微型传感器在医疗应用中的作用

在不断缩小的空间范围内设计可靠，精确的传感器功能的能力在广泛的应用中是至关重要的 - 并且是一项困难的要求。然而，除了其他好处之外，小型化（包括缩小尺寸模块系统）可以通过为设计人员提供更大的灵活性来定位印刷电路板（PCB）上的元件，从而释放宝贵的电路板空间并减少干扰。

医疗行业仍然是传感器小型化和超可靠性的主要驱动因素，因为人体内部的应用需要极小，精确的传感器，因为它们在医疗程序中具有很大的应用前景。关节成形术（用于关节置换的力传感器）和脊柱融合术。在外部使用中，传感器供应商必须提供灵活的安装选项，以确保传感器尽可能靠近患者和/或液体（例如药品，血液或水）放置，以便进行准确和精确的测量。

小型便携式医疗设备的开发，以适应医院狭小的空间，也使护理人员能够快速，轻松地将设备从一个病人转移到另一个病人。传感器的小型化有助于在移动医疗设备，可穿戴技术和手持式仪器等设计中实现这一目标。

许多元素必须融合才能实现这种缩小尺寸。例如，除了适合本身尺寸较小的最终产品的物理和包装要求之外，还存在预算和技术问题，例如通过将多个传感器功能集成到单个较小的封装中来不断降低BOM成本。

将医疗传感器的发展置于背景中，让我们简单介绍一下心脏起搏器的历史。

哥伦比亚医生Alberto Vejarano Laverde与哥伦比亚电气工程师Jorge Reynolds Pombo合作建造了第一台心脏起搏器。这个重45公斤或99.2磅。并且由12伏自动电池供电，电极连接到心脏，并用来保持70岁的牧师Gerardo Florez活着。一旦硅晶体管出现在图片中，事情变得容易一些。第一个完全植入式起搏器于1958年在瑞典。它与连接到心脏心肌的电极相连。它持续了三个小时。第二个植入设备使它成为两天。第一个植入式起搏器接收者Arne Larsson实际上共接收了26台设备，并在86岁时去世。

与大多数电子产品创新一样，心脏起搏器越来越小，功能越来越强。例如，最近的进步包括无引线起搏器设备，其性能与传统竞争对手一样，并且其尺寸为传统设备的10％，迷你设备直接放置在患者的心脏内。这是通过导管无需手术完成的。集成度很高，即使在很小的状态下，因为它包含活动传感器，代谢传感器和双传感器，能够测量温度，姿势和心律失常的后果。

起搏器和其他心脏相关技术一直在不断发展，因为心脏病是发达国家的主要死亡原因，早期诊断，治疗和维护至关重要。生物医学工程师已经成功开发了微型仪器来打开阻塞的动脉和治疗心血管疾病。但是，这些工具仍然容易引起感染。微型纳米技术传感器将能够感知和监测生物信号，例如蛋白质或抗体在心脏或炎症事件中的释放。

除了心脏起搏器之外，其他针对医疗目标的公告最近也定期发布新闻报道。最近，特温特大学公布了世界上最小的手力传感器 1 的原型，用于测量康复患者的运动功能。它比指尖小，可以测量你的手所施加的力。这种小型传感器可以内置于手套和假肢装置中，也可以设计成自行车踏板，鞋底或触摸屏。除了测量总力之外，传感器还可以测量施加力的方向，这对于广泛的应用非常重要。该装置测量体力劳动中涉及的负荷以及运动员或康复患者的表现，作为提高技能的手段，并且它解决了具有足够小的单元来测量手指和被抓物体之间施加的力的挑战。

目前医疗应用传感器小型化的发展正在迅速走出实验室并进入一日工作世界。考虑人体呼吸，其需要在呼吸期间测量人体肺内和/或外部的空气流量。在清醒镇静期间监测和评估患者呼吸功能是重要的，这是一种药理学诱导的放松状态，其中患者在例如牙科治疗期间保持清醒和合作。对呼吸循环的了解也可用于检测睡眠呼吸暂停。通常，这些技术通过在沿着管的侧面定位的两个端口处感测分流配置中的流动引起的压差来间接地测量呼吸管中的流量。

