微型傳感器醫(yī)療應(yīng)用提供大量設(shè)計(jì)選擇

來設(shè)計(jì)在一個(gè)日益縮小的空間的限制范圍內(nèi)可靠，精確的傳感器功能的能力是在廣泛的應(yīng)用是關(guān)鍵性的 - 與一個(gè)困難的要求。然而，在其他好處，小型化，其中包括裁員模塊系統(tǒng)，可以釋放寶貴的電路板空間，并為設(shè)計(jì)人員提供更大的靈活性來定位組件在印刷電路板(PCB)，減少干擾。

醫(yī)療行業(yè)仍然是傳感器小型化的主要驅(qū)動(dòng)力，以及超可靠性極小，準(zhǔn)確的傳感器所需的人體，在那里它們?cè)卺t(yī)療過程如關(guān)節(jié)置換術(shù)(力傳感器在聯(lián)合采用具有很大的希望內(nèi)部應(yīng)用更換)和脊柱融合。在外用，傳感器供應(yīng)商必須提供靈活的安裝選擇，以確保傳感器被定位為靠近患者和/或流體(例如，藥品，血液或水)作為可能的準(zhǔn)確和精確的測(cè)量。

小型，便攜式醫(yī)療設(shè)備的開發(fā)，以適應(yīng)在醫(yī)院狹小的空間內(nèi)也可以讓服務(wù)提供者能夠快速，輕松地將設(shè)備從一個(gè)病人到下一個(gè)。傳感器的小型化正在幫助使這成為可能在這樣的設(shè)計(jì)中移動(dòng)的醫(yī)療設(shè)備，可佩戴的技術(shù)，和手持式儀器。

許多因素必須收斂，使這一裁員。例如，除了配件的物理和包裝要求到最終產(chǎn)品，本身就是體積小巧，有預(yù)算和技術(shù)問題，比如需要不斷通過集成多種傳感器的功能集成到一個(gè)單一的，更小的封裝，降低BOM成本。

把醫(yī)療傳感器的演變?yōu)楸尘?，讓我們?jiǎn)要介紹一下心臟起搏器的歷史。

阿爾貝托Vejarano Laverde，哥倫比亞的醫(yī)生，聯(lián)手哥倫比亞電氣工程師喬治·雷諾茲龐博建設(shè)的第一個(gè)心臟起搏器。這其中重達(dá)45千克或99.2磅。并且是由一個(gè)12伏的汽車電池連接到心臟電極，并用于保持赫拉爾多·弗洛雷斯，一個(gè)70歲的牧師，活著。一旦硅晶體管走進(jìn)畫面，事情變得更容易一些。第一個(gè)完全植入式心臟起搏器是在1958年在瑞典。它被連接到附連到心臟的心肌電極。它持續(xù)了高達(dá)三個(gè)小時(shí)。第二植入裝置使其兩天。第一個(gè)植入式心臟起搏器的收件人，阿恩·拉爾森，實(shí)際共收到26的設(shè)備，并在86歲去世。

與大多數(shù)電子產(chǎn)品的創(chuàng)新，起搏器越來越有更大的能力較小。例如，最近的進(jìn)展包括執(zhí)行以及它們的常規(guī)競(jìng)爭(zhēng)者無引線起搏器設(shè)備，并與一個(gè)大小，傳統(tǒng)的設(shè)備的10%，該微型裝置內(nèi)的病人的心臟直接放置。這是不用手術(shù)，通過導(dǎo)管進(jìn)行。一體化是高，即使是在它的小的狀態(tài)，因?yàn)樗仓没顒?dòng)傳感器，代謝傳感器，和雙傳感器，其能夠測(cè)量溫度，姿勢(shì)，和心律失常的后果。

