膚覆蓋物的居 間的物質(zhì)電容耦合至身體表面，如人的皮膚。在所述身體表面的電勢的改變產(chǎn)生了引起所 述傳感板的電勢的改變的電場。所述傳感板包括位于所述電場用于自所述電場產(chǎn)生輸入信 號的傳感節(jié)點。所述傳感板不與所述身體表面接觸。放大器包括輸入端口和輸出端口并設(shè) 置成放大所述輸入信號。所述放大器在所述輸入端口接收輸入信號，并放大所述輸入信號 以在所述輸出端口產(chǎn)生輸出信號。輸出信號被傳送到讀出設(shè)備，如打印機或計算機監(jiān)控器， 以產(chǎn)生被檢測信號的可見的示數(shù)。附加在或代替直接顯示，所述輸出信號可被傳送至存儲 設(shè)備以存儲，并隨后傳輸、觀察和/或處理。為了避免寄生電荷的出現(xiàn)，開關(guān)電路連接至所 述放大器的所述輸入端口和參考電壓。所述開關(guān)電路間斷地閉合從所述傳感節(jié)點到所述參 考電壓的分流路徑，以復(fù)位在所述傳感節(jié)點上的電壓。在另一實施方式中，通過添加開關(guān)電路和單位增益放大器到電容傳感器電路中的 基本電容傳感器，避免了在所述放大器的所述輸入節(jié)點處的寄生電荷的出現(xiàn)。所述開關(guān)電 路連接至所述放大器的所述輸入端口和參考電壓。所述開關(guān)電路包括至少一個開關(guān)器件和 包括多個電容器的復(fù)位電路。所述電容器設(shè)置成產(chǎn)生開啟或激活所述至少一個開關(guān)器件的 激活電壓。所述開關(guān)電路連接至所述輸入端口和參考電壓，其中所述開關(guān)電路設(shè)置成當(dāng)所 述至少一個開關(guān)器件開啟時，間斷地閉合從所述傳感節(jié)點到所述參考電壓的分流路徑以復(fù) 位所述傳感節(jié)點。所述單位增益放大器包括第一輸入端口和第一輸出端口。所述第一輸入 端口耦合至所述放大器的所述輸入端口，并且設(shè)置成在所述第一輸出端口產(chǎn)生第一輸出電 壓。所述單位增益放大器耦合至一個或多個電阻器，其中所述一個或多個電阻器設(shè)置成當(dāng) 所述至少一個開關(guān)器件斷開時，將所述多個電容器拉至所述第一輸出電壓。在查閱了下面詳細的說明和附圖后，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點對于那些本領(lǐng)域普 通技術(shù)人員將更容易變得明顯。附圖簡述

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的用于記錄在人體表面的電勢的電容傳感器系統(tǒng)的一個實 施方式。圖2示出圖1的電容傳感器系統(tǒng)的第一可選實施方式，包括開關(guān)電路。圖3示出圖1的電容傳感器系統(tǒng)的第二可選實施方式，包括多個開關(guān)器件。圖4示出圖1的電容傳感器系統(tǒng)的第三可選實施方式，包括多個開關(guān)器件和用于接收放大器的電平移位輸出的次級放大器。圖5A和圖5B示出傳感板和身體表面之間的間隔距離對輸入信號增益的影響的曲 線圖。圖6A和圖6B為傳感器間隔距離對涉及輸入的噪聲的影響的曲線圖。圖7為從頭皮兩個位置測量的輸入信號的功率譜密度的曲線圖。圖8為電勢相對時間的曲線圖，示出使用本發(fā)明生物傳感器通過T恤衫采用典型 的ECG測量。圖9示出根據(jù)實施方式的使用電容傳感器系統(tǒng)測量電場的方法。發(fā)明詳述描述一種記錄在人體表面的電勢的設(shè)備。為了提供對本發(fā)明的數(shù)個實施方式的 正確理解，下面的描述提出許多具體細節(jié)，例如具體系統(tǒng)、組件、方法等的實例。然而，對于 本領(lǐng)域技術(shù)人員來說明顯的是，本發(fā)明的至少一些實施方式在沒有這些具體細節(jié)的條件下 可以被實施。在其他情況下，為了避免本發(fā)明的不必要的模糊，沒有詳細描述已知組件或方 法，或者將已知組件或方法呈現(xiàn)在單個方框圖形式中。因而，提出的具體細節(jié)僅僅是示范性 的。特定的實現(xiàn)可與這些示范性的細節(jié)不同，但是仍可預(yù)期是在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。圖1示出用于記錄在人體表面的電勢的電容傳感器系統(tǒng)的一種實施方式。電容傳 感器系統(tǒng)10包括用于電容耦合至身體表面15的傳感板40、具有輸入端口 25和輸出端口 35的放大器30。例如，電容傳感器系統(tǒng)10可以作為低噪聲無接觸EEG/ECG傳感器被實現(xiàn)。 輸入端口 25包括高阻抗正輸入和低阻抗負輸入。能夠保持傳感板40接近于身體表面15。 例如，就EEG而言，傳感器可以為分布在帽表面周圍的多個傳感器之一。傳感板40設(shè)置成 作為傳感電容器的第一板而起作用。身體表面15作為傳感電容器的另一“板”而起作用， 傳感電容器的電介質(zhì)包括在傳感板40和身體表面15之間的介質(zhì)。電介質(zhì)的一些例子包括 空氣、頭發(fā)、衣服等等。在身體表面15上的電勢的改變產(chǎn)生引起在傳感板40上的電勢的改 變的電場。傳感板40包括位于電場中的傳感節(jié)點12，其用于生成到放大器30的輸入端口 25的輸入信號。傳感板40不與身體表面15接觸。放大器30通過輸入端口接收輸入信號， 放大該輸入信號并輸出放大信號至輸出端口 35。放大器30的輸入端口 25可以包括高阻抗 輸入和低阻抗輸入。放大器30可以為電壓放大器或測量放大器。在一種實施方式中，傳感 板40連接至放大器30的高阻抗輸入用于讀出。放大器輸入偏置電流存在于放大器30的 輸入端口 25。放大器30的輸入偏置電流非常小，但是如果忽視而被留下，其將朝著供電軌 之一的方向驅(qū)動放大器30的高阻抗正輸入節(jié)點。為了防止朝著供電軌之一的方向驅(qū)動放 大器30的高阻抗正輸入節(jié)點，使用包括一個或多個開關(guān)器件的復(fù)位或開關(guān)電路。在一種實施方式中，通過使用開關(guān)器件間斷性地短暫地閉合從傳感節(jié)點12到地 (或其他參考)電位的分流路徑，電容傳感器系統(tǒng)10結(jié)合開關(guān)電路以間斷地分流閉合分流 路徑。