新型微型傳感器在醫(yī)療儀中的應(yīng)用解決方案

 1、前言

當(dāng)今，具有智能傳感器技術(shù)撿測(cè)頭的呼吸醫(yī)療監(jiān)視儀已經(jīng)聞世，這就比較理想地解決了對(duì)各種情感和呼吸之間聯(lián)系作大量研究的問(wèn)題，并且可以用來(lái)真實(shí)紀(jì)錄一個(gè)人的呼吸狀況及其變化。

在此本文對(duì)呼吸監(jiān)視儀中用微型傳感器-硅壓阻式傳感器（SPRT）與MAX1450或MAX1457信號(hào)調(diào)理器組成新型智能傳感器及在技術(shù)方案中的功能作一個(gè)分析與介紹。

2、呼吸醫(yī)療監(jiān)視儀與智能傳感器及技術(shù)（其組成框圖，見(jiàn)圖1所示）

2.1呼吸醫(yī)療監(jiān)視儀(見(jiàn)圖1右面所示)

該監(jiān)視儀的用途是用來(lái)監(jiān)視呼吸狀況，并能給出大致的呼吸深度。這個(gè)監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)一些可以用來(lái)評(píng)價(jià)焦慮程度的重要參數(shù)：呼吸頻率、呼吸的均勻程度以及呼氣和吸氣之間的間歇。平靜、積極的情緒通常會(huì)導(dǎo)致呼出長(zhǎng)于吸入，二者時(shí)間之比的參數(shù)，能從一個(gè)方面揭示人的焦慮程度。相對(duì)較高水平的胸呼吸（相對(duì)于腹呼吸）也可說(shuō)明焦慮程度。監(jiān)視儀對(duì)胸呼吸的觀察反映出監(jiān)視儀具有大量的可視信息功能。

2.2智能傳感器技術(shù)

圖1中的呼吸監(jiān)視儀采用硅壓阻式傳感器（SPRT—Silicon piezoresistance transducer）檢測(cè)吸入與呼出時(shí)對(duì)應(yīng)壓力的降低和增加。SPRT的輸出被饋入一個(gè)MAX1450或MAX1457信號(hào)調(diào)理器芯片，而MAX1450或MAX1457信號(hào)調(diào)理器芯片又對(duì)SPRT的進(jìn)行驅(qū)激勵(lì)(或用電流源激勵(lì))，其SPRT固有誤差又被饋入MAX1450或MAX1457之后并被校正，然后將經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)碾妷盒盘?hào)送入具有12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）MAX1202。ADC輸出（數(shù)字化的壓力信號(hào)）進(jìn)入一個(gè)PC接口MAX3232，并被轉(zhuǎn)換為RS-232電平。最后信號(hào)被傳遞到PC機(jī)系統(tǒng)，這樣就可以顯示出呼吸波形，并對(duì)以上所述參數(shù)進(jìn)行分析。

3、關(guān)于硅壓阻式傳感器（SPRT）

3.1硅壓阻式傳感器（SPRT）檢測(cè)原理

硅壓阻式傳感器一般配置為一個(gè)緊密的惠斯登電橋。當(dāng)有壓力施加到SPRT的敏感電橋的橋臂時(shí)(見(jiàn)圖2a所示)，對(duì)角橋臂的電阻值R將發(fā)生相同方向、相同大小的改變,即R+△R和R-△R。當(dāng)一個(gè)對(duì)角橋臂上的兩個(gè)電阻值在壓力的作用下增加時(shí)，另外一個(gè)對(duì)角橋臂的電阻值降低，反之亦然。對(duì)于SPRT半敏感電橋(見(jiàn)圖2b所示)，則只有半邊橋臂的電阻值發(fā)生改變。不管是全橋還是半敏感電橋的傳感器都具有高靈敏度（>10mv/v）、良好的線性、溫度穩(wěn)定性及無(wú)信號(hào)滯回等優(yōu)點(diǎn)，其測(cè)量范圍可上至破壞性極限。

3.2硅壓阻式傳感器的應(yīng)用

當(dāng)今，由于新的IC技術(shù)已經(jīng)能夠精確校準(zhǔn)SPRT，所以將硅壓阻式傳感器應(yīng)用范圍從中、低精度檢測(cè)擴(kuò)展到高端領(lǐng)域。彌補(bǔ)了以往SPRT通常只能用于中、低精度檢測(cè)，而對(duì)高端產(chǎn)品非要采用昂貴的應(yīng)變計(jì)等不足之處。但要應(yīng)用硅壓阻式傳感器必須解決誤差補(bǔ)償-校準(zhǔn)技術(shù)，才能提高精度。為此，首要的是應(yīng)對(duì)硅壓阻式傳感器的誤差作分析。