起搏器和其他心臟相關(guān)的技術(shù)已被被不斷發(fā)展，因?yàn)樾呐K疾病是死亡在發(fā)達(dá)國(guó)家和早期診斷，治療，和維護(hù)的主要原因是至關(guān)重要的。生物醫(yī)學(xué)工程師已經(jīng)成功開發(fā)微觀手段來開栓和治療心血管疾病。然而，這些工具仍然容易引起感染。小型化的納米傳感器就能感測(cè)和監(jiān)視生物信號(hào)，如蛋白質(zhì)或抗體的響應(yīng)于心臟或炎性事件的釋放。

除了心臟起搏器，其他醫(yī)療針對(duì)性的通告經(jīng)常打這個(gè)消息的電線，這些天。近日，特文特大學(xué)為例，揭示了用于測(cè)量康復(fù)運(yùn)動(dòng)功能的患者是世界上最小的手工力傳感器1的原型。小于指尖，它可以衡量你的手施加的力。的傳感器一樣小，因?yàn)檫@可以被構(gòu)建到手套和假肢裝置，以及設(shè)計(jì)成自行車踏板，鞋底，或觸摸屏。除了測(cè)量總力，該傳感器能夠測(cè)量在其中施加力的方向，而這是一個(gè)廣泛的應(yīng)用是重要的。參與體力勞動(dòng)和運(yùn)動(dòng)員或康復(fù)的病人，以提高技能的裝置的性能的裝置測(cè)量負(fù)載，并且它解決了具有足夠小單元來測(cè)量的力和手指被夾住的物體之間施加的挑戰(zhàn)。

在傳感器微型化目前的發(fā)展為醫(yī)療應(yīng)用正在快速移動(dòng)走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入工作一個(gè)今天的世界上?？紤]人類呼吸，這就要求空氣流中和/或離開人肺的呼吸時(shí)測(cè)量。監(jiān)測(cè)和評(píng)估患者呼吸功能是在清醒鎮(zhèn)靜重要的藥理學(xué)誘導(dǎo)的松弛的狀態(tài)，其中患者保持清醒和合作過程中，例如，牙科治療。知識(shí)的呼吸周期的也是在睡眠呼吸暫停的檢測(cè)是有用的。通常情況下，這些技術(shù)測(cè)量流量在呼吸管間接地通過感測(cè)流動(dòng)引起的壓力差在一個(gè)分流結(jié)構(gòu)中，在沿管子的側(cè)上的兩個(gè)端口。

壓力傳感器可以被集成到許多設(shè)計(jì)，因?yàn)樗麄兲峁┝嗽S多配合的連接和封裝(表面貼裝，DIP，SIP)，以及輸出一個(gè)選擇(模擬或數(shù)字)。用于醫(yī)療儀器和呼吸呼吸的所有傳感器微型系列壓力傳感器提供節(jié)省空間的結(jié)合高性能。 H級(jí)是一個(gè)高精度的版本，該公司的毫伏輸出壓力傳感器(圖1)。它們提供了一種校準(zhǔn)毫伏輸出具有優(yōu)異的輸出特性，從而減少輸出偏移錯(cuò)誤由于因素如溫度變化。產(chǎn)商還注意到，傳感器提供預(yù)熱期間和穩(wěn)定性在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定。此外，該傳感器采用了硅，微機(jī)械，應(yīng)力集中增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，以提供一個(gè)線性輸出到測(cè)得的壓力。

這一系列的傳感器是用于非腐蝕性，非離子的工作流體，如空氣，干燥氣體，等用途。該裝置的輸出成比例于電源電壓和操作從任何DC電源電壓上升到16 V是可以接受的。功能包括04“H 2 O至0至100 PSI的壓力范圍，0.5%的線性，溫度補(bǔ)償，校準(zhǔn)和零點(diǎn)和量程。

