新型微型傳感器特征及在醫(yī)療儀中的應(yīng)用

1、前言

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

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

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

2.1呼吸醫(yī)療監(jiān)視儀(見圖1下面所示)

該監(jiān)視儀的用途是用來監(jiān)視呼吸狀況,并能給出大致的呼吸深度。這個監(jiān)測儀監(jiān)測一些可以用來評價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、積極的情緒通常會導(dǎo)致呼出長于吸入,二者時間之比的參數(shù),能從一個方面揭示人的焦慮程度。相對較高水平的胸呼吸(相對于腹呼吸)也可說明焦慮程度。監(jiān)視儀對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">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">傳感器(SPRT—Silicon piezoresistance transducer)檢測吸入與呼出時對應(yīng)壓力的降低和增加。SPRT的輸出被饋入一個MAX1450或MAX1457信號調(diào)理器芯片,而MAX1450或MAX1457信號調(diào)理器芯片又對SPRT的進行驅(qū)激勵(或用電流源激勵),其SPRT固有誤差又被饋入MAX1450或MAX1457之后并被校正,然后將經(jīng)過補償?shù)碾妷盒盘査腿刖哂?2位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)MAX1202。ADC輸出(數(shù)字化的壓力信號)進入一個PC接口MAX3232,并被轉(zhuǎn)換為RS-232電平。最后信號被傳遞到PC機系統(tǒng),這樣就可以顯示出呼吸波形,并對以上所述參數(shù)進行分析。

3、關(guān)于硅壓阻式傳感器">傳感器(SPRT)

3.1硅壓阻式傳感器">傳感器(SPRT)檢測原理

硅壓阻式傳感器">傳感器一般配置為一個緊密的惠斯登電橋。當(dāng)有壓力施加到SPRT的敏感電橋的橋臂時(見圖2a所示),對角橋臂的電阻值R將發(fā)生相同方向、相同大小的改變,即R+△R和R-△R。當(dāng)一個對角橋臂上的兩個電阻值在壓力的作用下增加時,另外一個對角橋臂的電阻值降低,反之亦然。對于SPRT半敏感電橋(見圖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">傳感器都具有高靈敏度(>10mv/v)、良好的線性、溫度穩(wěn)定性及無信號滯回等優(yōu)點,其測量范圍可上至破壞性極限。

3.2硅壓阻式傳感器">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">傳感器應(yīng)用范圍從中、低精度檢測擴展到高端領(lǐng)域。彌補了以往SPRT通常只能用于中、低精度檢測,而對高端產(chǎn)品非要采用昂貴的應(yīng)變計等不足之處。但要應(yīng)用硅壓阻式傳感器">傳感器必須解決誤差補償-校準(zhǔn)技術(shù),才能提高精度。為此,首要的是應(yīng)對硅壓阻式傳感器">傳感器的誤差作分析。

4、關(guān)于硅壓阻式傳感器">傳感器(SPRT)誤差

校準(zhǔn)SPRT傳感器">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">傳感器具有不同類型的誤差和誤差范圍。甚至由同一個制造商提供的同一型號傳感器">傳感器的誤差幅度,兩者之間也會有輕微的差異。SPRT傳感器">傳感器的誤差因素包括：滿偏信號隨溫度變化的強烈非線性(高達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,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)就會增加。當(dāng)橋路電壓隨著溫度的升高而增大時,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)代信號調(diào)理電路IC加以利用,來校正SPRT靈敏度在溫度范圍內(nèi)的誤差。值得一提的是,此類信號調(diào)理電路IC均可通過橋路電阻的變化來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,便可有的放矢地進行校正與補償。以下將對目前常用的傳統(tǒng)校正與現(xiàn)代校正及簡化補償方法作介紹。

5、傳統(tǒng)校正方法

圖3電路為傳統(tǒng)校正方案

它可以補償SPRT精度至適當(dāng)水平,并可以對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用來補償傳感器">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">傳感器兩端的電壓Vo+Vo-()也增加,這個增加的電壓△Vo+Vo-會使傳感器">傳感器的靈敏度上升,也就是說,在給定壓力下它將輸出更高的電壓。

然而,如果保持傳感器">傳感器兩端電壓恒定,傳感器">傳感器的靈敏度就會隨著溫度的上升而降低(或稱負(fù)向靈敏度系數(shù)),但因為橋路電阻受溫度影響而增加時,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可對失調(diào)的漂移進行校正。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)點是程式簡單、廉價,但主要問題是各個補償元件之間互相影響,使校準(zhǔn)非常困難,并限制了所能達到的精度,該校正技術(shù)也不便于采用電子調(diào)整。

6、現(xiàn)代校正-補償技術(shù)

由于SPRT的誤差幅度范圍很寬,因而必須要用通過現(xiàn)代與簡化補償法來校準(zhǔn)。目前現(xiàn)代校正-補償技術(shù)是采用MAX145新型信號調(diào)理芯片與SPRT的組合,即成智能傳感器">傳感器與技術(shù)。