實現(xiàn)該原理的簡化電路的實例如圖2所示，其示出了圖1的電容傳感器系統(tǒng)的一種 實施方式，包括開關(guān)電路。圖2的電容傳感器系統(tǒng)100包括電容耦合至身體表面15的傳感 板40、具有輸入端口 25和輸出端口 35的放大器30、具有第一輸入端口 45和第一輸出端口 55的第二放大器50、開關(guān)器件95、電容器60和75以及電阻器65和70。電容傳感器系統(tǒng) 100可以作為低噪聲無接觸EEG/ECG傳感器被實現(xiàn)。類似于電容傳感器系統(tǒng)10，放大器30 用于放大在放大器30的輸入端口 25接收到的輸入信號。第二放大器50包括耦合至放大器30的輸入端口 25的第一輸入端口。第二放大器50，例如單位增益放大器，設(shè)置成輸出在 放大器30的輸入端口 25上的電壓的復(fù)制(copy)。因而第二放大器50設(shè)置為單位增益以 形成在輸入端口 25上的電壓的復(fù)制。放大器30的輸入偏置電流非常小，但是如果忽視而被留下，其將朝著供電軌之一 的方向驅(qū)動放大器的高阻抗正輸入節(jié)點。使用包括開關(guān)器件95的復(fù)位電路或開關(guān)電路以 減少輸入偏置電流的影響。開關(guān)器件95可以是具有集電極端子90、基極端子80和發(fā)射極 端子85的晶體管。開關(guān)器件95、電容器60和75以及電阻器65和70可以合并到開關(guān)電路 中。在一種實施方式中，開關(guān)電路連接至放大器30的輸入端口和參考電壓。參考電壓可以 是地。開關(guān)電路間斷地閉合從傳感節(jié)點12到參考電壓的分流路徑，以復(fù)位傳感節(jié)點12。復(fù) 位傳感節(jié)點12包括復(fù)位在傳感節(jié)點12處的電壓。因而，通過被閉合以短路傳感節(jié)點12到 已知參考電壓的開關(guān)器件(例如，晶體管或繼電器)，將傳感節(jié)點12間斷性地復(fù)位。在一種 實施方式中，參考電壓在包括在放大器30的輸入共模電壓范圍內(nèi)的電壓范圍內(nèi)。在一種實 施方式中，為了閉合開關(guān)器件95的開關(guān)，輸入電容器60 (Cl)連接至參考電壓，而輸入電容 器75(C2)連接至能夠開啟開關(guān)器件95 (Si)的電壓。在一段短暫的時間后，電容器60 (Cl) 和電容器75(C2)斷開與這些電壓的連接，從而打開開關(guān)并且斷開開關(guān)器件95。當(dāng)斷開開關(guān) 器件95時，電阻器65 (Rl)和70 (R2)具有將電容器60 (Cl)和75 (C2)拉至在放大器50⑶ 的輸出端口 55上產(chǎn)生的電壓的作用。該上拉方法將在傳感節(jié)點12上的由開關(guān)器件95產(chǎn) 生的電流噪聲最小化。一般地，用于復(fù)位或分流傳感節(jié)點12的開關(guān)可以以許多不同的方式發(fā)生。圖3示 出可以使用的可選電路。圖3示出圖1的電容傳感系統(tǒng)的一種實施方式，包括多個開關(guān)器 件。圖3參考上述圖1和圖2來描述。圖3的電容傳感器電路200包括電容耦合至身體表 面15的傳感板40、具有輸入端口 25和輸出端口 35的放大器30、耦合至第二開關(guān)器件105 的第一開關(guān)器件130、電容器110，115，120和125。類似于電容傳感器系統(tǒng)10，放大器30用 于放大在放大器30的輸入端口 25接收到的輸入信號，并且在輸出端口 35輸出放大信號， 用于顯示或進一步處理。在一種實施方式中，電容器110和115提供到第二開關(guān)器件105 的輸入，并且電容器120和125提供到第一開關(guān)器件130的輸入。在一種實施方式中，第一和第二開關(guān)器件，130(S1)和105(S2)可以是金屬氧化物 場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。通過控制輸入電容器110、115、120和125，可以接通或斷開開關(guān) 器件130(S1)和105(S2)。在一種實施方式中，開關(guān)部分地復(fù)位傳感節(jié)點12。從而，開關(guān)不 能完全地復(fù)位傳感節(jié)點到地(或參考電壓)電位，而是以一小數(shù)量朝著地(或參考電壓) 移動傳感節(jié)點的電壓。當(dāng)開關(guān)器件130(S1)和105(S2)沒有開啟(OFF狀態(tài))時，開關(guān)器件 130 (Si)和105 (S2)可以用上拉或下拉電阻器被偏置，如圖2中所示的關(guān)于電阻器65和70。 在一種實施方式中，開關(guān)器件130(S1)和105(S2)周期性地每次開啟一個。在其他實施方 式中，輸入電容器125 (Cl)和110(C4)連接至參考電壓，而輸入電容器120 (C2)和115 (C3) 連接至能夠開啟開關(guān)器件95 (Si)的電壓。在輸入電容器125(C1)和110(C4)上的參考電 壓可以是電源電壓，或者在一電壓范圍內(nèi)的其他供電電壓，其中該電壓范圍包括在放大器 30的輸入共模電壓范圍內(nèi)或接近放大器30的共模范圍(CMR)的中部。開關(guān)器件130(S1) 和105(S2)激活或開啟的持續(xù)時間和/或時序可以關(guān)于在傳感節(jié)點12上電壓漂移的方向 和大小而改變。例如，當(dāng)在傳感節(jié)點12上的電壓超過給定參考值時，相比較于其他情況，開關(guān)器件130(S1)可以被激活一段較長的持續(xù)時間，和/或開關(guān)器件105(S2)可以被激活 一段較短的持續(xù)時間。相反地，當(dāng)在傳感節(jié)點12上的電壓達到給定參考值以下，開關(guān)器件 130 (Si)可以被激活一段較短的持續(xù)時間，和/或開關(guān)器件105(S2)被激活一段較長的持續(xù) 時間。一種類似的方案將調(diào)整開關(guān)激活的順序而不是開關(guān)激活的持續(xù)時間，從而當(dāng)傳感節(jié) 點12上的電壓超過參考電平時優(yōu)先地關(guān)閉開關(guān)器件130 (Si)，并且在其他情況，優(yōu)先地關(guān) 閉開關(guān)器件105(S2)。