4、關(guān)于硅壓阻式傳感器（SPRT）誤差

校準(zhǔn)SPRT傳感器的主要困難在于它們的誤差幅度范圍很寬，采用不同工藝生產(chǎn)的SPRT傳感器具有不同類型的誤差和誤差范圍。甚至由同一個(gè)制造商提供的同一型號(hào)傳感器的誤差幅度，兩者之間也會(huì)有輕微的差異。SPRT傳感器的誤差因素包括：滿偏信號(hào)隨溫度變化的強(qiáng)烈非線性(高達(dá)1％oK)；很大的初始失調(diào)(可至滿偏的100％或更高)以及失調(diào)隨溫度的強(qiáng)烈漂移等。在一定限度內(nèi)，這些缺陷可以由電子電路加以補(bǔ)償。

一定溫度下，圖2(a)(b)所示的兩種類型SPRT橋路電阻(Vcc和地之間的等效電阻)能夠在很寬的壓力范圍內(nèi)保持相當(dāng)?shù)暮愣?，然而，隨著溫度的上升，橋路電阻顯著增加，如果電橋由恒流源驅(qū)動(dòng)，橋路電壓(指Vcc和地之間的等效電阻與恒流源輸出電流的乘積)就會(huì)增加。當(dāng)橋路電壓隨著溫度的升高而增大時(shí)，則SPRT靈敏度也隨之升高。另一方面，如果保持橋路電壓恒定，SPRT的壓力靈敏度又會(huì)隨著溫度的升高而降低。因此，SPRT的壓力靈敏度受兩種互相對(duì)立的因素影響：溫度和受溫度影響的橋路電壓。這種橋路電阻或橋路電壓的變化可以彼現(xiàn)代信號(hào)調(diào)理電路IC加以利用，來(lái)校正SPRT靈敏度在溫度范圍內(nèi)的誤差。值得一提的是，此類信號(hào)調(diào)理電路IC均可通過(guò)橋路電阻的變化來(lái)校正靈敏度隨溫度的改變。根據(jù)SPRT產(chǎn)生誤差的主要因素的分析，便可有的放矢地進(jìn)行校正與補(bǔ)償。以下將對(duì)目前常用的傳統(tǒng)校正與現(xiàn)代校正及簡(jiǎn)化補(bǔ)償方法作介紹。

5、傳統(tǒng)校正方法

圖3電路為傳統(tǒng)校正方案

它可以補(bǔ)償SPRT精度至適當(dāng)水平，并可以對(duì)SPRT失調(diào)、失調(diào)的溫度漂移(OFFSETTC)以及SPRT靈敏度的溫度漂移進(jìn)行調(diào)整。而與SPRT靈敏度溫度漂移相關(guān)的是滿偏榆出(FSO)的溫度漂移，這兩個(gè)參數(shù)(指SPRT靈敏度溫度漂移與滿偏榆出的溫度漂移)的溫度特性互成正比，電路中的調(diào)零電阻Rjz用來(lái)補(bǔ)償傳感器在室溫下的失調(diào)電壓，溫度敏感電阻Rts和Rtz(或R’tz)用于校正溫度誤差。前面提到，橋路電阻隨著溫度上升而增加，使傳感器兩端的電壓Vo+Vo-()也增加，這個(gè)增加的電壓△Vo+Vo-會(huì)使傳感器的靈敏度上升，也就是說(shuō)，在給定壓力下它將輸出更高的電壓。

然而，如果保持傳感器兩端電壓恒定，傳感器的靈敏度就會(huì)隨著溫度的上升而降低(或稱負(fù)向靈敏度系數(shù))，但因?yàn)闃蚵冯娮枋軠囟扔绊懚黾訒r(shí)，它所引起的靈敏度正向變化系數(shù)是大于負(fù)向靈敏度系數(shù)，所以，滿偏輸出(FSO)趨向于隨著溫度增加而增加。電阻器Rts可以在溫度上升時(shí)旁路掉一部分橋路電流，從而抵消上述效應(yīng)。類似地，Rtz或R’tz可對(duì)失調(diào)的漂移進(jìn)行校正。電路中選擇Rts還是R’tz取決于失調(diào)的溫度漂移方向。

這種傳統(tǒng)校正方法的優(yōu)點(diǎn)是程式簡(jiǎn)單、廉價(jià)，但主要問(wèn)題是各個(gè)補(bǔ)償元件之間互相影響,使校準(zhǔn)非常困難，并限制了所能達(dá)到的精度，該校正技術(shù)也不便于采用電子調(diào)整。

6、現(xiàn)代校正-補(bǔ)償技術(shù)

