Cảm biến áp suất y tế: Kết hợp đầu ra và đóng gói MEMS với các thiết bị lâm sàng

Mỗi máy bơm truyền dịch, máy thở và máy đo huyết áp không xâm lấn đều dựa vào cảm biến áp suất y tế giữ được sự hiệu chuẩn của họ qua nhiều năm phục vụ lâm sàng. Khi bạn chỉ định một thiết bị cho thiết bị tiếp xúc với bệnh nhân, có ba quyết định sẽ xác định xem sản phẩm có vượt qua quá trình xác thực hay không: cấp độ chính xác, định dạng đầu ra và bao bì. Chọn những thứ đó một cách chính xác và cảm biến sẽ trở thành một bộ phận yên tĩnh; chọn sai và nó trở thành sai sót đắt giá nhất trong danh mục vật liệu của bạn.

Điều gì xác định cảm biến áp suất y tế để sử dụng trong lâm sàng?

Cảm biến áp suất MEMS cấp y tế không được xác định bởi một chứng nhận duy nhất mà bởi thông số kỹ thuật về độ ổn định, khả năng tương thích vật liệu và hiệu chuẩn cấp đơn vị.

Cảm biến áp suất MEMS là một thiết bị cơ điện vi mô chuyển đổi áp suất thành tín hiệu điện thông qua một màng ngăn uốn cong dưới áp suất tác dụng. Một phần tử áp điện bên trong màng ngăn sẽ đo độ lệch đó. Hiện đã có thiết kế điện dung, nhưng cảm biến áp suất MEMS áp điện chiếm ưu thế trong các thiết bị y tế vì chúng cung cấp phản hồi DC ổn định, độ trễ thấp và quy trình hiệu chuẩn hoàn thiện.

Các đặc điểm kỹ thuật quan trọng là độ chính xác. Cảm biến FSS 1 phần trăm trên đường truyền 0-300 mmHg có độ chính xác trong khoảng 6 mmHg. Biên độ đó rất quan trọng khi ngưỡng báo động nằm ở mức 30 mmHg. Thông số thứ hai là cách ly trung bình: cảm biến tiếp xúc với chất lỏng cần có lớp gel bảo vệ hoặc hàng rào bằng thép không gỉ để màng ngăn không chạm vào nước muối, máu hoặc thuốc.

Độ chính xác của cảm biến áp suất y tế: Giới hạn đối với các phép đo quan trọng của bệnh nhân

Đối với các thiết bị lâm sàng, các mục tiêu có độ chính xác thực tế nằm trong khoảng từ 0,5% đến 1% trên toàn thang đo và mỗi thiết bị phải gửi kèm theo dữ liệu hiệu chuẩn riêng.

Các kỹ sư thiết bị thường chỉ định các cảm biến có độ chính xác 1,0% FSS và sau đó gặp khó khăn khi hệ thống không chịu được nhiệt độ cơ thể tăng cao. Nguyên nhân thường là do trôi nhiệt chứ không phải độ chính xác của cơ sở. Một cảm biến được hiệu chỉnh ở 23 độ C có thể chênh lệch vài phần trăm FSS khi thiết bị ấm lên đến 37 độ C trong quá trình sử dụng, trừ khi nhà cung cấp áp dụng biện pháp bù nhiệt độ tại nhà máy.

Cảm biến áp suất dòng MCP5XXXDP có bù nhiệt độ cho các ứng dụng y tế Bộ chuyển đổi áp điện silicon này cung cấp đầu ra analog và được bù nhiệt độ trong khoảng từ 10 đến 60°C, khiến nó trở nên đáng tin cậy trong mọi phạm vi hoạt động. Nó phù hợp với các thiết bị y tế như máy thở và màn hình nơi có vấn đề trôi nhiệt. Xem sản phẩm →

Bởi vì sự trôi dạt nhiệt chiếm ưu thế trong phạm vi lỗi nên hãy yêu cầu nhà cung cấp thông số kỹ thuật bù nhiệt độ chứ không chỉ là con số chính xác ở nhiệt độ phòng. Việc bù thường được thực hiện bằng hiệu chỉnh 2 điểm hoặc 3 điểm trong khoảng 0-50 độ C. Kết quả phải là cảm biến giữ đầu ra của nó bên trong dải chính xác đã nêu trong toàn bộ phạm vi nhiệt độ sản xuất, không chỉ ở 23 độ C.

Đầu ra analog hoặc kỹ thuật số: Chuỗi tín hiệu và giao diện phù hợp

Chọn đầu ra analog khi bộ chuyển đổi và chuỗi bộ khuếch đại của bạn đã được cố định; chọn kỹ thuật số khi bạn cần số đọc được hiệu chỉnh qua I2C hoặc SPI và muốn tránh việc cắt bớt phần bù trên mỗi đơn vị.

Cảm biến tương tự tạo ra điện áp đo tỷ lệ theo nguồn cung cấp và áp suất. Chúng đơn giản, rẻ tiền và thoải mái cho nhóm thiết kế. Mặt khác, cảm biến kỹ thuật số chứa ADC trên chip, cảm biến nhiệt độ và một bộ hệ số hiệu chuẩn. Chúng trả về số đọc áp suất được bù đầy đủ qua giao diện nối tiếp.

Cảm biến áp suất MCP-H20 và MCP-H21 cho thiết bị y tế Các cảm biến áp suất SOP này có phiên bản analog và kỹ thuật số. H21 cung cấp áp suất và nhiệt độ kỹ thuật số 24 bit thông qua I2C, trong khi H20 cung cấp đầu ra analog. Cả hai đều được thiết kế cho thiết bị điện tử tiêu dùng và y tế, với các tùy chọn cho nhiều phạm vi áp suất khác nhau. Xem sản phẩm →

Các thiết bị y tế có không gian PCB hạn chế và MCU sẵn sàng thường phù hợp với cảm biến kỹ thuật số. Nếu thiết bị của bạn đã có ADC chính xác thì cảm biến analog sẽ giảm chi phí mà không ảnh hưởng đến độ chính xác.