在其他實施方式中，分離的控制電路或控制模塊決定開關(guān)的周期、脈 沖持續(xù)時間和/或順序，例如，類似于用在開關(guān)功率調(diào)整器和數(shù)據(jù)變換電路設(shè)計中的脈沖 寬度調(diào)制器(PWM)電路和Delta-Sigma調(diào)制器(DSM)電路。圖4示出了圖1的電容傳感器系統(tǒng)的一種實施方式，包括多個開關(guān)器件和用于接 收第一放大器的電平移位輸出的第二放大器。圖4是電容傳感器系統(tǒng)300的具體實例，包 括如電壓、電容和電阻值的例子的具體細節(jié)。特定實現(xiàn)可與這些示范性的細節(jié)不同，但是仍 可預(yù)期是在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。圖4的電容傳感器系統(tǒng)300包括用于電容耦合至身體 表面15的傳感板40、第一放大器30、次級放大器150、開關(guān)器件135和140、電容器Cl (41. 9 納法(nF))至C5(10微法(yF))、電阻器Rl (38千歐)至R8 (20千歐)，供電電壓175(1.5 伏特)和185(1. 5伏特)、和復(fù)位電壓參考170和180，以及由電容器C5和電阻器R8形成 的電平移位。在身體表面(皮膚)15上的信號電容耦合至金屬板，例如在圖1、圖2和圖3中示 出的傳感板40。傳感板40可以結(jié)合在印刷電路板(PCB)的底部，其采用用于傳感板40或 整個電容傳感器系統(tǒng)300的電絕緣的阻焊劑來覆蓋。信號的第一放大由第一放大器30完 成。在一種實施方式中，第一放大器30是設(shè)置成增益為50的測量放大器。類似于電容傳 感器系統(tǒng)10，放大器30用于放大在放大器30的輸入端口 25接收到的輸入信號。輸入端口 包括放大器負輸入160和放大器正輸入165。在一些實施方式中，測量放大器30可以具有 3飛安培(femtoamp) (fA)的低輸入偏置電流(典型的)和0. IfA/(赫茲(Hz))^2的輸入電 流噪聲(典型的)。電容傳感器系統(tǒng)300還以結(jié)合保護引腳輸出或保護輸出190的保護電路為特色， 其遵循增益為1的放大器正輸入165。結(jié)合保護輸出190的保護電路的實現(xiàn)類似于圖2的 單位增益放大器50的實現(xiàn)。在一種實施方式中，電容傳感器系統(tǒng)300實現(xiàn)正極保護(例如， 正極保護輸出190)以維持放大器正輸入165周圍的保護環(huán)。正極保護也可以用于驅(qū)動與 傳感板40關(guān)聯(lián)的屏蔽金屬板195，其中該屏蔽金屬板195設(shè)置成最小化從不同于身體表面 (例如，頭皮)15的信號源獲得的電場。屏蔽金屬板195可作為在傳感板40上方的印刷電 路板(PCB)上的金屬內(nèi)層來實現(xiàn)。因為結(jié)合了保護輸出190的保護電路被有源驅(qū)動以使在 放大器30的輸入端口 25上的電壓倍增，這避免了信號增益的寄生電容分割。如前面所描述的，復(fù)位或開關(guān)電路可用于防止放大器的輸入偏置電流朝著放大器 30的供電軌之一驅(qū)動放大器正輸入165。開關(guān)或復(fù)位電路可包括開關(guān)器件135和140、電阻 器R5 (60千歐)和R6 (20千歐)、以及復(fù)位電壓參考170和180。例如，當(dāng)在輸入端口 25上的 電壓在包括在放大器30的輸入共模電壓范圍內(nèi)的電壓范圍內(nèi)時，開關(guān)器件135和140(例 如，晶體管)由包括復(fù)位電壓參考170和180的外部電路開啟。當(dāng)晶體管135和140關(guān)閉 或未被驅(qū)動時，例如，晶體管135和140的基極和發(fā)射極節(jié)點將被保護輸出190上拉。完成 由保護輸出190上拉晶體管135和140的基極和發(fā)射極節(jié)點，以最小化來自晶體管135和140的漏電流(且尤其是合成電流噪聲)。放大器負輸入160可用由電阻器R4 (80千歐) 和電容器C4(100微法)組成的反饋回路跟蹤緩慢變化的正輸入來進行。該回路也用于截 止頻率低于IHz的輸入信號。在輸出端口 35，測量放大器30的輸出電平移位并被發(fā)送至次級放大器150。次級 放大器150可以為運算放大器。電平移位器由電容器C5和電阻器R8形成。這是普通高通 濾波器，其用電壓Vref (1. 5V)代替放大器輸出端口 35的低頻電壓。輸出端口 35的高頻部 分不受影響地通過該電平移位器。例如，該次級放大器150可以設(shè)置成增益為20。次級放 大器150包括第二輸出端口 6和具有第二負輸入3和第二正輸入2的第二輸入端口。第二 正輸入2設(shè)置成接收測量放大器的電平移位輸出。電容器C2 (100微法)在第二負輸入3實 現(xiàn)，以便由C2在IHz處插入零點，例如用于進一步地截止頻率在IHz以下的輸入信號。通 過與Rl (38千歐)作用的Cl (41. 9納法)和與R3 (10. 5千歐)作用的C3 (150納法)，兩個 極點在IOOHz實現(xiàn)。電容器和電阻器的該組合完成了在IHz和IOOHz之間的帶通濾波器的 特性。極點和零點是表示輸入信號的傳遞函數(shù)的特性，用于實現(xiàn)濾波器。在一種實施方式 中，例如，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器145通過接口耦合至次級放大器150。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器145接收 次級放大器輸出信號，該輸出信號已經(jīng)被在次級放大器150上實現(xiàn)的帶通濾波器過濾。例 如，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器145為18比特模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其將次級放大器輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字 比特流。