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醫(yī)用傳感器設(shè)計(jì)演變
隨著互連醫(yī)療行業(yè)的不斷發(fā)展，傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)也進(jìn)行了演變，以滿足嚴(yán)苛的需求。了解有關(guān)非接觸式醫(yī)療應(yīng)用的五個(gè)注意事項(xiàng)，并查看關(guān)鍵趨勢(shì)。
隨著全新個(gè)人設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備開(kāi)發(fā)的建立，傳感器技術(shù)不斷演變，以滿足日益增長(zhǎng)的互連醫(yī)療行業(yè)的嚴(yán)苛需求。 隨著物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 等趨勢(shì)以及數(shù)據(jù)分析和人工智能等新增技術(shù)的出現(xiàn)，傳感器對(duì)于收集準(zhǔn)確數(shù)據(jù)變得更加重要。為收集這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，可使用侵入式和非侵入式傳感器技術(shù)。侵入式傳感器可用于在手術(shù)過(guò)程中監(jiān)控動(dòng)脈血壓，通過(guò)導(dǎo)管組件中的微型熱電偶測(cè)量溫度以及其他應(yīng)用。這些傳感器對(duì)兼容性和封裝有專門要求，通常采用小型一次性封裝。非侵入式和非接觸式傳感器技術(shù)的應(yīng)用范圍更加廣泛，并且設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)考慮了機(jī)械和電氣兩個(gè)方面，可支持醫(yī)療設(shè)備和器械的增長(zhǎng)。本文將介紹針對(duì)非接觸式醫(yī)療應(yīng)用的傳感器設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，并回顧需記住的關(guān)鍵趨勢(shì)。
一、耐受性
設(shè)備的耐受性（或耐用性）是首先需要考慮的一個(gè)重要概念。用于測(cè)量溫度、振動(dòng)和位置等特性的傳感元件小而精密。例如，熱電堆傳感器由一組精準(zhǔn)的小型熱敏電阻組成，用于測(cè)量其可測(cè)范圍內(nèi)的溫度。這些傳感器的封裝方式可以保護(hù)傳感元件免受外部環(huán)境的影響。這在通風(fēng)設(shè)備等應(yīng)用中至關(guān)重要，其中熱電堆用于測(cè)量表面溫度，空氣流量傳感器測(cè)量氣流溫度以針對(duì)環(huán)境變化進(jìn)行補(bǔ)償，并為裝配的其他傳感器提供溫度測(cè)量基線。傳感元件采用不銹鋼外殼封裝，處于全密封狀態(tài)，可防止外部環(huán)境（如潮濕和其他惡劣因素）對(duì)其造成影響。
同樣，可通過(guò)用于位置感測(cè)的非接觸式測(cè)量，將傳感器封裝在組件中。由于各向異性磁阻 (AMR) 位移傳感器可封裝和密封在設(shè)備內(nèi)，同時(shí)還能測(cè)量組件外的磁化量程，因而對(duì)它的需求有所增加。假體關(guān)節(jié)是個(gè)有趣的例子。在這項(xiàng)應(yīng)用中，AMR 傳感器可測(cè)量關(guān)節(jié)（如膝蓋或踝關(guān)節(jié)）的旋轉(zhuǎn)，從而對(duì)動(dòng)作進(jìn)行補(bǔ)償，形成更自然的步態(tài)模式。由于傳感器封裝在膝蓋組件內(nèi)，因此可保護(hù)其免受水、沖擊和一般磨損等環(huán)境條件的影響。因此，傳感器和運(yùn)動(dòng)肢體之間可獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，無(wú)需物理接觸。
將傳感器和處理電路封裝在密封的組件中還可解決消毒問(wèn)題。醫(yī)療應(yīng)用中的消毒可通過(guò)多種方式完成，包括使用蒸汽或暴露于環(huán)氧乙烷中。通過(guò)將傳感器封裝在設(shè)備中，可為其提供元件級(jí)別的極端溫度或濕度保護(hù)。用于動(dòng)作控制的非接觸式傳感器可安裝在組件中，并且傳感器浸沒(méi)在非導(dǎo)電液壓油中。這進(jìn)一步使傳感器嵌入組件內(nèi)，而不暴露外部元件。可穿戴設(shè)備也可能暴露于日常生活中的汗液和氯化水中。雖然這兩種元素看似無(wú)害，但如果保護(hù)不當(dāng)，電子設(shè)備和傳感器可能遇到腐蝕問(wèn)題或電氣短路。為了防止這些情況，可在傳感設(shè)備上使用專用涂層，同時(shí)仍可確保其檢測(cè)和測(cè)量的準(zhǔn)確性。
二、小型化
小型化是傳感器行業(yè)需要考慮的另一個(gè)主要趨勢(shì)，旨在縮小傳感器在產(chǎn)品內(nèi)占用的“空間”。2018 年，TE Connectivity 針對(duì)與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)相關(guān)的各種主題設(shè)計(jì)并進(jìn)行了一項(xiàng)工程師調(diào)查。我們收到了 180 名工程師的回復(fù)，他們表示對(duì)消費(fèi)者、工業(yè)和汽車物聯(lián)網(wǎng)感興趣。該調(diào)查探討了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和設(shè)計(jì)方法，然后發(fā)現(xiàn)了該領(lǐng)域存在的共同挑戰(zhàn)。關(guān)于小型化，85% 的調(diào)查參與者一致同意這應(yīng)該是一個(gè)關(guān)注焦點(diǎn)。與此同時(shí)，15% 的調(diào)查參與者認(rèn)為傳感器小型化已經(jīng)達(dá)到了所需程度。傳感器小型化不僅限于醫(yī)療市場(chǎng)，其重要性日益增加。
