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【醫用傳感器設計要項】
時間:2019-10-30

 醫用傳感器設計演變

隨著互連醫療行業的不斷發展,傳感器技術設計也進行了演變,以滿足嚴苛的需求。了解有關非接觸式醫療應用的五個注意事項,并查看關鍵趨勢。

隨著全新個人設備和醫療設備開發的建立,傳感器技術不斷演變,以滿足日益增長的互連醫療行業的嚴苛需求。 隨著物聯網 (IoT) 等趨勢以及數據分析和人工智能等新增技術的出現,傳感器對于收集準確數據變得更加重要。為收集這些關鍵數據,可使用侵入式和非侵入式傳感器技術。侵入式傳感器可用于在手術過程中監控動脈血壓,通過導管組件中的微型熱電偶測量溫度以及其他應用。這些傳感器對兼容性和封裝有專門要求,通常采用小型一次性封裝。非侵入式和非接觸式傳感器技術的應用范圍更加廣泛,并且設計時同時考慮了機械和電氣兩個方面,可支持醫療設備和器械的增長。本文將介紹針對非接觸式醫療應用的傳感器設計注意事項,并回顧需記住的關鍵趨勢。

 

一、耐受性

設備的耐受性(或耐用性)是首先需要考慮的一個重要概念。用于測量溫度、振動和位置等特性的傳感元件小而精密。例如,熱電堆傳感器由一組精準的小型熱敏電阻組成,用于測量其可測范圍內的溫度。這些傳感器的封裝方式可以保護傳感元件免受外部環境的影響。這在通風設備等應用中至關重要,其中熱電堆用于測量表面溫度,空氣流量傳感器測量氣流溫度以針對環境變化進行補償,并為裝配的其他傳感器提供溫度測量基線。傳感元件采用不銹鋼外殼封裝,處于全密封狀態,可防止外部環境(如潮濕和其他惡劣因素)對其造成影響。

 

同樣,可通過用于位置感測的非接觸式測量,將傳感器封裝在組件中。由于各向異性磁阻 (AMR) 位移傳感器可封裝和密封在設備內,同時還能測量組件外的磁化量程,因而對它的需求有所增加。假體關節是個有趣的例子。在這項應用中,AMR 傳感器可測量關節(如膝蓋或踝關節)的旋轉,從而對動作進行補償,形成更自然的步態模式。由于傳感器封裝在膝蓋組件內,因此可保護其免受水、沖擊和一般磨損等環境條件的影響。因此,傳感器和運動肢體之間可獨立旋轉,無需物理接觸。

將傳感器和處理電路封裝在密封的組件中還可解決消毒問題。醫療應用中的消毒可通過多種方式完成,包括使用蒸汽或暴露于環氧乙烷中。通過將傳感器封裝在設備中,可為其提供元件級別的極端溫度或濕度保護。用于動作控制的非接觸式傳感器可安裝在組件中,并且傳感器浸沒在非導電液壓油中。這進一步使傳感器嵌入組件內,而不暴露外部元件。可穿戴設備也可能暴露于日常生活中的汗液和氯化水中。雖然這兩種元素看似無害,但如果保護不當,電子設備和傳感器可能遇到腐蝕問題或電氣短路。為了防止這些情況,可在傳感設備上使用專用涂層,同時仍可確保其檢測和測量的準確性。

 

二、小型化

小型化是傳感器行業需要考慮的另一個主要趨勢,旨在縮小傳感器在產品內占用的空間2018 年,TE Connectivity 針對與物聯網設計相關的各種主題設計并進行了一項工程師調查。我們收到了 180 名工程師的回復,他們表示對消費者、工業和汽車物聯網感興趣。該調查探討了物聯網應用和設計方法,然后發現了該領域存在的共同挑戰。關于小型化,85% 的調查參與者一致同意這應該是一個關注焦點。與此同時,15% 的調查參與者認為傳感器小型化已經達到了所需程度。傳感器小型化不僅限于醫療市場,其重要性日益增加。

隨著可穿戴互聯設備的增加,構建輕型、緊湊的設計變得非常必要。雖然手表、胸部心率監視器和其他飾品類設備在監視健康因素方面的準確性各不相同,但它們提供的信息比過去更多。隨著消費者對健康生活的關注日益增長,擁有更精確數據的驅動力促進了傳感器需求的增長,并且需要將更多的傳感器安裝到相同大小的包裝中。

 

除健康生活可穿戴設備外,小型傳感器還可內置于電動機械假肢中。手指的力度和控制是一項一絲不茍的技巧,要求進行精確測量。在考慮力量測量時,握持一顆葡萄和將其碾碎的力量差異很大,因此,它需要手指的準確數據才能執行這看似簡單的任務。在指關節旋轉點處應用磁傳感器和應變片,可實現精確的無接觸控制和所需動作。
 

三、數字信號處理

較高的準確性是選擇醫療應用傳感器的重要目標,這使得數字傳感器因其精確、穩定的輸出成為了更理想的選擇。例如,數字熱電堆溫度傳感器可實現 100°C 溫度范圍的高精度讀數,誤差為 ±1°C。這些傳感器經過定制后,可在極其嚴苛的環境下進行更廣泛的應用,能在 300°C 時提供高精度(誤差為 ±4.5°C)。盡管模擬產品通常較便宜,但數字傳感器因其設備和結構,無需購買其他電子元件(包括低偏移/低噪聲放大器和相關濾波器)。當與數字輸出同時封裝時,某些傳感器技術可以傳達來自同一設備的多個輸出信號,因此無需使用整體平臺并省去了電路板的空間。

 

在上面提到的同一調查中,25% 的參與者表示需要降低物聯網設備的電流消耗。如果實現了這一點,將降低網絡的整體功耗,從而減少數據傳輸的壓力。通過采用數字信號處理,傳感器可以設計用于更多以消費者為主的醫療設備。這將實現更低的電流消耗,在不使用時能夠休眠并以較低電源電壓運行,可支持使用較小的板載蓄電池。
四、 
數字信號和可擴展性

數字信號處理對可擴展性至關重要,并且,這也是另一項基本注意事項。現代電子設備需要對傳統的模擬輸出信號進行一定程度的轉換才能讀取和處理數據。然而,板載數字信號處理減少了系統或設備生產過程中的校準時間,從而提供了精確度。由于傳感器生產商的校準設備旨在測試傳感器并對其質檢,因此 OEM 需要進行少量投資以復制系統要求,從而管理從模擬到數字的信號處理。此外,傳感器生產商還可根據客戶要求定制機械工具、傳感器編程和校準,以實現即插即用設計。

 

五、SMT 技術和可擴展性

根據美國醫院聯合會的統計,2017 5,000 多家美國注冊醫院接診了 3,500 萬名以上的入院患者。雖然美國的醫療行業正在轉向減少就診次數、住院人數和住院次數,但對患者支持和監控設備的需求仍和以往一樣。因此,設計用于可擴展自動化生產的傳感器成為了醫療行業滿足需求的理想方案。

 

傳感器的表面貼裝技術使設計工程師能夠將傳感器嵌入組件的電子元件中。光電傳感器提供傳統的引線框架設計,手動焊入組件,現可封裝用于 SMT 設計。可回流焊接封裝使工程師能夠將傳感器集成到通過取放機器嵌入的組件中,從而提高整體質量,同時減少了制造時間和成本。AMR 傳感器具有垂直或水平安裝的靈活性,也可用于 SMT 封裝。根據系統設計,這可在確保傳感器能夠裝入系統方面發揮重要作用,并為磁體放置提供更大的靈活性。
 

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