PDF《适用于医疗设备应用的压阻式力传感器的优势》

医用传感器///适用于医疗设备应用的压阻式力传感器的优势

1 作者:Sean Gough 产品管理部总监 引言 力传感器在医疗设备中很少被提及,但其实它是不可或缺的一种解 决方案,因为它们在许多关键应用(最显著的是输液泵)中发挥关 键作用.

尽管如此,提供力传感器的企业屈指可数.TE 传感器解决 方案在力传感器设计和制造领域处于领先地位.TE 利用专有技术提 供非常成熟的压力型力/称重传感器,此类传感器具有非常高的性 价比.此白皮书简短地介绍了 TE力传感器技术、典型应用领域以及 为全球客户带来的价值. 电子控制功能在现代医疗中起到难以估量的作用.现今的医疗设备 通过传感器提供的状态及处理过程数据辅助其进行准确、安全、有 效地病患监测、诊断和治疗. 因此,传感器在医疗设备中的应用范围极广,从植入式传感器到应 用于导管和/或体腔内的传感器,以及用于液体或其他严峻环境下 的外用传感器等(如图 1). 由于医疗卫生部门仍面临全球化的高成本压力,因此,传感器被寄 予厚望,希望其能起到平衡技术成本与达到具体装置的预期使用效 果或治疗效果的作用.在竞争激烈的市场环境下(以及在某些细分 化世界区域),医疗设备厂商(OEM)可以在其产品中安装特定用 途的传感器技术,从而使其产品具有领先优势. 使用案例及相关技术 TE 的专家们创造了广泛而精深的传感器+应用专门技术,并已将此 专门技术应用到了医疗设备领域传感器解决方案开发中,医疗设备 图1:监测药物注射过程中的流量及/或预 计阻塞情况是低压力称重传感器的一个应 用领域 适用于医疗设备应用的压阻式力传感器的优势 适用于医疗设备应用的压阻式力传感器的优势 适用于医疗设备应用的压阻式力传感器的优势 适用于医疗设备应用的压阻式力传感器的优势 适用于医疗设备应用的压阻式力传感器的优势 适用于医疗设备应用的压阻式力传感器的优势 适用于医疗设备应用的压阻式力传感器的优势 适用于医疗设备应用的压阻式力传感器的优势 医用传感器 ///适用于医疗设备应用的压阻式力传感器的优势

2 领域传感器解决方案作为一个较大的产品分支,其范围甚广,目前 大概有

40000 多种产品并涵盖多个纵向市场.这一产品应用范围与 企业全球性足迹范围的结合,将使TE成为世界上最大的传感器专家 之一. TE 医用传感器所涵盖的测量范围包括对气泡、力、湿度、液量、位置、压力、脉搏/脉冲、温度和振动/加速等的监测.按照医疗设备 的应用类型进行分类,传感器的应用设备类型应包括介入治疗器械、 手术设备、病患监测设备、呼吸和透析设备、医院基础设施(如医 疗气体分布)和穿戴式医疗仪器等. 医疗设备制造商可选择的 TE 传感器技术包括: 电容式薄膜 浮子/磁和簧片开关 箔应变仪 红外热电堆 线性弦丝电位计 磁/光编码器 麦克风 微热电偶 负热敏系数电阻 压阻式硅微电子机械系统 压阻式陶瓷聚合物 光学照相 硅应变仪 电容式液位计 超声波压电薄膜片/陶瓷片 超声波探头 本白皮书重点介绍微熔力传感器,微熔力传感器用于包括输液泵在 内的多种类型的医疗设备. 通常,可采用多种输液泵将液体、药物或营养物注入到患者的循环 系统内.虽然注射主要以静脉注射为主,但在少数情况下,输液泵 也被用于皮下注射、动脉注射和硬膜外注射.影响输液泵工作效果 的可变因素有多个,包括液体体积和注射方式(分为连续注射、间 歇性注射或病患可控注射).而为确保液体流动的流畅性,可在输 液泵上安装传感器,以监测可能发生的阻塞情况.采用这种方式提 高病患的安全性可被理解为对希波克拉底氏誓言的践行. 由于正确的剂量(=单位时间注射量)可直接影响治疗效果,继而 影响病人的健康,因此输液泵监测与病人的康健具有高度相关性. 这在医院和家庭护理中同样适用:通常而言,医疗站(重症监护室、 医院或门诊)医护人员的配备是受经济因素制约的,因此,医护人 员很难实时监测到单个病人的输液状况.另外,需要在家输液的病 人如果不具备基于传感器技术的集成化电子控制功能的支持,就意 味着他们不具备检查输液泵是否正常的医疗条件和技术条件. 无论在家还是在医院,压力型力传感器都能发挥其作用,监测出需 要立即采取纠正措施的输液管阻塞情况.在不考虑这一核心功能的 情况下,称重传感器必须既能严格控制成本,又能达到质量/可靠 性标准. 力/称重传感器 尽管外部医用传感器,如输液泵,相较于植入式传感器等,需要突 破的技术难度较小,但仍需达到极高的要求.这是为什么呢?力测 量给出了一个很好的例子. 力传感器(也称为 称重传感器 )的应用范围很广,比如输液泵. 还有,物理治疗、医院病床(测量病患体重)、手术钉枪、急救时 心脏复苏(CPR)辅助设备以及氧气管的监测等. TE 多年来一直在向欧洲的医疗设备 OEM 厂商以及具有较强竞争力的 美国市场提供称重传感器(如图 2). FS20 微型力传感器依托 TE 的专有技术,不仅采用机电系统装机, 而且还极具经济性(图3).在测量过程中,FS20 传感器还纳入了 压阻式作用原理. 图3:采用 FS20 微熔低量程压力传感器监 测输液泵. 图2:TE 的微型力传感器 适用于医疗设备应用的压阻式力传感器的优势 适用于医疗设备应用的压阻式力传感器的优势 适用于医疗设备应用的压阻式力传感器的优势 适用于医疗设备应用的压阻式力传感器的优势 医用传感器 ///适用于医疗设备应用的压阻式力传感器的优势

