Design of Capacitive Bio-Sensor 電容式生理訊號感測器之研製 Presenter: Rui-An Chang Adviser: Dr. Hung-Chi Yang Chairman: Dr. Hung-Chi Yang Date: 04.10.2013

Outline Introduction Paper Review Purposes Methods & Materials Result Future Works References

Introduction The traditional electrocardiogram instrument 傳統的心電圖儀器 The traditional electrocardiogram instrument

Introduction Basic capacitive theory 4 By Gauss' law 假設，給定電容器的幾何形狀和電容器內部的介質性質，則可以計算出電容。如前圖所示，假設平行板電容器的兩片導板的面積都是，間隔距離為，則兩片導板的面電荷密度分別為 應用高斯定律（詳盡細節，請參閱條目電位移），在兩片導板之間的電場 為其中，是介質的電容率。兩片導板的電勢差為所以，電容為 。 A: The area of the plates d: Distance between the plates Q: Quantity of charge ε: Dielectric of capacitor E: Electric field

Introduction Basic capacitive sensor 5 電容式開關是由兩條毗鄰的箔線形成的電容，二者間所形成的電容量由物理學原理所決定。如果把一個導體(如手指)放到離這兩個板很近的地方，就會形成一個與 該感測器呈並聯關係的電容。把手指放到電容式感測器上，電容量將會增加；移開手指，電容量就會減少。只要測量該電容量，即可確定是否有手指放在那裡

Paper Review(1/2) A Wireless Wearable ECG Sensor for Long-Term Applications 長期應用的無線可穿戴式心電圖傳感器 一般來說 低頻訊號不利於傳輸 載波是指被調製以傳輸信號的波形，一般為正弦波。一般要求正弦載波的頻率遠遠高於調製信號的頻寬， 否則會發生混疊，使傳輸信號失真。 可以這樣理解，我們一般需要發送的數據的頻率是低頻的，如果按照本身的數據的頻率來傳輸，不利於接收和同步。使用載波傳輸，我們可以將數據的信號加載到載 波的信號上，接收方按照載波的頻率來接收數據信號，有意義的信號波的波幅與無意義的信號的波幅是不同的，將這些信號提取出來就是我們需要的數據信號。 Ebrahim Nemati, M. Jamal Deen, and Tapas Mondal, McMaster University. IEEE Communications Magazine • January 2012

Paper Review(2/2) Wireless Non-contact Cardiac and Neural Monitoring 圖2：的非接觸型，電容電極的圖片。該傳感器是在一個標準的製造 印刷電路板，其中包含擴增呃上的電路 頂部和感測板的底部上。 Wireless Non-contact Cardiac and Neural Monitoring Yu M. Chi, Patrick Ng, UCSD, 2010

Purposes The purpose of this study for design the capacitive sensor and this sensor can measure physiological signal by single side. To compare with traditional Multi-point electrodes, this study will improve the patient uncomfortable and convenience . 本研究的目的的設計的電容式傳感器，該傳感器可以由單點測量生理信號。 與傳統的三點電極相比較，本研究將改善病人的不舒服和方便。

Purposes The proposed capacitive sensor is used by the exch- anges signals to stimulate which use the relationship between the capacitance and electric field to sense physiological signals. 本研究所提出的電容式感測器是使用交流訊號來激發，運用了容抗與電場之間的關係來感測生理訊號

Excitation circuit wiring Methods & Materials Excitation circuit wiring Entity

Methods & Materials

Methods & Materials System Architecture Excitation circuit Body Excitation circuit Conversion circuit DAQ -card LabView filtering Result 轉換電路 激發電路 ni9234 軟體濾波 結果 Electrode Media

Methods & Materials Substrate Software Hardware FR4 (εr= 4.4, h = 1.6 mm) Software Altium Protel 99 SE LabView Hardware National Instruments NI9234

Methods & Materials Capacitive Sensor Design 15mm 3.5mm 1.87mm 9.63mm 電容式感測器設計 面積同大小 原因介紹 Non-contact electrode Structure

Methods & Materials DAQcard NI9234 Receiver NI9234 LabView Result 數據採集卡 NI 9234 為 4 個通道的 C 系列動態訊號擷取模組，可透過 NICompactDAQ 或 CompactRIO 系統，進行整合式電子壓電 (IEPE) 與非 IEPE 感測器的高精確度聲音頻率量測。NI 9234 具有 102 dB 動態範圍，並整合以軟體進行選擇的 IEPE 訊號處理功能，適用於加速規與麥克風。4 個輸入通道以每通道最高 51.2 kHz 傳輸率，同步進行訊號的數位化作業，而內建抗交疊濾波器可自動調整所需的取樣率 。 DAQcard NI9234 Receiver NI9234 LabView Result

Methods & Materials Excitation circuit Copper foil Excitation circuit Conversion circuit Copper foil Conversion circuit Copper foil Copper foil Electrode Electrode

Methods & Materials G

Methods & Materials Pork Size : 13.5 cm * 7.5 cm * 1cm

Result Square Wave 2Hz

Result Square Wave 25Hz

Result 電流&電場強度

Future Works Power supply. Signal amplification. The complete wave & Back-end analysis.

References Ebrahim Nemati, M. Jamal Deen, and Tapas Mondal, McMaster University. IEEE Communications Magazine • January 2012 Wireless Non-contact Cardiac and Neural Monitoring Yu M. Chi, Patrick Ng, UCSD, 2010 陳玉銘, “主動式電容式生理訊號感測器之研製” 南台科技大學,電機工程系,碩士學位論,July,2012

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