电子技术生物传感集成微系统构建及复杂环境下多参数同步检测精度提升

一、引言

随着科技的不断发展，生物传感技术在多个领域的应用日益广泛。2022 年发布的《生物传感技术应用发展规划》强调了提升生物传感技术性能及在复杂环境下应用的重要性。基于电子技术的生物传感集成微系统采用模块化架构，核心部件传感器阵列感知生物信号，经信号调理、数据采集与传输等模块协同工作实现高效处理。微机电系统等技术确保系统微型化与性能提升，同时考虑环境温度波动、电磁干扰等因素，通过建立数学模型、设计补偿框架等方法提升复杂环境下多参数同步检测精度。

二、生物传感集成微系统构建

（一）生物传感集成微系统架构设计

传感器阵列是核心部件，用于感知生物信号，其设计需考虑生物特异性和灵敏度[1]。信号调理电路对传感器输出的微弱信号进行放大、滤波等处理，以提高信号质量。数据采集与传输单元负责将调理后的信号转换为数字信号并传输至后续处理模块。这种集成方案确保了各模块间的协同工作，为复杂环境下多参数同步检测奠定了基础。

（二）微纳加工技术与封装工艺

微机电系统（MEMS）加工技术能够实现系统的微型化，通过精确的微纳加工工艺，制造出微小的传感器部件，提高系统的集成度[2]。三维异构集成技术进一步优化了系统结构，增强了各组件之间的协同工作能力，提升了系统的整体性能。同时，生物兼容性封装技术保证了系统在生物环境中的稳定性和可靠性，避免生物分子与封装材料发生不良反应。

三、复杂环境下多参数检测干扰机理

（一）温度漂移与噪声耦合效应

温度变化可导致基底材料的物理性质改变，如热膨胀系数不同引起的尺寸变化，影响传感器的灵敏度和准确性[3]。同时，温度波动会在信号链路中引入噪声，这种噪声与温度漂移相互耦合,进一步复杂了传感器的输出信号，降低了检测精度。例如，温度变化可能影响电子元件的性能，导致电路中的电流、电压不稳定，产生热噪声等。

（二）电磁干扰抑制策略

为抑制电磁干扰，提出基于屏蔽结构优化与自适应滤波算法的电磁兼容性增强方法[4]。通过优化屏蔽结构，可有效阻挡外界电磁辐射进入检测系统，减少干扰源对检测信号的影响。同时，自适应滤波算法能够根据实时检测到的干扰信号特征，自动调整滤波器参数，对干扰信号进行有效抑制，从而提高检测系统在复杂电磁环境下的稳定性和准确性。

（三）多物理量交叉敏感建模

在复杂环境下，针对电化学、光学与力学参数同步检测，需建立耦合干扰数学模型。考虑各参数间相互作用，通过分析其物理机制，确定影响因素。例如，电化学过程中离子浓度变化可能影响光学信号传输，力学作用可能改变电极表面性质进而影响电化学响应。基于这些物理关系，运用数学工具，如偏微分方程等，描述各参数间的耦合关系，构建能够准确反映多物理量交叉敏感的数学模型，为后续研究干扰机理及提升检测精度奠定基础。

（四）动态环境自适应补偿算法

设计基于卡尔曼滤波与深度学习的实时环境参数补偿框架，利用卡尔曼滤波对动态环境下的噪声和干扰进行实时估计和滤除，提高检测信号的稳定性和准确性。同时，结合深度学习算法挖掘环境参数与检测信号之间的复杂非线性关系，进一步优化补偿效果。通过融合两种方法的优势，构建高效的实时环境参数补偿框架，以应对复杂环境下多参数检测面临的干扰问题。

四、多参数同步检测精度提升方法

（一）高精度信号调理电路设计

开发低噪声放大电路，通过合理选择放大器元件及优化电路结构，降低噪声对信号的干扰，提高信号的质量和可检测性。设计高分辨率 ADC 模

块，确保能够精确地对模拟信号进行数字化转换，提高检测的精度。同时，研究抗混叠滤波器优化方案，有效滤除高频噪声和干扰信号，防止信号混叠，保证检测信号的准确性和稳定性。

（二）多模态数据融合技术

在特征级融合方面，提取多模态数据的关键特征，通过特定算法将其融合，以获取更全面准确的特征表示。在决策级融合中，对不同模态数据单独进行决策，然后依据融合策略综合决策结果，提高检测精度。该方法能充分利用多模态数据的优势，有效处理复杂环境下的多参数同步检测问题，提升系统的准确性和可靠性。

（三）在线校准与误差修正机制

构建基于参考传感器反馈的闭环校准系统，参考传感器实时监测环境参数，与检测传感器数据对比，若出现偏差，系统自动调整检测传感器的校准参数，确保测量准确性。同时，建立非线性误差补偿模型，通过对大量实验数据的分析，确定误差与各影响因素之间的关系，利用数学方法对检测结果进行修正，有效降低非线性误差对多参数同步检测精度的影响。

五、实验验证与性能分析

（一）实验平台搭建与测试场景设计

搭建实验平台以模拟复杂环境，包括高低温循环、振动冲击及多离子干扰复合环境。采用特制实验装置，通过精确的温度控制模块实现高低温循环模拟，设置不同的温度范围和循环次数。利用振动发生装置施加不同频率和强度的振动冲击。对于多离子干扰，配置特定离子浓度的溶液环境。测试场景设计涵盖不同环境因素的组合，以全面评估电子技术生物传感集成微系统在复杂环境下的性能。

（二）多参数同步检测实验结果

在多参数同步检测实验中，针对 pH 值、葡萄糖浓度及血氧饱和度等参数进行了检测。实验结果显示，pH 值检测精度在一定范围内保持稳定，误差控制在可接受水平。葡萄糖浓度检测数据与标准值具有较高的吻合度，其准确性和稳定性良好。血氧饱和度的检测也呈现出令人满意的结果，在不同模拟环境下均能保持相对稳定的检测精度，为复杂环境下的多参数同步检测提供了可靠的数据支持。

（三）与传统方法的对比分析

对构建的电子技术生物传感集成微系统与传统方法从响应时间、检测限和抗干扰能力维度进行量化性能对比评估。结果显示在响应时间上，该系统具有明显优势，能快速给出检测结果。在检测限方面，其灵敏度更高，可检测到更低浓度的目标物质。抗干扰能力也更强，在复杂环境中能有效排除干扰因素，准确检测目标参数，综合性能优于传统方法。

六、结论

本研究成功构建了电子技术生物传感集成微系统，并实现了复杂环境下多参数同步检测精度的提升。微系统集成架构具有创新性，整合了多种技术优势，提升精度的技术也为检测准确性提供了有力保障。该系统在可穿戴医疗领域有望实现对人体生理参数的精准实时监测，为疾病预防和诊断提供支持；在环境监测领域，可对多种环境参数进行同步检测，及时反馈环境质量信息。未来，该系统具有广阔的应用前景和发展潜力。

参考文献

[1]周薇娜,孙丽华,徐志京.复杂环境下多尺度行人实时检测方法[J].电子与信息学报,2021,43(7):2063-2070.

[2]李飞翔,赵乐文,唐歌实.复杂观测环境下 GNSS 信号分类及精度评估[J].大地测量与地球动力学,2022,42(8):852-856.

[3]张鹏,孙晓冬,朱家和,等.集成微系统多物理场耦合效应仿真关键技术综述[J].电子与封装,2021,21(10):41-53.

[4]徐公国,蔡利兵,杜配冰,等.复杂环境下多探测传感器协同定位优化布站建模仿真研究[J].系统仿真学报,2022,34(10):2171-2180.