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新型微型傳感器特征及在醫療儀中的應用研究
發布時間：2017-09-01
1、前言
當今，具有智能傳感器技術撿測頭的呼吸醫療監視儀已經聞世，這就比較理想地解決了對各種情感和呼吸之間聯系作大量研究的問題，并且可以用來真實紀錄一個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方案中的功能作一個分析與介紹。
2、呼吸醫療監視儀與智能傳感器及技術
2.1呼吸醫療監視儀
該監視儀的用途是用來監視呼吸狀況，并能給出大致的呼吸深度。這個監測儀監測一些可以用來評價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、積極的情緒通常會導致呼出長于吸入，二者時間之比的參數，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。監視儀對胸呼吸的觀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
圖1中的呼吸監視儀采用硅壓阻式傳感器(SPRT―Silicon piezoresistance transducer)檢測
吸入與呼出時對應壓力的降低和增加。SPRT的輸出被饋入一個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 后將經過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)進入一個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行分析。
3、關于硅壓阻式傳感器(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將發生相同方 向、相同大小的改變,即R+△R和R-△R。當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、 溫度穩定性及無信號滯回等優點，其測量范圍可上至破壞性極限。
3.2硅壓阻式傳感器的應用
當今，由于新的IC技術已經能夠精確校準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域。彌補了以往SPRT通常只能 用于中、低精度檢測，而對高端產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，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(可至滿偏的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 溫度的上升，橋路電阻顯著增加，如果電橋由恒流源驅動，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代信號調理電路IC加以利用，來校正SPRT靈敏度在溫度 范圍內的誤差。值得一提的是，此類信號調理電路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SPRT產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校正與現代校正及簡化補償方法作介紹。
5、傳統校正方法
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行調整。而與 SPRT靈敏度溫度漂移相關的是滿偏榆出(FSO)的溫度漂移，這兩個參數(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 的調零電阻Rjz用來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(或稱負向靈敏度系數)，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是大于負向靈敏度系數，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。類似地，Rtz或R'tz可對失調的漂移進行校正。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,使校準非常困難，并限制了所能達到的精度，該校正技術也不便于采用電子調整。
6、現代校正-補償技術
由于SPRT的誤差幅度范圍很寬，因而必須要用通過現代與簡化補償法來校準。目前現代校正-補償技術是
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。
用一片信號調理MAXl457 IC以驅動呼吸監視儀的硅壓阻式傳感器(SPRT)，并校正傳感器的誤差。MAXl457它帶一個用于驅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(模數轉換器)。
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ADC。為此，MAXl457的內置運放可用來提升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，恰好補償掉滿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，根據量化結果，找出一個預先計開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偏輸出 (FSO)誤差。為實現平滑校正，橋路電壓被用作FSOTC DAC的參考輸入，在相鄰兩個數字補償點(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(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的數據，專為MAXl457設計的應用軟件可計算出四種校正系數：滿偏輸出(FSO)、滿偏輸出的溫度相關誤差 (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允許在特定溫度進行補償，只需對每個規定溫度計算FSOTC和OFFSETTC由用戶決定校準點的數量(最多至120點)。如果傳感器誤差具有良好的可重復性，此種SPRT與MAXl457組合可獲得優于0.1%的精度。
MAXl457的補償技術相對于圖3所示的傳統方法具有明顯優勢。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度 調整：失調在PGA輸出端進行補償,而FSO的修正通過電流源實現。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 質上優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所提供的精度可遠高于一個呼吸監視儀的要求，之所以選擇它，主要是因為它內部還包含一個附加的運放，可以對呼吸監視儀傳感器 的低電平信號進行放大。由于MAX1457使監視儀可以工作在很寬的溫度范圍，應用SPRT和MAX1457組合可獲得優異的精度，為此它能應用于空間探 測及潛水呼吸器等領域。
7、實用的簡化校正方案
正因為MAX1457所提供的精度可遠高于一個呼吸監視儀的要求，所以沒有必要采用16位分辨率的DAC進行校正。
7.1MAX1450信號調理器的功能本質與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微調電阻用來設定初始(FSO)靈敏度，而失調溫度漂移 (OFFSETTC)的補償是通過ROFFA和ROTCA微調電阻的調整來實現。
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 過流控制開關;SOFF程控放大器電源關;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
由于新的信號調理器IC技術的發展，已經能夠精確校準SPRT誤差，壓阻式傳感器除了在醫用領域中應用外，還可拓寬到其它工業安全以及軍事領域 等高端產品之中。這從上述幾種設計方案可看出，通過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 使研發的新型呼吸監視儀具有精度高、成本低、技術成熟的特點，也證明了在高端產品中無需要用昂貴的應變計的設想是可以實現的。
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的新型呼吸監視儀經 過醫療機構和誠信指數(心理狀態變化引發生理指標變化的檢測)檢定儀在招聘與企業考核的試用，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 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的依據。
摘自：中國計量測控網
