新型微型傳感器在醫療儀中的應用解決方案

1、前言

當今，具有智能傳感器技術(shù)撿測頭的呼吸醫療監視儀已經(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(wèn)題，并且可以用來(lái)真實(shí)紀錄一個(gè)人的呼吸狀況及其變化。

在此本文對呼吸監視儀中用微型傳感器-硅壓阻式傳感器（SPRT）與MAX1450或MAX1457信號調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、呼吸醫療監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呼吸醫療監視儀(見(jiàn)圖1右面所示)

該監視儀的用途是用來(lái)監視呼吸狀況，并能給出大致的呼吸深度。這個(gè)監測儀監測一些可以用來(lái)評價(jià)焦慮程度的重要參數：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 )導致呼出長(cháng)于吸入，二者時(shí)間之比的參數，能從一個(gè)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(shuō)明焦慮程度。監視儀對胸呼吸的觀(guān)察反映出監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中的呼吸監視儀采用硅壓阻式傳感器（SPRT—Silicon piezoresistance transducer）檢測吸入與呼出時(shí)對應壓力的降低和增加。SPRT的輸出被饋入一個(gè)MAX1450或MAX1457信號調理器芯片，而MAX1450或MAX1457信號調理器芯片又對SPRT的進(jìn)行驅激勵(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(guò)補償的電壓信號送入具有12位的模數轉換器（ADC）MAX1202。ADC輸出（數字化的壓力信號）進(jìn)入一個(gè)PC接口MAX3232，并被轉換為RS-232電平。最后信號被傳遞到PC機系統，這樣就可以顯示出呼吸波形，并對以上所述參數進(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。當有壓力施加到SPRT的敏感電橋的橋臂時(shí)(見(jiàn)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。當一個(gè)對角橋臂上的兩個(gè)電阻值在壓力的作用下增加時(shí)，另外一個(gè)對角橋臂的電阻值降低，反之亦然。對于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(xiàn)性、溫度穩定性及無(wú)信號滯回等優(yōu)點(diǎn)，其測量范圍可上至破壞性極限。

3.2硅壓阻式傳感器的應用

當今，由于新的IC技術(shù)已經(jīng)能夠精確校準SPRT，所以將硅壓阻式傳感器應用范圍從中、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變計等不足之處。但要應用硅壓阻式傳感器必須解決誤差補償-校準技術(shù)，才能提高精度。為此，首要的是應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(lèi)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(mǎn)偏信號隨溫度變化的強烈非線(xiàn)性(高達1％oK)；很大的初始失調(可至滿(mǎn)偏的100％或更高)以及失調隨溫度的強烈漂移等。在一定限度內，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(lèi)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保持相當的恒定，然而，隨著(zhù)溫度的上升，橋路電阻顯著(zhù)增加，如果電橋由恒流源驅動(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。當橋路電壓隨著(zhù)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(zhù)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代信號調理電路IC加以利用，來(lái)校正SPRT靈敏度在溫度范圍內的誤差。值得一提的是，此類(lèi)信號調理電路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)行校正與補償。以下將對目前常用的傳統校正與現代校正及簡(jiǎn)化補償方法作介紹。

5、傳統校正方法

圖3電路為傳統校正方案

它可以補償SPRT精度至適當水平，并可以對SPRT失調、失調的溫度漂移(OFFSETTC)以及SPRT靈敏度的溫度漂移進(jìn)行調整。而與SPRT靈敏度溫度漂移相關(guān)的是滿(mǎn)偏榆出(FSO)的溫度漂移，這兩個(gè)參數(指SPRT靈敏度溫度漂移與滿(mǎn)偏榆出的溫度漂移)的溫度特性互成正比，電路中的調零電阻Rjz用來(lái)補償傳感器在室溫下的失調電壓，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(zhù)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(zhù)溫度的上升而降低(或稱(chēng)負向靈敏度系數)，但因為橋路電阻受溫度影響而增加時(shí)，它所引起的靈敏度正向變化系數是大于負向靈敏度系數，所以，滿(mǎn)偏輸出(FSO)趨向于隨著(zhù)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。類(lèi)似地，Rtz或R’tz可對失調的漂移進(jìn)行校正。電路中選擇Rts還是R’tz取決于失調的溫度漂移方向。

這種傳統校正方法的優(yōu)點(diǎn)是程式簡(jiǎn)單、廉價(jià)，但主要問(wèn)題是各個(gè)補償元件之間互相影響,使校準非常困難，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整。

6、現代校正-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(guò)現代與簡(jiǎn)化補償法來(lái)校準。目前現代校正-補償技術(shù)是采用MAX145新型信號調理芯片與SPRT的組合，即成智能傳感器與技術(shù)。

用一片信號調理MAXl457 IC以驅動(dòng)呼吸監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(模數轉換器)。