接口可選擇地與另外的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器145系列鏈接，以減少在一個或多個電容 傳感器系統(tǒng)中的導(dǎo)線的數(shù)量。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出連接至在諸如計算機用于在監(jiān)視器上 顯示的用戶接口上的數(shù)據(jù)采集卡，或者連接至打印機以產(chǎn)生表示例如裝置特性的測量裝置 的打印記錄。在另外的實施方式中，放大器30需要的總電流是來自+5伏特(V)和-5伏特(V) 電源(的供電軌)的lma。次級放大器150和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器145可使用單端3V供電且需 要160微安的總電流。在一些實施方式中，電容傳感器系統(tǒng)300的總功率為10. 5毫瓦，這 意味100個電容傳感器系統(tǒng)可以用電池組運行數(shù)個小時。除上述描述的實例外，有許多其他方法實現(xiàn)復(fù)位臨界傳感節(jié)點12的開關(guān)電路。例 如，開關(guān)自身可以為晶體管(雙極性的、MOSFET、JFET、MESFET，等)，繼電器(包括傳統(tǒng)繼電 器和微機械(MEMS)繼電器、機械開關(guān)、電開關(guān)等)?？蓛H有一個開關(guān)器件或幾個開關(guān)器件。 參考電壓可設(shè)置在放大器CMR、供電電壓或其他值的中部。參考電壓自身可以通過搜索最 佳值的反饋回路變化。當(dāng)認為輸入電壓或在傳感節(jié)點12上的電壓接近于CMR的極限或者 在有規(guī)律的間隔時，可以執(zhí)行開關(guān)動作。在任一情形中，可以使用控制器決定激活哪個開關(guān) 器件，何時激活它們以及激活的持續(xù)時間?？蛇x擇地，人控制器可以決定何時復(fù)位傳感節(jié)點 12。在示范性的實施方式中，電容傳感器由兩個定制的一個堆疊在另一個之上的印刷 電路板(PCB)構(gòu)成。圓形的且與美國一角硬幣( 18mm)的尺寸相近的上部PCB包括次 級放大器150、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器145和一些無源組件(例如電阻器Rl，R2，R3和電容器Cl， C2，C3)。同樣是圓形的且與美國兩角五分錢( 30mm)的尺寸相近的底部PCB擁有傳感板 15、屏蔽板195、測量放大器155以及開關(guān)器件135和140 (例如，晶體管)。在一種實施方式 中，PCB的底層是用阻焊劑覆蓋的全金屬。在可選的實施方式中，在上部PCB上的全部的或 部分的分立組件可以結(jié)合到可以直接安裝在較低的PCB的頂部的一個或多個集成電路中。
圖5A和5B示出傳感板和身體表面之間的間隔距離對輸入信號增益的影響的示范 性結(jié)果。參考圖1、2、3以及4描述圖5A和圖5B。圖5A示出在各種頻率上的輸入信號的 被測增益。輸入信號是由傳感節(jié)點12產(chǎn)生并在放大器30或155的輸入端口 25上被接收 的信號。正如關(guān)于圖4所描述的，在IHz和IOOHz之間的濾波的帶通特性在圖5A中是顯然 的。由于存在由反饋回路引起的在那里起作用的三個零點，IHz的截止可以是較陡的，其中 反饋回路由測量放大器155、在次級放大器150反饋中的電容器C2、以及由電容器C5和電 阻器R8形成的電平移位器構(gòu)成。之前討論的關(guān)于圖4中的兩個極點在頻率IOOHz處起作 用。在一種實施方式中，由傳感節(jié)點12產(chǎn)生的輸入，例如EEG輸入，可以被模擬為通過 電容器耦合至電容傳感器系統(tǒng)300的電壓源。電容可以被計算為傳感板40的面積除以傳感 板40和身體表面15 (如頭皮)之間的距離。由于在測量放大器155的放大器正輸入165上 也存在寄生電容，因此在放大器正輸入165上可以形成電容分壓器，其降低輸入信號強度。 圖5B示出在信號發(fā)生器例如身體表面和傳感板40之間，三個不同距離處的增益。隨著距離 的增加，輸入耦合電容降低，電路的全部增益也降低。在0.2mm距離處，增益是869，然而在 1. 6mm處是539以及在3. 2mm處是391。當(dāng)將有源屏蔽板195替換為無源屏蔽板時，隨著距 離的增益的降低是非常大的。帶有有源屏蔽板195的電容傳感器系統(tǒng)300(例如，EEG/ECG 傳感器)能夠在寬范圍間隔操作，正如在傳感板40和身體表面15之間碰到典型的頭發(fā)和 衣服。圖6A和圖6B為示出傳感器間隔距離對涉及輸入的噪聲的影響的取樣結(jié)果。參考 圖1、2、3和4描述圖6A和圖6B。如電容傳感器系統(tǒng)300設(shè)計的EEG傳感器設(shè)計要求具有 非常低的噪聲的放大器電路。被測量的輸入信號可以具有像數(shù)十微伏一樣低的峰-峰值， 因此在這以下的噪聲電平是令人滿意的。在一些實施方式中，因為模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器145轉(zhuǎn) 換的是已經(jīng)引起了大增益(例如，在放大器155上的增益50和在次級放大器150上的增益 20)的信號并且在18位電平上轉(zhuǎn)換，所以模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器145不是重要的噪聲源。因為次級 放大器150跟在來自放大器155的初始增益50的后面，其也沒有提供重要的噪聲。在一種 實施方式中，在頻率帶從1至IOOHz中計算的放大器155的涉及輸入(referred-to-input， RTI)電壓噪聲為大約0. 66微伏的均方根(μ Vrms)。測量放大器155的RTI電流噪聲盡管 非常小，仍被在放大器正輸入165處引入的電容所結(jié)合。假如在傳感板40和身體表面15之 間的距離為0. 2mm，該電流噪聲被轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠹s1 μ Vrms0在一種實施方式中，電容傳感器系 統(tǒng)300以結(jié)合保護引腳輸出保護輸出190和保護輸入(未示出)的電路為特色。