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多軸傳感器受追捧 MEMS加速挺進(jìn)醫(yī)療設(shè)計

作者: 時間:2013-10-09 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

慣性已日益受到醫(yī)療應(yīng)用市場青睞。融合感測功能的慣性元件,不論尺寸、功耗、精準(zhǔn)度與可靠性均有優(yōu)異表現(xiàn),可符合醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域的嚴(yán)苛要求,如手術(shù)導(dǎo)航工具等精密醫(yī)療儀器,皆已開始大量導(dǎo)入。

  導(dǎo)航與汽車、卡車、飛機(jī)、輪船及人相關(guān)。然而,它也開始在醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,精密手術(shù)儀器和機(jī)器人即須使用導(dǎo)航。手術(shù)導(dǎo)航工具的設(shè)計要求與傳統(tǒng)的車輛導(dǎo)航具有廣泛的共同點,但前者也提出一些獨特的挑戰(zhàn),如在室內(nèi)使用,無法獲得全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)支援,因而需要更高性能。

  本文將研究醫(yī)療導(dǎo)航應(yīng)用的獨特挑戰(zhàn),并探討從感測器機(jī)制到系統(tǒng)特性可能的解決方案,并介紹增強(qiáng)感測性能的方法,如采用卡爾曼濾波等。

  轉(zhuǎn)化醫(yī)療資訊

  微機(jī)電系統(tǒng)()已成為大多數(shù)人每天都會碰到的成熟技術(shù),它使汽車更安全、增強(qiáng)手機(jī)可用性,并能優(yōu)化工具及運(yùn)動設(shè)備的性能,從而提高對病人的醫(yī)療護(hù)理水準(zhǔn)。

  用于線性運(yùn)動檢測的MEMS元件通常是基于一個微加工的多晶矽表面結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)形成于矽晶圓之上,通過多晶矽彈簧懸掛在晶圓的表面上,提供對加速度力的阻力。在加速度下,MEMS軸的偏轉(zhuǎn)由一個差分電容測量,該差分電容由獨立固定板和活動品質(zhì)連接板組成。如此一來,運(yùn)動使差分電容失衡,導(dǎo)致感測器輸出的幅度與加速度成正比。

  例如汽車因碰撞而突然急劇減速時,安全氣囊感測器中的MEMS軸會產(chǎn)生同樣的運(yùn)動,使得電容失衡,最終產(chǎn)生訊號觸發(fā)安全氣囊打開。此一基本加速度計結(jié)構(gòu),根據(jù)不同的應(yīng)用性能參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,并增加資料處理功能后,可以精確地指示傾斜度、速度甚至位置。另有一種技術(shù)上相關(guān)的結(jié)構(gòu)是陀螺儀,它能檢測旋轉(zhuǎn)速率,輸出形式為度/秒。

  透過一個耗電量極低的微型元件,以精確檢測和測量運(yùn)動的能力,幾乎對任何涉及運(yùn)動的應(yīng)用都具價值,表1即按運(yùn)動類型列出基本醫(yī)療應(yīng)用。

  多軸傳感器受追捧 MEMS加速挺進(jìn)醫(yī)療設(shè)計

  盡管簡單的運(yùn)動檢測有價值,如一個軸上的線性運(yùn)動,但多數(shù)應(yīng)用皆涉及到多個軸上的多種類型運(yùn)動。捕捉這種多維運(yùn)動狀態(tài)不僅能帶來新的好處,且能在軸外擾動可能影響單主軸運(yùn)動測量的情況下,保持精度。

  為精確測量物件所經(jīng)歷的運(yùn)動,必須將多種類型(如線性和旋轉(zhuǎn))的感測器結(jié)合起來,如加速度計對地球的重力敏感,可用來確定傾角。換言之,讓一個MEMS加速度計在一個±1g重力場中旋轉(zhuǎn)時(±90度),它能夠?qū)⒃撨\(yùn)動轉(zhuǎn)換為角度表示。

  然而,加速度計無法區(qū)分靜態(tài)加速度(重力)與動態(tài)加速度。因此,加速度計可與陀螺儀結(jié)合,利用組合元件的附加資料處理能力,可分辨線性加速度與傾斜(即當(dāng)陀螺儀的輸出顯示旋轉(zhuǎn)與加速度計記錄的明顯傾斜重合時)。隨著系統(tǒng)的動態(tài)程度(運(yùn)動的軸數(shù)和運(yùn)動自由度)增加,感測器融合過程會變得更加復(fù)雜。

  了解環(huán)境對感測器精度的影響也很重要。顯而易見的一個因素是溫度,可對其進(jìn)行校準(zhǔn)。事實上,高精度感測器可以重新校準(zhǔn),并自身進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。另一個不那么明顯的考慮因素是潛在的振動,即使很輕微的振動也會使旋轉(zhuǎn)速率感測器的精度發(fā)生偏移,這種效應(yīng)稱為線性加速度效應(yīng)和振動校正,其影響可能很嚴(yán)重,具體取決于陀螺儀的品質(zhì)。在此種情況下,感測器融合同樣能夠提高性能,即利用加速度計來檢測線性加速度,然后利用此資訊和陀螺儀線性加速度靈敏度的校準(zhǔn)資訊進(jìn)行校正。

慣性感測器助陣醫(yī)療導(dǎo)航嶄露頭角

  許多應(yīng)用要求多自由度的運(yùn)動檢測,如六軸自由度慣性感測器能夠同時檢測x、y、z軸上的線性加速度和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(也稱為滾動、俯仰和


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