Cấu hình đóng gói và cổng: Rủi ro lắp ráp tại hiện trường

Bao bì, chứ không phải silicon, là nguyên nhân phổ biến nhất gây ra lỗi trường trong cảm biến áp suất y tế.

Cảm biến áp suất MEMS nhanh chóng hỏng khi màng ngăn bị nhiễm bẩn, khi cổng bị rò rỉ hoặc khi ứng suất cơ học truyền đến gói hàng. Ba quyết định đóng gói ảnh hưởng đến năng suất lắp ráp của bạn.

1. Dấu chân gói: SOP (gắn bề mặt) nhỏ hơn và phù hợp với việc tích hợp PCB; DIP/SIP (phích cắm trực tiếp) cho phép lắp vách ngăn và bảo trì dễ dàng hơn.
2. Loại cổng: Cổng ống phù hợp với ống silicon dẻo; cổng núm vú kết nối với một đường khí nén; Cổng gắn PCB được sử dụng khi cảm biến nằm trực tiếp trên khoang kín.
3. Lớp phủ gel: Một lớp gel silicon trên màng ngăn cách ly silicon khỏi mạch chất lỏng, cho phép đo chất lỏng trong đường huyết áp và dịch thẩm tách.

Cảm biến áp suất MCP-H10 và MCP-H11 có vòi dùng trong y tế Các cảm biến SOP nhỏ gọn này tích hợp chức năng khuếch đại và bù. H10 xuất ra điện áp tương tự từ 0,5V đến 4,5V, trong khi H11 cung cấp áp suất và nhiệt độ kỹ thuật số 24 bit. Chúng thích hợp cho máy đo huyết áp và các thiết bị y tế khác với dải áp suất rộng. Xem sản phẩm →

Nếu cảm biến được sử dụng trong môi trường ẩm ướt, gel phải được chỉ định với độ dày thành và cấu hình xử lý, vì độ dày của gel ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian phản hồi và độ trễ nhiệt.

Hiệu chuẩn và tính nhất quán hàng loạt trong cảm biến áp suất y tế

Mọi cảm biến phải được đưa về 0 và trải dài tại dây chuyền của nhà cung cấp trước khi rời khỏi nhà máy và việc thử nghiệm mẫu không được chấp nhận đối với các thiết bị tiếp xúc với bệnh nhân.

Tại MemsTech (Wuxi Mems Tech Co., Ltd.), quy trình hiệu chuẩn được tự động hóa, với mỗi thiết bị nhận được mức điều chỉnh bằng 0 và toàn thang cộng với bù nhiệt độ. Đầu ra là tính nhất quán của lô thể hiện dưới dạng sự phân bổ chặt chẽ các độ lệch trên trục quay, đây là điều mà một kỹ sư chất lượng muốn thấy khi lô sản xuất đến.

Đánh giá độ ổn định thường được báo cáo là độ lệch FSS mỗi năm. Hãy tìm con số dưới 0,1 phần trăm mỗi năm cho các phạm vi được sử dụng trong theo dõi bệnh nhân vì cảm biến sẽ được xác thực một lần và sau đó được tin cậy trong suốt thời gian sử dụng của nó.

Bảng tham chiếu chéo dành cho nhóm thiết bị y tế

Sử dụng bảng này để chuyển các yêu cầu đo lường sang cấu hình cảm biến áp suất.

Thay vì ghi nhớ số bộ phận, hãy so sánh các yếu tố quyết định thực sự thay đổi danh mục vật liệu và hồ sơ rủi ro của bạn.

Câu hỏi thường gặp

Các câu hỏi dưới đây đề cập đến các quyết định mà nhóm thiết bị y tế thường đưa ra nhất trong quá trình tìm nguồn cung ứng cảm biến áp suất.

Tôi nên chỉ định độ chính xác nào cho cảm biến áp suất cấp lâm sàng?

Hầu hết các ứng dụng tiếp xúc với bệnh nhân chỉ định 1% nhịp toàn thang làm độ chính xác cơ bản, với 0,5% dành riêng cho thông khí và truyền dịch quan trọng. Nền tảng MemsTech cung cấp các cảm biến được đánh giá có độ chính xác tới 0,2% FSS.

Có thể sử dụng cùng một cảm biến áp suất để đo cả không khí và chất lỏng không?

Chip MEMS tiêu chuẩn đo áp suất không khí hoặc khí đốt. Để đo tiếp xúc với chất lỏng, cảm biến phải có lớp phủ gel silicon hoặc tấm chắn cách ly bằng thép không gỉ để môi trường không bao giờ chạm vào màng chắn silicon.

Sự khác biệt giữa cảm biến áp suất MEMS analog và kỹ thuật số là gì?

Một cảm biến analog trả về điện áp tỷ lệ thuận với áp suất. Cảm biến kỹ thuật số chứa ADC và các hệ số hiệu chuẩn trên chip, trả về số đo được bù qua I2C hoặc SPI. Đầu ra kỹ thuật số làm giảm công việc của phần sụn nhưng chi phí cao hơn một chút.

Việc bù nhiệt độ ảnh hưởng đến độ tin cậy như thế nào?

Cảm biến không bù có thể chênh lệch 8% FSS trong khoảng từ 0 đến 50 độ C. Cảm biến được bù hoàn toàn giữ đầu ra của nó trong khoảng 1% hoặc ít hơn, đó là lý do tại sao bù là yêu cầu thiết yếu đối với các phép đo kết hợp với bệnh nhân.