理想地，保 護輸入保持開關(guān)器件135和140的端子在同一電壓上，保持它們的漏極噪聲電流接近于零。 電阻器R4盡管大，仍產(chǎn)生熱噪聲，因為其被在放大器155上實現(xiàn)的反饋回路降低，因此該熱 噪聲不是重要的因素。因而，總的期望RTI電壓噪聲在2. OyVrms以下。如圖6Α所示，被 測噪聲密度作為頻率的函數(shù)。使用產(chǎn)生接地的輸入信號的傳感板40，在放大器150的輸出 端口處，對于在傳感板40和身體表面之間的0. 2mm、l. 6mm和3. 2mm的距離，測量頻譜密度 估計值。這產(chǎn)生1.88 μ Vrms的被測噪聲。然后，在放大器150的輸出端口上測量的噪聲被 兩個放大器的在圖5中的被測中頻帶增益(例如，794或58dB)所分離。為了比較噪聲量值 和感興趣的輸入信號的量值，進行涉及輸入的噪聲(RTI)的該處理。在感興趣的頻率范圍 內(nèi)(I-IOOHz)的總噪聲可以通過在該范圍內(nèi)結(jié)合如圖6A所示的噪聲含量來獲得。圖6B示出對于三個距離的該計算的結(jié)果。圖6B還示出使用從電路中的多種元件貢獻的噪聲的估 計值理論地計算的噪聲。對于在傳感板40和身體表面15之間的距離為0. 2mm，被測總噪聲 為l.SSyVrms。當(dāng)在傳感板40和身體表面15之間的間隔距離增加時，耦合電容降低。然 后，電流噪聲被結(jié)合在較大的電壓噪聲值中。然后，電流噪聲被結(jié)合在較大的電壓噪聲值中。圖6B示出理論地計算的噪聲連同 在與用于圖6A的增益測量的三個相同的距離上的測量值。涉及輸入的rms噪聲在I-IOOHz 頻率帶上對于三個間隔距離被測量，并且與理想期望噪聲相比較。理想曲線說明了放大器 155的電流和涉及電壓輸入的噪聲和在放大器155的輸入端口 25的電容分割。圖7為在根據(jù)本發(fā)明所構(gòu)建的模型的測試期間從測試對象頭部的兩個位置測量 的輸入信號的功率譜密度的曲線圖。例如，在一種實施方式中，使用頭飾帶將傳感板40壓 在對象頭部上。第一傳感板40位于頭部的后部(在頭發(fā)之上)，而第二傳感板位于耳朵的 后部以用作參考。當(dāng)對象先閉上他的眼睛12秒鐘，然后保持它們睜開相同的時間量的時 候，記錄兩個傳感器之間的壓差。圖7示出了來自這兩塊時間的數(shù)據(jù)的頻率譜密度。例如， 正像通常在EEG實驗中所觀察到的，當(dāng)眼睛閉上時，可以清楚的看到在IOHz附近的阿爾法 (alpha)頻率帶內(nèi)增加的功率。圖8為使用根據(jù)本發(fā)明所構(gòu)造的傳感器通過對象的T恤衫測量的取樣ECG電壓的 記錄。該曲線圖描述了位于心臟附近的兩個傳感板40之間的電勢差。傳感板中的一個位 于胸部之上、心臟區(qū)域的上面，并且第二傳感板位于胸部的側(cè)面用作參考。兩個傳感板40 均被放置在對象的T恤衫的外面。圖8所示為4秒的記錄，其可通過監(jiān)控器和/或打印機顯不。圖9示出使用根據(jù)一種實施方式的電容傳感器系統(tǒng)測量身體表面電場的方法的 一個實例。該方法可以在圖2、3和4中的電容傳感器系統(tǒng)100、200或300中實現(xiàn)。在塊 400，過程以將傳感板40電容耦合至身體表面15開始。在身體表面15上的電勢的改變產(chǎn) 生了引起傳感板40的電勢的改變的電場。傳感板40未與身體表面15接觸。在塊405，在 與傳感板40關(guān)聯(lián)的傳感節(jié)點12處產(chǎn)生輸入信號。產(chǎn)生的輸入信號基于電場中傳感節(jié)點12 位于的傳感板40的電勢的改變。然后過程繼續(xù)到塊410，其中輸入信號被具有輸入端口和 輸出端口的放大器放大。放大器設(shè)置成在輸入端口接收輸入信號，并在輸出端口產(chǎn)生輸出 信號，其中輸出信號基于輸入信號的放大。最后，在塊415，使用開關(guān)電路間斷地關(guān)閉分流路 徑，以復(fù)位連接到輸入端口的傳感節(jié)點，其中開關(guān)電路連接至輸入端口和參考電壓。上述系統(tǒng)和方法可以用于由大腦產(chǎn)生的腦電圖(EEG)信號的測量，用于大腦-計 算機接口。該系統(tǒng)和方法還可以用在心電圖(ECG)中用于心臟檢測，以及在肌電圖(EMG)中 用于肌肉活動記錄。不同于大多數(shù)的其他EEG/ECG/EMG傳感器的設(shè)計，上述電容傳感器系 統(tǒng)和方法實質(zhì)上是電容性的，并且因此不需要身體的或歐姆的接觸到身體表面，比如皮膚。 大多數(shù)現(xiàn)有傳感器要求通過傳導(dǎo)凝膠的應(yīng)用和/或摩擦皮膚的制劑電接觸到皮膚，在本發(fā) 明中避免了這兩種情況。電容傳感器系統(tǒng)和方法可以在比如醫(yī)學(xué)診斷設(shè)備、神經(jīng)修復(fù)、生物反饋、神經(jīng)圖 像、大腦-計算機接口以及交互式計算機模擬的EEG帽實現(xiàn)。電容傳感器系統(tǒng)和方法可以在 EEG傳感器接口到計算機模擬軟件中是有用的，并且可以用于工業(yè)應(yīng)用，比如電子制造業(yè)中 的靜電積累的監(jiān)控。
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這里描述的實施方式實現(xiàn)了上述特征，同時對傳感節(jié)點12產(chǎn)生盡可能小的噪聲。 僅僅在開關(guān)器件被激活的時間的短持續(xù)時間內(nèi)產(chǎn)生一點噪聲。此外，開關(guān)操作允許用非常 低的電阻值替換高電阻值，從而在激活期間產(chǎn)生較低熱噪聲譜密度。這里描述的多個實施方式提供了一種利用開關(guān)電路對付放大器的臨界輸入端口 處不利的電流的裝置，該開關(guān)電路間斷地復(fù)位或分流傳感節(jié)點。如上所述，發(fā)明的電路的開 關(guān)特性顯現(xiàn)出在低功率電路將極少的電路噪聲注入臨界傳感節(jié)點的優(yōu)點。