隨著可穿戴互聯(lián)設(shè)備的增加，構(gòu)建輕型、緊湊的設(shè)計(jì)變得非常必要。雖然手表、胸部心率監(jiān)視器和其他飾品類設(shè)備在監(jiān)視健康因素方面的準(zhǔn)確性各不相同，但它們提供的信息比過(guò)去更多。隨著消費(fèi)者對(duì)健康生活的關(guān)注日益增長(zhǎng)，擁有更精確數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)力促進(jìn)了傳感器需求的增長(zhǎng)，并且需要將更多的傳感器安裝到相同大小的包裝中。
除健康生活可穿戴設(shè)備外，小型傳感器還可內(nèi)置于電動(dòng)機(jī)械假肢中。手指的力度和控制是一項(xiàng)一絲不茍的技巧，要求進(jìn)行精確測(cè)量。在考慮力量測(cè)量時(shí)，握持一顆葡萄和將其碾碎的力量差異很大，因此，它需要手指的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)才能執(zhí)行這看似簡(jiǎn)單的任務(wù)。在指關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)處應(yīng)用磁傳感器和應(yīng)變片，可實(shí)現(xiàn)精確的無(wú)接觸控制和所需動(dòng)作。
三、數(shù)字信號(hào)處理
較高的準(zhǔn)確性是選擇醫(yī)療應(yīng)用傳感器的重要目標(biāo)，這使得數(shù)字傳感器因其精確、穩(wěn)定的輸出成為了更理想的選擇。例如，數(shù)字熱電堆溫度傳感器可實(shí)現(xiàn) 0° 到 100°C 溫度范圍的高精度讀數(shù)，誤差為 ±1°C。這些傳感器經(jīng)過(guò)定制后，可在極其嚴(yán)苛的環(huán)境下進(jìn)行更廣泛的應(yīng)用，能在 300°C 時(shí)提供高精度（誤差為 ±4.5°C）。盡管模擬產(chǎn)品通常較便宜，但數(shù)字傳感器因其設(shè)備和結(jié)構(gòu)，無(wú)需購(gòu)買其他電子元件（包括低偏移/低噪聲放大器和相關(guān)濾波器）。當(dāng)與數(shù)字輸出同時(shí)封裝時(shí)，某些傳感器技術(shù)可以傳達(dá)來(lái)自同一設(shè)備的多個(gè)輸出信號(hào)，因此無(wú)需使用整體平臺(tái)并省去了電路板的空間。
在上面提到的同一調(diào)查中，25% 的參與者表示需要降低物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電流消耗。如果實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，將降低網(wǎng)絡(luò)的整體功耗，從而減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫ΑＭㄟ^(guò)采用數(shù)字信號(hào)處理，傳感器可以設(shè)計(jì)用于更多以消費(fèi)者為主的醫(yī)療設(shè)備。這將實(shí)現(xiàn)更低的電流消耗，在不使用時(shí)能夠“休眠”并以較低電源電壓運(yùn)行，可支持使用較小的板載蓄電池。
四、 數(shù)字信號(hào)和可擴(kuò)展性
數(shù)字信號(hào)處理對(duì)可擴(kuò)展性至關(guān)重要，并且，這也是另一項(xiàng)基本注意事項(xiàng)。現(xiàn)代電子設(shè)備需要對(duì)傳統(tǒng)的模擬輸出信號(hào)進(jìn)行一定程度的轉(zhuǎn)換才能讀取和處理數(shù)據(jù)。然而，板載數(shù)字信號(hào)處理減少了系統(tǒng)或設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中的校準(zhǔn)時(shí)間，從而提供了精確度。由于傳感器生產(chǎn)商的校準(zhǔn)設(shè)備旨在測(cè)試傳感器并對(duì)其質(zhì)檢，因此 OEM 需要進(jìn)行少量投資以復(fù)制系統(tǒng)要求，從而管理從模擬到數(shù)字的信號(hào)處理。此外，傳感器生產(chǎn)商還可根據(jù)客戶要求定制機(jī)械工具、傳感器編程和校準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)即插即用設(shè)計(jì)。
五、SMT 技術(shù)和可擴(kuò)展性
根據(jù)美國(guó)醫(yī)院聯(lián)合會(huì)的統(tǒng)計(jì)，2017 年 5,000 多家美國(guó)注冊(cè)醫(yī)院接診了 3,500 萬(wàn)名以上的入院患者。雖然美國(guó)的醫(yī)療行業(yè)正在轉(zhuǎn)向減少就診次數(shù)、住院人數(shù)和住院次數(shù)，但對(duì)患者支持和監(jiān)控設(shè)備的需求仍和以往一樣。因此，設(shè)計(jì)用于可擴(kuò)展自動(dòng)化生產(chǎn)的傳感器成為了醫(yī)療行業(yè)滿足需求的理想方案。
傳感器的表面貼裝技術(shù)使設(shè)計(jì)工程師能夠?qū)鞲衅髑度虢M件的電子元件中。光電傳感器提供傳統(tǒng)的引線框架設(shè)計(jì)，手動(dòng)焊入組件，現(xiàn)可封裝用于 SMT 設(shè)計(jì)。可回流焊接封裝使工程師能夠?qū)鞲衅骷傻酵ㄟ^(guò)取放機(jī)器嵌入的組件中，從而提高整體質(zhì)量，同時(shí)減少了制造時(shí)間和成本。AMR 傳感器具有垂直或水平安裝的靈活性，也可用于 SMT 封裝。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這可在確保傳感器能夠裝入系統(tǒng)方面發(fā)揮重要作用，并為磁體放置提供更大的靈活性。
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