3 工作原理 压阻式应变广泛应用于传感器技术.下面对此将不再重点说明,主 要侧重于对医用称重传感器的说明.下面给出两个产品例子,用于 说明该产品的工作原理. 在FS20 力传感器(如图 3)中,传感器顶部的圆盘形荷载收集器会 受到泵中流体压力产生的机械应力.这个金属荷载收集器作为一个 作用点,其在额定负载运行状态下的受压偏心误差最大为 0.05 毫米.荷载收集器的下面设置了一个压阻式硅应变片.当该应变片承 受荷载收集器弯曲产生的弹性应力时,应变片结构的阻力就会发生 改变. 这种改变在集成电路中得到处理后,正向输送给输出线.标准化传 感器的零点及稳定性跨度,确保传感器的互换性.温度影响得到补 偿.FS20 传感器的连接和框图,见图 4. 图4:FS20 低量程压力称重传感器的放大输出线路图 符合 RoHS 认证的 FS20 称重传感器有两款量程可选:750 克和

1500 克.这款传感器具有大信号输出、噪声低、偏心误差小、高过载能 力(高达 2.5 倍),快速、精准响应(1%的误差)以及 0°C 到50°C 温度补偿的特点,因而成为输液泵监测的绝佳之选. 在形变非常小的情况下,这款传感器不存在寿命限制.由于其设计 非常小巧(25.1 x 17.27 x 8.26 mm),因此非常适合于多种受空 间限制的应用. FC22 微型力传感器的工作原理与之相同;

但其工作区域则相对较小, 有利于直接进行点的力测量.这款传感器极好的形状系数和连接线 连接能力可提供不同的集成选择,见图 5. FC22 称重传感器还有一款毫伏电桥版,具体见图 6. 图7提供了一个较高量程的称重传感器示例:FX1901 压力传感器. FX1901 压力传感器符合 RoHS 认证,被应用于物理治疗、病患体重 (电子秤)测量和脊柱神经按摩治疗和健身器材等方面. 图5:FC22 微型低量程压力称重传感器 图7:FX1901 压力称重传感器 图6:FC22 微型低量程压力称重传 感器的毫伏电桥图 适用于医疗设备应用的压阻式力传感器的优势 适用于医疗设备应用的压阻式力传感器的优势 适用于医疗设备应用的压阻式力传感器的优势 适用于医疗设备应用的压阻式力传感器的优势 医用传感器 ///适用于医疗设备应用的压阻式力传感器的优势

4 FX1901 具有五种力量程范围:分别在

10 到200lbf(相当于

5 到100 千克)之间.其模拟输出信号是 20mV/V.而且这款 精确度为 1%的称重传感器的结构设计非常经济(如图 8). 微熔(Microfused)技术 FS

20、FC22 和FX1901 压力称重传感器的共同特性在于,三者都采 用了 TE应用于医疗市场的专有硅压阻应变片(Microfused)技术,在 极低成本的封装中整合了耐用性和长期稳定性. 这种技术通过高温熔解玻璃将微机械加工硅压阻式应变片与高性能 不锈钢基板粘合.工艺成熟、可靠,已成功交付成百上千万个力传 感器,广泛应用于多种类型的医疗设备之中. 微熔技术彻底摆脱了传统力传感器中使用的容易老化的有机环氧树 脂,避免了树脂老化带来的潜在问题,从而具有极好的零点和长期 稳定性. 竞争对手常使用的充硅胶压力腔设计会存在芯片引脚疲劳故障;

但 这类传感器直接测量力,因而避免了这种问题.使用微熔技术的传 感器在极低应变下运行,产品不存在寿命限制,........