压力传感器可以集成到许多设计中，因为它们提供了许多配合连接和封装选项（表面贴装，DIP，SIP），以及可选择的输出（模拟或数字）。 All Sensors Miniature系列压力传感器用于医疗仪器和呼吸呼吸，可节省空间并提供高性能。 H-GRADE是该公司毫伏输出压力传感器的高精度版本（图1）。它们提供校准的毫伏输出，具有出色的输出特性，减少了由于温度变化等因素造成的输出偏移误差。供应商还指出，传感器在预热期间提供稳定性，并在长时间内提供稳定性。此外，该传感器采用硅，微加工，应力集中增强结构，为测量压力提供线性输出。

该系列传感器适用于非腐蚀性，非离子工作诸如空气，干燥气体等的流体。器件的输出与电源电压成比例，可以接受任何直流电源电压高达+ 16 V的操作。功能包括0至4“H2O至0至100 PSI压力范围，0.5％线性度，温度补偿以及校准零点和量程。

图1 ：用于医疗应用，All Sensors压力传感器尽管尺寸很大，但仍能保持高精度。

传统医疗应用的传感器的另一个例子是MLX90615SSG-DAA-000-TU超小型Melexis Technologies的智能非接触式红外测温仪（图2）。用于耳温计和发热体温计，以及连续体温监测，该设备被认为是世界上最小的“智能”红外测温仪，具有直径仅为4.7毫米（0.185英寸），高度为2.7毫米（0.106英寸）。

图2：MLX90615的功能图。基于其低噪声放大器，16位ADC和功能强大的DSP单元，可实现高精度和高分辨率。

信号处理芯片集成在晶体管外形封装中，为完全校准的温度计提供即插即用的优势。凭借其低噪声放大器，16位ADC及其DSP单元，可实现温度计的高精度和高分辨率;例如，在30-40˚C的关键范围内，精度可达±0.1˚C。

在医疗领域，加速度计用于监测运动。用于运动和健康设备的微型传感器的一个例子是ADI公司的3轴ADXL 335加速度计（图3）。

图3：ADXL335采用小型薄型封装（4 mm×4 mm×1.45 mm LFCSP），功耗低在350μA（典型值）和出色的温度稳定性。

ADXL335是一个完整的3轴加速度测量系统。它的测量范围至少为±3 g，并包含一个建在硅晶圆和信号调理电路之上的多晶硅表面微机械传感器，以实现开环加速度测量架构。输出信号是与加速度成比例的模拟电压。

多晶硅弹簧将结构悬挂在晶圆表面上，并提供抵抗加速力的能力。使用差分电容器测量结构的偏差，该差分电容器由独立的固定板和附接到移动质量块的板组成。固定板由180°异相方波驱动。加速度使移动质量偏转并使差分电容器失衡，从而产生传感器输出，其幅度与加速度成比例。然后使用相敏解调技术来确定加速度的大小和方向。

解调器输出被放大并通过32kΩ电阻带到芯片外。用户通过添加电容器来设置器件的信号带宽。此过滤可提高测量分辨率并有助于防止混叠。该设备可以测量倾斜传感应用中的静态重力加速度，以及运动，冲击或振动引起的动态加速度。

总结

正如我们所见传感器在许多医疗应用中发挥着关键作用，而更多的传感器正基于正在发生的小型化趋势。从一个非常大的心脏起搏器转变为适合心脏的心脏起搏器是一项惊人的壮举，结合了医学和传感器技术的进步。

虽然小型并不总能转化为成本效益，但它通常会转化为高度集成而不会降低性能，这在医疗应用中非常重要，因为它在尺寸，易用性，便携性，可靠性，准确性和成本是至关重要的。