本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員應(yīng)理解，與在此公開的上述附圖和實施方式相關(guān)描述的各 種用作說明的模塊和方法步驟通?？梢宰鳛殡娮佑布?、軟件、固件或其組合來實現(xiàn)。為了清 晰的說明硬件和軟件的該可交換性，通常就它們的功能方面而言，各種用作說明的模塊和 方法步驟已經(jīng)在上面被描述。這種功能是作為硬件還是軟件被實現(xiàn)，取決于特定應(yīng)用和加 在整個系統(tǒng)上的設(shè)計約束條件。技術(shù)人員可以對于每個特定應(yīng)用通過不同的方法實現(xiàn)上述 功能，但這種實現(xiàn)的決定不應(yīng)被解釋為導(dǎo)致背離本發(fā)明的范圍的原因。另外，模塊或步驟中 的功能組是容易描述的。具體功能可以從一個模塊或步驟移到另一個，而沒有背離本發(fā)明。此外，與在此公開的實施方式有關(guān)的各種用作說明的模塊和方法步驟可以用硬件 實現(xiàn)或執(zhí)行，硬件例如為通用處理器、數(shù)字信號處理器(“DSP”)、專用集成電路(“ASIC”)、 現(xiàn)場可編程門陣列(“FPGA”)或其他可編程邏輯器件、離散門或晶體管邏輯、離散硬件組 件、或設(shè)計為執(zhí)行在此描述的功能的其任意組合。通用處理器是硬件，且可以是微處理器， 但可選的，該處理器可以是任何硬件處理器或控制器、微控制器。處理器還可以作為計算器 件的組合來實現(xiàn)，例如，DSP和微處理器的組合、多個微處理器、與DSP核心聯(lián)合的一個或多 個微處理器、或任意其他此類配置。另外，結(jié)合與此處公開的實施方式所描述的方法或算法的步驟可以直接在硬件、 由處理器執(zhí)行的軟件模塊、或二者的組合中實施。軟件模塊可以駐留在易于獲得讀取介質(zhì) 的計算機或控制器中，讀取介質(zhì)包括RAM存儲器、閃存、ROM存儲器、EPROM存儲器、EEPROM 存儲器、寄存器、硬盤、可移動磁盤、CD-ROM、或包括網(wǎng)絡(luò)存儲介質(zhì)的其他任何形式的存儲介 質(zhì)。典型的存儲介質(zhì)可以耦合至處理器，以使處理器可以從存儲介質(zhì)中讀取信息，并向存儲 介質(zhì)中寫入信息?？蛇x地，存儲介質(zhì)可以是構(gòu)成處理器所需要的。處理器和存儲介質(zhì)還可 以駐留在ASIC中。提供的公開的實施方式的上述描述使任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠進行或使用本 發(fā)明。對本領(lǐng)域那些技術(shù)人員而言，這些實施方式的各種更改是明顯的，并且此處描述的一 般原則可以被應(yīng)用于其他實施方式，而不背離本發(fā)明的精神和范圍。從而，應(yīng)理解的是在此 呈現(xiàn)的描述和附圖是本發(fā)明典型的實施方式，并且因此是由本發(fā)明廣泛地預(yù)期的主題的代 表。進一步應(yīng)理解的是，本發(fā)明的范圍包含其他實施方式，且本發(fā)明的范圍僅僅被所附的權(quán) 利要求相應(yīng)地限制。參考文獻提供一般的背景信息的以下參考文獻的教導(dǎo)通過引用在此并入。[1] 2006 年 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (IEEE 生物醫(yī) 學(xué)電路和系統(tǒng)會議)，J. C. Chiou, Li-Wei Ko, Chin-Teng Lin, Chao-TingHong, Tzyy-Ping Jung 的“Using Novel MEMS EEG Sensors in DetectingDrowsiness Application (在探測 睡意應(yīng)用中使用新穎的MEMS EEG傳感器)”。
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[2] 1969 年 IEEE transactions on Biomedical Engineering (IEEE 生物醫(yī)學(xué)工程 學(xué)報)第 16 卷第 99 頁,A. Lopez 和 P. C. Richardson 的"Capacitiveeletrocardiographic and bioelectric electrodes (電容性心電圖儀和生物電電極)”。[3] IEEE transactions on Biomedical Engineering (IEEE 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報) 第 188 卷第 299-300 頁，Τ. Matsuo, K. Iinuma，和 Μ. Esashi 的“Abarium-titanate—ceramics capacitive-type EEG electrode (鈦酸鋇陶瓷電容型 EEG 電極)”。[4] 2000 年 Measurement Science and Technology (測量科學(xué)與技術(shù))第 11 卷第 291-297 頁，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(用于人體掃描的超低噪聲電勢探測器)”。[5] 2OO2 年 Measurement Science and Technology (測量科學(xué)與技術(shù))第 I3 卷第 163-169 頁，C. J. Harland, T. D. Clark 和R. J. Prance 的"Electricpotential probes-new directions in the remote sensing of the human body (電勢探測器-在人體遠禾呈傳感 中的新用法)”。[6]2005 $ 7 月 22-27 H Proceedings of the 11th International Conferenceon Human-Computer Interaction (人機交互的第 11 次國際會議學(xué)報)， R. Matthews, N. J. McDonald, I. Fridman, P, Hervieux, \)JsR T. Nielsen 的"The invisible electrode-zero prep time,ultra low capacitive sensing(隱形電極-零予頁備時間、超 低電容傳感)”。