由于SPRT的誤差幅度范圍很寬，因而必須要用通過(guò)現(xiàn)代與簡(jiǎn)化補(bǔ)償法來(lái)校準(zhǔn)。目前現(xiàn)代校正-補(bǔ)償技術(shù)是采用MAX145新型信號(hào)調(diào)理芯片與SPRT的組合，即成智能傳感器與技術(shù)。

用一片信號(hào)調(diào)理MAXl457 IC以驅(qū)動(dòng)呼吸監(jiān)視儀的硅壓阻式傳感器(SPRT)，并校正傳感器的誤差。MAXl457它帶一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)傳感器的受控電流源和一個(gè)用以采樣傳感器橋路電壓的ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)。

MAXl457還包括一個(gè)可編程增益放大器(PGA)，用于放大傳感器的差分輸出；以及5個(gè)數(shù)DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)，用于校正各種不同的傳感器誤差。由于傳感器輸出的是微弱信號(hào)，PGA的輸出電壓還不足以驅(qū)動(dòng)ADC。為此，MAXl457的內(nèi)置運(yùn)放可用來(lái)提升PGA的輸出至合適的電平。

由于橋路電壓隨溫度而上升，這種溫度相關(guān)性可以用來(lái)補(bǔ)償滿偏輸出(FSO- Full span output)的溫度誤差。對(duì)于恒流源激勵(lì)電橋，滿偏輸出(FSO)隨著溫度上升而下降，造成了滿偏輸出的溫度相關(guān)誤差(FSOTC)。然而，如果使橋路電壓隨著溫度以一定的速率上升，恰好補(bǔ)償?shù)魸M偏靈敏度隨溫度的下降，則滿偏輸出(FSO)將保持恒定。

6.1MAXl457如何利用這種方法校正溫度引起的滿偏輸出(FSO)誤差(見(jiàn)圖4所示)。

首先，由ADC對(duì)橋路電壓進(jìn)行量化，根據(jù)量化結(jié)果，找出一個(gè)預(yù)先計(jì)開算好的四種校正系數(shù)(己保存于EEPROM內(nèi))送人FSOTC DAC。然后DAC輸出電壓對(duì)橋路激勵(lì)電流進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的激勵(lì)電流改變了橋路電壓，從而補(bǔ)償了特定溫度下，因傳感器的靈敏度改變?cè)斐傻臐M偏輸出(FSO)誤差。為實(shí)現(xiàn)平滑校正，橋路電壓被用作FSOTC DAC的參考輸入，在相鄰兩個(gè)數(shù)字補(bǔ)償點(diǎn)(由ADC提供給EEPROM)之間進(jìn)行模擬補(bǔ)償。同樣的方法被用于補(bǔ)償失調(diào)的溫度漂移(OFFSETTC)，所不同的是，OFFSETTC DAC的輸出電壓被饋人PGA輸出端的求和節(jié)點(diǎn)(而不是MAX1457的電流源)。

6.2對(duì)上述四種溫度校正系數(shù)的計(jì)算步驟的說(shuō)明

首先，將傳感器和MAXl457置于最低溫度獲取不同壓力下的傳感器數(shù)據(jù)，然后，再將傳感器和MAXl457置于最高溫度下獲取不同壓力下的傳感器數(shù)據(jù)。利用這些極限溫度點(diǎn)的數(shù)據(jù)，專為MAXl457設(shè)計(jì)的應(yīng)用軟件可計(jì)算出四種校正系數(shù)：滿偏輸出（FSO）、滿偏輸出的溫度相關(guān)誤差（FSOTC）、偏移-失調(diào)（Offset）、失調(diào)的溫度偏移（OFFSETTC），這四種系數(shù)可以修正SPRT的一階誤差。

為獲得0.1%的精度，MAXl457允許在特定溫度進(jìn)行補(bǔ)償，只需對(duì)每個(gè)規(guī)定溫度計(jì)算FSOTC和OFFSETTC由用戶決定校準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)量(最多至120點(diǎn))。如果傳感器誤差具有良好的可重復(fù)性，此種SPRT與MAXl457組合可獲得優(yōu)于0.1％的精度。

MAXl457的補(bǔ)償技術(shù)相對(duì)于圖3所示的傳統(tǒng)方法具有明顯優(yōu)勢(shì)。MAXl457消除了補(bǔ)償元件之間的相互影響，這得益于相互獨(dú)立的失調(diào)和滿度調(diào)整：失調(diào)在PGA輸出端進(jìn)行補(bǔ)償,而FSO的修正通過(guò)電流源實(shí)現(xiàn)。另一個(gè)好處是，由于針對(duì)不同溫度點(diǎn)進(jìn)行特定修正，獲得更高的精度成為可能。這種方法本質(zhì)上優(yōu)于采用外部電阻的方式，因?yàn)楹笳邿o(wú)法在特定溫度點(diǎn)對(duì)傳感器進(jìn)行精確補(bǔ)償。

