新型微型傳感器特征及在醫(yī)療儀中的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2008/5/29 0:00:00 訪問(wèn)次數(shù):475

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—siliconpiezoresistancetransducer）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

傳統(tǒng)校正方案