[7]2006 $ IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (IEEE t 物醫(yī)學(xué)電路和系統(tǒng)會議)，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、無線、低功率ECG 監(jiān)控系統(tǒng))”。[8] 2007 年 5 月 2-4 日 Proceedings of the SPIE Conference onBioengineered and Bioinspired Systems III (生物工程和生物激發(fā)系統(tǒng)II的SPIE會議學(xué)報)，J. Errera 和 H. S. Sack 的 “Dielectric properties of animalf ibers (動物纖維的電介質(zhì)特性)，，。[9] 2007 年 5 月 2-4 日 Proceedings of the SPIE Conference onBioengineered and Bioinspired Systems III (生物工程和生物激發(fā)系統(tǒng)III的SPIE會議學(xué)報)， T.Sullivan, S.Deiss, Τ. P. Jung, 和 G. Cauwenberghs 的"Alow-Noise, Low-Power EEG acquisition Node for Scalable Brain-Machinelnterfaces (用于可擴展的腦機接口 的低 噪聲、低功率EEG獲取節(jié)點)”。
權(quán)利要求
一種用于測量電場的傳感器，所述系統(tǒng)包括傳感板，該傳感板電容耦合至身體表面，其中在所述身體表面的電勢的改變產(chǎn)生了引起所述傳感板的電勢的改變的電場，所述傳感板包括位于所述電場中的用于自所述電場產(chǎn)生輸入信號的傳感節(jié)點，所述傳感板通過居間的物質(zhì)與所述身體表面分離；放大器，該放大器設(shè)置成放大所述輸入信號，所述放大器具有輸入端口和輸出端口，所述放大器設(shè)置成在所述輸入端口接收所述輸入信號并在所述輸出端口產(chǎn)生放大的輸出信號；以及開關(guān)電路，該開關(guān)電路連接至所述輸入端口和參考電壓，所述開關(guān)電路設(shè)置成間斷地閉合從所述傳感節(jié)點到所述參考電壓的分流路徑，以復(fù)位連接至所述輸入端口的所述傳感節(jié)點。
2.如權(quán)利要求1所述的用于測量電場的傳感器，其中所述參考電壓是接地。
3.如權(quán)利要求1所述的用于測量電場的傳感器，其中所述參考電壓在包括在所述放大 器的輸入共模電壓范圍內(nèi)的電壓的范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1所述的用于測量電場的傳感器，其中所述開關(guān)電路包括至少一個開關(guān) 器件。
5.如權(quán)利要求4所述的用于測量電場的傳感器，其中所述至少一個開關(guān)器件是晶體管。
6.如權(quán)利要求1所述的用于測量電場的傳感器，還包括單位增益放大器，該單位增益 放大器具有耦合至所述放大器的所述輸入端口的第一輸入端口，所述單位增益放大器設(shè)置 成輸出在所述放大器的所述輸入端口的電壓的復(fù)制。
7.如權(quán)利要求4所述的用于測量電場的傳感器，其中所述開關(guān)電路還包括多個電容 器，所述多個電容器中的至少第一電容器連接至所述參考電壓，以及所述多個電容器中的 至少第二電容器連接至能夠開啟所述至少一個開關(guān)器件的激活電壓。
8.如權(quán)利要求4所述的用于測量電場的傳感器，其中所述至少一個開關(guān)器件通過控制 多個電容器的輸入而被開啟和關(guān)閉，該多個電容器設(shè)置成對所述至少一個開關(guān)器件產(chǎn)生激 活電壓。
9.如權(quán)利要求7所述的用于測量電場的傳感器，還包括具有第一輸入端口和第一輸 出端口的單位增益放大器，所述第一輸入端口耦合至所述放大器的所述輸入端口，所述單 位增益放大器設(shè)置成在所述第一輸出端口產(chǎn)生第一輸出電壓，其中，所述第一輸出電壓是 在所述放大器的所述輸入端口的電壓的復(fù)制，所述單位增益放大器耦合至一個或多個電阻 器，所述一個或多個電阻器設(shè)置成當(dāng)所述至少一個開關(guān)器件斷開時，將所述多個電容器拉 至所述第一輸出電壓。
10.如權(quán)利要求1所述的用于測量電場的傳感器，其中所述放大器的所述輸入端口包 括高阻抗輸入和低阻抗輸入。
11.如權(quán)利要求1所述的用于測量電場的傳感器，其中所述傳感節(jié)點耦合至所述放大 器的所述高阻抗輸入。
12.如權(quán)利要求1所述的用于測量電場的傳感器，其中所述身體表面是人的身體表面。
13.如權(quán)利要求1所述的用于測量電場的傳感器，其中所述傳感電容器的電介質(zhì)包括 在所述傳感板和所述身體表面之間的居間的物質(zhì)。2
14.如權(quán)利要求13所述的用于測量電場的傳感器，其中所述電介質(zhì)包括空氣、頭發(fā)和 衣服中的一個。
15.如權(quán)利要求1所述的用于測量電場的傳感器，其中所述放大器是電壓放大器。
16.如權(quán)利要求15所述的用于測量電場的傳感器，其中所述傳感板連接至所述電壓放 大器的所述高阻抗輸入。
17.如權(quán)利要求1所述的用于測量電場的傳感器，其中所述傳感板設(shè)置成起到傳感電 容器的第一板的作用，并且所述身體表面起到所述傳感電容器的第二板的作用。
18.如權(quán)利要求1所述的用于測量電場的傳感器，還包括至少一個耦合至所述開關(guān)電 路的復(fù)位電路，用于開啟或關(guān)閉所述至少一個開關(guān)器件。
19.如權(quán)利要求4所述的用于測量電場的傳感器，其中所述至少一個開關(guān)器件包括第 一開關(guān)器件和第二開關(guān)器件。