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

MAXl457還包括一個可編程增益放大器(PGA),用于放大傳感器">傳感器的差分輸出;以及5個數(shù)DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器),用于校正各種不同的傳感器">傳感器誤差。由于傳感器">傳感器輸出的是微弱信號,PGA的輸出電壓還不足以驅(qū)動ADC。為此,MAXl457的內(nèi)置運放可用來提升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)性可以用來補償滿偏輸出(FSO- Full span output)的溫度誤差。對于恒流源激勵電橋,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(見圖4所示)。

首先,由ADC對橋路電壓進行量化,根據(jù)量化結(jié)果,找出一個預(yù)先計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輸出電壓對橋路激勵電流進行調(diào)整,調(diào)整后的激勵電流改變了橋路電壓,從而補償了特定溫度下,因傳感器">傳感器的靈敏度改變造成的滿偏輸出(FSO)誤差。為實現(xiàn)平滑校正,橋路電壓被用作FSOTC DAC的參考輸入,在相鄰兩個數(shù)字補償點(由ADC提供給EEPROM)之間進行模擬補償。同樣的方法被用于補償失調(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(而不是MAX1457的電流源)。

6.2對上述四種溫度校正系數(shù)的計算步驟的說明

首先,將傳感器">傳感器和MAXl457置于最低溫度獲取不同壓力下的傳感器">傳感器數(shù)據(jù),然后,再將傳感器">傳感器和MAXl457置于最高溫度下獲取不同壓力下的傳感器">傳感器數(shù)據(jù)。利用這些極限溫度點的數(shù)據(jù),專為MAXl457設(shè)計的應(yīng)用軟件可計算出四種校正系數(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允許在特定溫度進行補償,只需對每個規(guī)定溫度計算FSOTC和OFFSETTC由用戶決定校準(zhǔn)點的數(shù)量(最多至120點)。如果傳感器">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的補償技術(shù)相對于圖3所示的傳統(tǒng)方法具有明顯優(yōu)勢。MAXl457消除了補償元件之間的相互影響,這得益于相互獨立的失調(diào)和滿度調(diào)整：失調(diào)在PGA輸出端進行補償,而FSO的修正通過電流源實現(xiàn)。另一個好處是,由于針對不同溫度點進行特定修正,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,因為后者無法在特定溫度點對傳感器">傳感器進行精確補償。

由于MAX1457所提供的精度可遠(yuǎn)高于一個呼吸監(jiān)視儀的要求,之所以選擇它,主要是因為它內(nèi)部還包含一個附加的運放,可以對呼吸監(jiān)視儀傳感器">傳感器的低電平信號進行放大。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)用于空間探測及潛水呼吸器等領(lǐng)域。

7、實用的簡化校正方案

正因為MAX1457所提供的精度可遠(yuǎn)高于一個呼吸監(jiān)視儀的要求,所以沒有必要采用16位分辨率的DAC進行校正。通?？刹捎肕AX1450信號調(diào)理器的簡化校補償方案(見圖5所示)。

7.1MAX1450信號調(diào)理器的功能本質(zhì)與MAX1457相同,只是用電阻代替DAC來進行誤差校正。

因MAX1450采用比MAX1457少得多的校準(zhǔn)點,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)電阻用來設(shè)定初始(FSO)靈敏度,而失調(diào)溫度漂移(OFFSETTC)的補償是通過ROFFA和ROTCA微調(diào)電阻的調(diào)整來實現(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激勵電流輸出;INM傳感器">傳感器負(fù)信號輸出;INP傳感器">傳感器正信號輸出;VDD電源電壓;VSS地。

8、結(jié)束語

由于新的信號調(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">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)計方案可看出,通過應(yīng)用硅壓阻式傳感器">傳感器(SPRT)與MAX1450、MAX1457等信號調(diào)理器芯片所組成的智能傳感器">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,也證明了在高端產(chǎn)品中無需要用昂貴的應(yīng)變計的設(shè)想是可以實現(xiàn)的。

據(jù)初步使用,該新型硅壓阻式傳感器">傳感器(SPRT)與MAX1450、MAX1457等信號調(diào)理器芯片所組成的智能傳感器">傳感器使研發(fā)的新型呼吸監(jiān)視儀經(jīng)過醫(yī)療機構(gòu)和誠信指數(shù)(心理狀態(tài)變化引發(fā)生理指標(biāo)變化的檢測)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)生對病員的呼吸與心肺狀態(tài)的測試,不但功能強而且指標(biāo)精度有很大提高,根據(jù)多次試用,其定性(PC機上顯示器)與定量(數(shù)字記錄儀)測量結(jié)果為醫(yī)生全面確定癥狀有了更科學(xué)的依據(jù)。