由于MAX1457所提供的精度可遠(yuǎn)高于一個(gè)呼吸監(jiān)視儀的要求，之所以選擇它，主要是因?yàn)樗鼉?nèi)部還包含一個(gè)附加的運(yùn)放，可以對(duì)呼吸監(jiān)視儀傳感器的低電平信號(hào)進(jìn)行放大。由于MAX1457使監(jiān)視儀可以工作在很寬的溫度范圍，應(yīng)用SPRT和MAX1457組合可獲得優(yōu)異的精度，為此它能應(yīng)用于空間探測(cè)及潛水呼吸器等領(lǐng)域。

7、實(shí)用的簡(jiǎn)化校正方案

正因?yàn)镸AX1457所提供的精度可遠(yuǎn)高于一個(gè)呼吸監(jiān)視儀的要求，所以沒(méi)有必要采用16位分辨率的DAC進(jìn)行校正。通?？刹捎肕AX1450信號(hào)調(diào)理器的簡(jiǎn)化校補(bǔ)償方案（見(jiàn)圖5所示）。

7.1MAX1450信號(hào)調(diào)理器的功能本質(zhì)與MAX1457相同，只是用電阻代替DAC來(lái)進(jìn)行誤差校正。

因MAX1450采用比MAX1457少得多的校準(zhǔn)點(diǎn)，其精度為1%。通常被用于混合方案，該方案將MAX1450和激光微調(diào)電阻(圖5所示的外接微調(diào)電阻)相結(jié)合提供了一種低成本的解決方案， 即用MAX1450信號(hào)調(diào)理器配合外部激光微調(diào)電阻可提供1%精度。調(diào)整圖5中的RFSOA微調(diào)電阻用來(lái)設(shè)定初始(FSO)靈敏度，而失調(diào)溫度漂移(OFFSETTC)的補(bǔ)償是通過(guò)ROFFA和ROTCA微調(diào)電阻的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)。

7.2MAX1450引腳功能的介紹

A0程控放大器(PGA)增益設(shè)置最低位輸入；A1程控放大器增益設(shè)置；A2程控放大器(PGA)增益設(shè)置最高位輸入；SOTC程控放大器電流過(guò)流控制開關(guān)；SOFF程控放大器電源關(guān)；OFFTC溫度偏移校正輸入；OFFSET偏移輸入；BBUF帶緩沖電橋電壓輸出；FSOTRIM電橋驅(qū)動(dòng)電流設(shè)置輸入；OUT程控放大器輸出電壓；ISRC電流源基準(zhǔn)；BDRIVE激勵(lì)電流輸出；INM傳感器負(fù)信號(hào)輸出；INP傳感器正信號(hào)輸出；VDD電源電壓；VSS地。

8、結(jié)束語(yǔ)

由于新的信號(hào)調(diào)理器IC技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)能夠精確校準(zhǔn)SPRT誤差，壓阻式傳感器除了在醫(yī)用領(lǐng)域中應(yīng)用外，還可拓寬到其它工業(yè)安全以及軍事領(lǐng)域等高端產(chǎn)品之中。這從上述幾種設(shè)計(jì)方案可看出，通過(guò)應(yīng)用硅壓阻式傳感器(SPRT)與MAX1450、MAX1457等信號(hào)調(diào)理器芯片所組成的智能傳感器使研發(fā)的新型呼吸監(jiān)視儀具有精度高、成本低、技術(shù)成熟的特點(diǎn)，也證明了在高端產(chǎn)品中無(wú)需要用昂貴的應(yīng)變計(jì)的設(shè)想是可以實(shí)現(xiàn)的。

據(jù)初步使用，該新型硅壓阻式傳感器(SPRT)與MAX1450、MAX1457等信號(hào)調(diào)理器芯片所組成的智能傳感器使研發(fā)的新型呼吸監(jiān)視儀經(jīng)過(guò)醫(yī)療機(jī)構(gòu)和誠(chéng)信指數(shù)(心理狀態(tài)變化引發(fā)生理指標(biāo)變化的檢測(cè))檢定儀在招聘與企業(yè)考核的試用，其效果良好。尤其在醫(yī)院診療中使醫(yī)生對(duì)病員的呼吸與心肺狀態(tài)的測(cè)試,不但功能強(qiáng)而且指標(biāo)精度有很大提高，根據(jù)多次試用，其定性(PC機(jī)上顯示器)與定量(數(shù)字記錄儀)測(cè)量結(jié)果為醫(yī)生全面確定癥狀有了更科學(xué)的依據(jù)。