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-硅壓阻式傳感器（SPRT）與MAX1450或MAX1457信號調(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，見圖1所示）

    2.1呼吸醫(yī)療監(jiān)視儀(見圖1右面所示) 

 

    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（SPRT）

    3.1硅壓阻式傳感器（SPRT）檢測原理

    硅壓阻式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。甚至由同一個制造商提供的同一型號傳感器的誤差幅度，兩者之間也會有輕微的差異。SPRT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，這個增加的電壓△Vo+Vo-會使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，如果保持傳感器兩端電壓恒定，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(SPRT)，并校正傳感器的誤差。MAXl457它帶一個用于驅(qū)動傳感器的受控電流源和一個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，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。通常可采用MAX1450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傳感器負(fù)信號輸出；INP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(SPRT)與MAX1450、MAX1457等信號調(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，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(SPRT)與MAX1450、MAX1457等信號調(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)。