所有傳感器壓力傳感器圖像

圖1：用于醫(yī)療應(yīng)用程序中，所有傳感器壓力傳感器，盡管其規(guī)模保持高精度。

傳感器常見的醫(yī)療應(yīng)用程序足夠小的另一個(gè)例子是MLX90615SSG-DAA-000-TU超小型化，智能化的非接觸式紅外來自Melexis的技術(shù)(圖2)溫度計(jì)。用在耳和體溫計(jì)，以及用于連續(xù)監(jiān)測(cè)體溫，該裝置被認(rèn)為是最微小的“智能”紅外線在世界溫度計(jì)，用直徑為2.7毫米的只有4.7毫米(0.185“)和高度( 0.106“)。

Melexis的MLX90615的功能圖

圖2：MLX90615的功能框圖。根據(jù)它的低噪聲放大器，16位ADC，和強(qiáng)大的DSP單元，高精確度和分辨率得以實(shí)現(xiàn)。

信號(hào)處理芯片集成在晶體管外形封裝，提供插件和播放的優(yōu)勢(shì)，為完全校準(zhǔn)的溫度計(jì)。由于其低噪聲放大器，16位ADC，其DSP單元，一個(gè)高精度和實(shí)現(xiàn)的溫度計(jì)分辨率;更好的±0.1?C的精度在3040?C中的重點(diǎn)范圍，例如。

在醫(yī)療領(lǐng)域中的加速計(jì)被用于運(yùn)動(dòng)的監(jiān)控。是，用于在運(yùn)動(dòng)和健康裝置的微型傳感器的一個(gè)實(shí)例是3軸ADXL 335加速計(jì)來自Analog Devices(圖3)。

ADI公司的ADXL335的功能框圖

圖3：ADXL335是住在一個(gè)小，薄型封裝(采用4 mm×采用4 mm×1.45毫米LFCSP)，并具有低功耗為350μA(典型值)和優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性。

該ADXL335是一個(gè)完整的3軸加速度測(cè)量系統(tǒng)。它具有±3克的最小的測(cè)量范圍，并包含構(gòu)建在硅晶片和信號(hào)調(diào)節(jié)電路的頂部上以實(shí)現(xiàn)開環(huán)加速度測(cè)量架構(gòu)的多晶硅表面微加工傳感器。的輸出信號(hào)是模擬電壓成比例的加速度。

多晶硅彈簧懸掛于晶片的表面的結(jié)構(gòu)，并提供對(duì)加速力阻力。結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)測(cè)量

使用差電容器，它由附接到移動(dòng)質(zhì)量獨(dú)立的固定板和板。固定板由180°異相方波驅(qū)動(dòng)。加速度偏轉(zhuǎn)移動(dòng)質(zhì)量和差分電容失衡導(dǎo)致的傳感器輸出，其幅度正比于加速度。然后相位敏感解調(diào)技術(shù)被用于確定加速度的大小和方向。

解調(diào)器輸出被放大，并通過一個(gè)32千歐姆的電阻帶來的片。用戶通過將電容器設(shè)置設(shè)備的信號(hào)的帶寬。這種過濾提高了測(cè)量的分辨率，并有助于防止混淆。該裝置可以測(cè)量重力的靜態(tài)加速度在傾斜檢測(cè)應(yīng)用程序，以及動(dòng)態(tài)加速度運(yùn)動(dòng)，沖擊或振動(dòng)產(chǎn)生的。

綜上所述

正如我們所看到的，傳感器在許多醫(yī)療應(yīng)用中發(fā)揮重要的作用，更是基于向著小型化正在發(fā)生趨勢(shì)的到來。移動(dòng)從心臟起搏器，這是令人難以置信的大，那些符合心臟內(nèi)部是一個(gè)了不起的壯舉，結(jié)合醫(yī)藥和傳感器技術(shù)的進(jìn)步。

而小并不總能轉(zhuǎn)化為成本有效，但它通常是轉(zhuǎn)化為無損耗的性能，這是在醫(yī)療應(yīng)用中的尺寸，易用性，便攜性，可靠性，準(zhǔn)確性和成本是最重要的重要的高度集成。