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DAC(數模轉換器)，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動(dòng)ADC。為此，MAXl457的內置運放可用來(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)補償滿(mǎn)偏輸出(FSO- Full span output)的溫度誤差。對于恒流源激勵電橋，滿(mǎn)偏輸出(FSO)隨著(zhù)溫度上升而下降，造成了滿(mǎn)偏輸出的溫度相關(guān)誤差(FSOTC)。然而，如果使橋路電壓隨著(zhù)溫度以一定的速率上升，恰好補償掉滿(mǎn)偏靈敏度隨溫度的下降，則滿(mǎn)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(mǎn)偏輸出(FSO)誤差(見(jiàn)圖4所示)。

首先，由ADC對橋路電壓進(jìn)行量化，根據量化結果，找出一個(gè)預先計開(kāi)算好的四種校正系數(己保存于EEPROM內)送人FSOTC DAC。然后DAC輸出電壓對橋路激勵電流進(jìn)行調整，調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(mǎn)偏輸出(FSO)誤差。為實(shí)現平滑校正，橋路電壓被用作FSOTC DAC的參考輸入，在相鄰兩個(gè)數字補償點(diǎn)(由ADC提供給EEPROM)之間進(jìn)行模擬補償。同樣的方法被用于補償失調的溫度漂移(OFFSETTC)，所不同的是，OFFSETTC DAC的輸出電壓被饋人PGA輸出端的求和節點(diǎn)(而不是MAX1457的電流源)。

6.2對上述四種溫度校正系數的計算步驟的說(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據，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據。利用這些極限溫度點(diǎn)的數據，專(zhuān)為MAXl457設計的應用軟件可計算出四種校正系數：滿(mǎn)偏輸出（FSO）、滿(mǎn)偏輸出的溫度相關(guān)誤差（FSOTC）、偏移-失調（Offset）、失調的溫度偏移（OFFSETTC），這四種系數可以修正SPRT的一階誤差。

為獲得0.1%的精度，MAXl457允許在特定溫度進(jìn)行補償，只需對每個(gè)規定溫度計算FSOTC和OFFSETTC由用戶(hù)決定校準點(diǎn)的數量(最多至120點(diǎn))。如果傳感器誤差具有良好的可重復性，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和滿(mǎn)度調整：失調在PGA輸出端進(jìn)行補償,而FSO的修正通過(guò)電流源實(shí)現。另一個(gè)好處是，由于針對不同溫度點(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，因為后者無(wú)法在特定溫度點(diǎn)對傳感器進(jìn)行精確補償。

由于MAX1457所提供的精度可遠高于一個(gè)呼吸監視儀的要求，之所以選擇它，主要是因為它內部還包含一個(gè)附加的運放，可以對呼吸監視儀傳感器的低電平信號進(jìn)行放大。由于MAX1457使監視儀可以工作在很寬的溫度范圍，應用SPRT和MAX1457組合可獲得優(yōu)異的精度，為此它能應用于空間探測及潛水呼吸器等領(lǐng)域。

7、實(shí)用的簡(jiǎn)化校正方案

正因為MAX1457所提供的精度可遠高于一個(gè)呼吸監視儀的要求，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信號調理器的簡(jiǎn)化校補償方案（見(jiàn)圖5所示）。

7.1MAX1450信號調理器的功能本質(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和激光微調電阻(圖5所示的外接微調電阻)相結合提供了一種低成本的解決方案， 即用MAX1450信號調理器配合外部激光微調電阻可提供1%精度。調整圖5中的RFSOA微調電阻用來(lái)設定初始(FSO)靈敏度，而失調溫度漂移(OFFSETTC)的補償是通過(guò)ROFFA和ROTCA微調電阻的調整來(lái)實(shí)現。

7.2MAX1450引腳功能的介紹

A0程控放大器(PGA)增益設置最低位輸入；A1程控放大器增益設置；A2程控放大器(PGA)增益設置最高位輸入；SOTC程控放大器電流過(guò)流控制開(kāi)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電橋驅動(dòng)電流設置輸入；OUT程控放大器輸出電壓；ISRC電流源基準；BDRIVE激勵電流輸出；INM傳感器負信號輸出；INP傳感器正信號輸出；VDD電源電壓；VSS地。

8、結束語(yǔ)

由于新的信號調理器IC技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)能夠精確校準SPRT誤差，壓阻式傳感器除了在醫用領(lǐng)域中應用外，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。這從上述幾種設計方案可看出，通過(guò)應用硅壓阻式傳感器(SPRT)與MAX1450、MAX1457等信號調理器芯片所組成的智能傳感器使研發(fā)的新型呼吸監視儀具有精度高、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)需要用昂貴的應變計的設想是可以實(shí)現的。

據初步使用，該新型硅壓阻式傳感器(SPRT)與MAX1450、MAX1457等信號調理器芯片所組成的智能傳感器使研發(fā)的新型呼吸監視儀經(jīng)過(guò)醫療機構和誠信指數(心理狀態(tài)變化引發(fā)生理指標變化的檢測)檢定儀在招聘與企業(yè)考核的試用，其效果良好。尤其在醫院診療中使醫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精度有很大提高，根據多次試用，其定性(PC機上顯示器)與定量(數字記錄儀)測量結果為醫生全面確定癥狀有了更科學(xué)的依據。