20.如權(quán)利要求19所述的用于測量電場的傳感器，其中所述至少一個開關(guān)器件的開關(guān) 操作部分地復(fù)位所述傳感節(jié)點。
21.如權(quán)利要求20所述的用于測量電場的傳感器，其中所述傳感節(jié)點的部分的復(fù)位包 括以一個數(shù)量朝著電壓參考的方向改變在所述傳感節(jié)點處的電壓。
22.如權(quán)利要求20所述的用于測量電場的傳感器，其中所述第一開關(guān)器件和所述第二 開關(guān)器件周期性地一次一個地被激活。
23.如權(quán)利要求22所述的用于測量電場的傳感器，其中所述第一開關(guān)器件和所述第二 開關(guān)器件被激活的時間的持續(xù)時間基于在所述傳感節(jié)點上電壓漂移的方向和大小。
24.如權(quán)利要求22所述的用于測量電場的傳感器，其中所述第一開關(guān)器件和所述第二 開關(guān)器件被激活的順序基于在所述傳感節(jié)點上電壓漂移的方向和大小。
25.如權(quán)利要求22所述的用于測量電場的傳感器，其中控制模塊控制周期、脈沖寬度 和開關(guān)操作的順序中的一個。
26.如權(quán)利要求1所述的用于測量電場的傳感器，其中所述參考電壓被反饋回路改變， 該反饋回路設(shè)置成使所述參考電壓最優(yōu)化。
27.如權(quán)利要求4所述的用于測量電場的傳感器，其中當(dāng)在所述輸入信號上的電壓接 近包括在所述放大器的所述輸入共模電壓范圍內(nèi)的電壓的范圍的界限時，所述至少一個開 關(guān)器件被激活。
28.如權(quán)利要求1所述的用于測量電場的傳感器，還包括保護輸出，該保護輸出設(shè)置成 遵循具有正輸入和負輸入的且增益為1的所述輸入端口。
29.如權(quán)利要求28所述的用于測量電場的傳感器，其中所述保護輸出設(shè)置成支持在所 述正輸入周圍的保護環(huán)。
30.如權(quán)利要求28所述的用于測量電場的傳感器，其中所述保護輸出設(shè)置成驅(qū)動與所 述傳感板關(guān)聯(lián)的屏蔽金屬板，以最小化從除了所述身體表面以外的源獲得的電場。
31.如權(quán)利要求7所述的用于測量電場的傳感器，還包括保護輸出，該保護輸出設(shè)置成 當(dāng)所述至少一個開關(guān)器件斷開時，上拉所述至少一個開關(guān)器件的基極節(jié)點和發(fā)射極節(jié)點。
32.一種用于測量電場的傳感器，所述系統(tǒng)包括傳感板，該傳感板電容耦合至身體表面，其中在所述身體表面的電勢的改變產(chǎn)生引起 所述傳感板的電勢的改變的電場，所述傳感板包括位于所述電場中的用于自所述電場產(chǎn)生信號的傳感節(jié)點，所述傳感板通過居間的物質(zhì)與所述身體表面分離；放大器，該放大器設(shè)置成放大所述輸入信號，所述放大器具有輸入端口和輸出端口，所 述放大器設(shè)置成在所述輸入端口接收所述輸入信號并在所述輸出端口產(chǎn)生放大的輸出信 號；包括至少一個開關(guān)器件的開關(guān)電路和包括多個電容器的復(fù)位電路，所述多個電容器設(shè) 置成對所述至少一個開關(guān)器件產(chǎn)生激活電壓以開啟或激活所述至少一個開關(guān)器件，所述開 關(guān)電路連接至所述所述輸入端口和參考電壓，所述開關(guān)電路設(shè)置成當(dāng)所述至少一個開關(guān)器 件開啟時，間斷地閉合從所述傳感節(jié)點到所述參考電壓的分流路徑，以復(fù)位連接至所述輸 入端口的所述傳感節(jié)點；以及單位增益放大器，該單位增益放大器具有第一輸入端口和第一輸出端口，所述第一輸 入端口耦合至所述放大器的所述輸入端口，所述單位增益放大器設(shè)置成在所述第一輸出端 口產(chǎn)生第一輸出電壓，所述單位增益放大器耦合至一個或多個電阻器，其中所述一個或多 個電阻器設(shè)置成當(dāng)所述至少一個開關(guān)器件斷開時，將所述多個電容器拉至所述第一輸出電 壓。
33.如權(quán)利要求32所述的用于測量電場的傳感器，其中為了開啟所述至少一個開關(guān)器 件，所述多個電容器中的至少第一電容器連接至所述參考電壓，并且所述多個電容器中的 至少第二電容器連接至能夠開啟所述至少一個開關(guān)器件的電壓。
34.如權(quán)利要求32所述的用于測量電場的傳感器，其中開啟所述至少一個開關(guān)器件包 括閉合所述至少一個開關(guān)器件的開關(guān)。
35.如權(quán)利要求34所述的用于測量電場的傳感器，其中所述開關(guān)閉合以短路所述傳感 節(jié)點至所述參考電壓。
36.如權(quán)利要求32所述的用于測量電場的傳感器，其中所述參考電壓是接地。
37.如權(quán)利要求32所述的用于測量電場的傳感器，其中所述傳感板設(shè)置成起到傳感電 容器的第一板的作用，并且所述身體表面起到所述傳感電容器的第二板的作用。
38.如權(quán)利要求32所述的用于測量電場的傳感器，其中所述第一輸出電壓是在所述放 大器的所述輸入端口的所述電壓的復(fù)制。
全文摘要
描述了一種電容傳感器系統(tǒng)，其包括傳感板、放大器和開關(guān)電路。傳感板電容耦合至身體表面。在身體表面上的電勢的改變產(chǎn)生了引起傳感板的電勢的改變的電場。傳感板包括位于電場的傳感節(jié)點，用于自電場產(chǎn)生輸入信號。傳感板不與身體表面接觸。放大器在輸入端口接收輸入信號，放大輸入信號并在輸出端口產(chǎn)生輸出信號。開關(guān)電路連接至輸入端口和參考電壓。開關(guān)電路間斷地閉合從傳感節(jié)點到參考電壓的分流路徑，以復(fù)位在傳感節(jié)點上的電壓。
文檔編號A61B5/04GK101902958SQ200880122079
公開日2010年12月1日 申請日期2008年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月28日
發(fā)明者托馬斯·J·沙利文, 斯蒂芬·R·戴斯, 格特·考文貝赫 申請人:加利福尼亞大學(xué)董事會