【導(dǎo)讀】醫(yī)療電子技術(shù)不斷發(fā)展,不同的醫(yī)療設(shè)備具有不同的技術(shù)發(fā)展趨勢。如何選擇恰當?shù)陌雽?dǎo)體器件實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計,以滿足便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品在功耗、性能和價格等方面的要求,已成為醫(yī)療設(shè)備制造廠商面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。本文就為大家分享如何選擇IC元器件。
隨著人們對自身健康狀況的日益關(guān)注,便攜式超聲波診斷設(shè)備、血壓計、血糖計等個人健康監(jiān)護設(shè)備開始獲得市場青睞。醫(yī)療電子技術(shù)不斷發(fā)展,不同的醫(yī)療設(shè)備具有不同的技術(shù)發(fā)展趨勢。即便同類設(shè)備,也會因為產(chǎn)品的具體應(yīng)用而有不同的技術(shù)要求和發(fā)展方向。例如,超聲臨床設(shè)備要求低噪聲、寬動態(tài)范圍等高性能指標;而便攜系統(tǒng)則要對性能和功耗進行權(quán)衡,為了滿足便攜性需求,要求器件具有低功耗和高集成度特性。便攜式保健產(chǎn)品則要求保持良好的可重復(fù)性,產(chǎn)品在整個工作溫度范圍、工作電壓和使用周期內(nèi)具有極低的漂移。
如何選擇恰當?shù)陌雽?dǎo)體器件實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計,以滿足便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品在功耗、性能和價格等方面的要求,已成為醫(yī)療設(shè)備制造廠商面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體技術(shù)的進步有力促進了醫(yī)療電子設(shè)備向低功耗、小尺寸、高集成度的方向發(fā)展。半導(dǎo)體廠商需要全面分析具體系統(tǒng)的規(guī)格要求和不同參數(shù)在系統(tǒng)中的重要性,以便提供高性價比的解決方案。
降低系統(tǒng)功耗
圖1(圖1必須放)所示為通用便攜式醫(yī)療設(shè)備的原理框圖,該系統(tǒng)需要大量的功能電路:從采集傳感器輸出的模擬前端到顯示結(jié)果的顯示器控制、電池充電、電源管理等?;谶@種架構(gòu)的便攜式醫(yī)療設(shè)備要求低功耗和較寬的工作電壓范圍(直接由電池供電),為了簡化設(shè)計、減小產(chǎn)品尺寸,要求器件具有極小的封裝外形。
圖1. 通用便攜式醫(yī)療設(shè)備原理框圖。圖中黃色區(qū)域可由MAX1359單芯片數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)實現(xiàn)。
為了滿足系統(tǒng)功能要求,Maxim開發(fā)出多種產(chǎn)品,從基于低功耗微處理器的數(shù)據(jù)采集器到有效延長電池壽命的低功耗電源管理電路。為了簡化系統(tǒng)設(shè)計、減少器件數(shù)量、降低系統(tǒng)功耗,Maxim推出了高度集成的混合信號微處理器,以及智能化更高的電池和電源管理芯片。
提高測量精度
便攜式醫(yī)療設(shè)備需要頻繁測量溫度,以便修正傳感器的溫度特性。溫度測量器件有多種選擇,例如:熱敏電阻、PN結(jié)、提供線性輸出的集成電路等。器件的選擇取決于尺寸、成本、功耗以及精度等多項指標。提高傳感器的精度是改善便攜式醫(yī)療產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵。
以血糖儀的檢驗系統(tǒng)為例,該系統(tǒng)利用電化學反應(yīng)檢測病人的血糖度,測試精度對溫度的變化非常敏感。因此,需要對環(huán)境溫度進行測量以修正室溫測量參數(shù)。另外,還需要避免儀器工作在超出精度范圍限制的溫度之外,這一點對于便攜產(chǎn)品尤其重要,因為這些產(chǎn)品常常工作在炎熱或寒冷的室外環(huán)境。
圖1所示通用系統(tǒng)框圖同樣適合血糖儀測量,傳感器端口用于連接血糖電化學反應(yīng)測試條,溫度傳感器用于測量環(huán)境溫度,該傳感器可以采用外部器件,也可以使用芯片內(nèi)部的傳感器,或者對兩者的溫度都進行測量。
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降低系統(tǒng)成本
單芯片溫度傳感器是低成本應(yīng)用的理想選擇。為了降低系統(tǒng)成本,可以利用芯片的內(nèi)部溫度傳感器進行校準,補償血糖傳感器所處位置的外部溫度。系統(tǒng)可利用測量值修正傳感器溫度,提供精確讀數(shù)。溫度讀數(shù)對應(yīng)于二極管的實際結(jié)溫,對于連續(xù)監(jiān)測溫度變化的系統(tǒng),可以直接使用溫度讀數(shù)。對于需要獲得封裝外部溫度的應(yīng)用,需要對讀數(shù)進行調(diào)整才能得到更準確的數(shù)值。
校準的關(guān)鍵因素在于,保證溫度傳感器測量的是葡萄糖測試反應(yīng)發(fā)生處的溫度,即葡萄糖測試條所處位置。測試設(shè)備應(yīng)該考慮到任何影響產(chǎn)品精度的溫度偏差。
MAX1359是16位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),采用節(jié)省空間的40引腳TQFN封裝,3.3V供電時僅消耗1.7mA的電流,用于實現(xiàn)模擬接口、信號采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能,非常適合于便攜式醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用。MAX1359數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實現(xiàn)圖1中黃色標記的功能模塊。
MAX1359數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部的二極管結(jié)可用于校準數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng),利用二極管的I-V特性測量溫度,為了提高測量精度,將校準系數(shù)存儲在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部,修正讀數(shù)誤差,以獲得最高精度。校準系數(shù)可以存儲在芯片內(nèi)部,也可以存儲在主處理器的非易失存儲器中,上電時裝載到芯片內(nèi)。
MAX1359的內(nèi)部溫度檢測器可以測量內(nèi)部二極管結(jié)的溫度,也可以測量外部溫度傳感器的溫度,存儲在芯片內(nèi)部的兩個常數(shù)(GS、OS)用于修正內(nèi)部結(jié)溫變化以及其他電路偏離理想狀態(tài)時所產(chǎn)生的誤差。
MAX1359測量的是內(nèi)部結(jié)溫。該模型中,將溫度特性轉(zhuǎn)換成等效電路(注:工廠可以將芯片置于恒溫油槽,將TA和Tc強制在相同溫度對芯片進行校準)。一旦芯片安裝在電路板上(圖2,MAX1359的Tj將取決于以下因素:
* PCB溫度
* PCB周圍的環(huán)境溫度
* PCB封裝的導(dǎo)熱性
* MAX1359的功耗
* PCB的耗散功率
* 產(chǎn)品工作的環(huán)境溫度
* 產(chǎn)品與周圍環(huán)境的隔熱層
圖2. 安裝在電路板上的MAX1359的溫度模型
上述因素直接影響MAX1359內(nèi)部溫度Tj與MAX359外部測量點溫度的差異,這意味著利用器件測量的Tj只是實際溫度Text的估算值Test,值得慶幸的是,可以通過一些測試手段縮小Tj與Text之間的誤差。
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可以利用一個簡單流程修正產(chǎn)品規(guī)格的偏差,圖5所示的工作表給出了修正流程。修正系數(shù)(GS、OS)儲存在MAX1359內(nèi)部(TEMP_CAL寄存器),可通過SPI總線從芯片內(nèi)部讀取這些數(shù)值。利用下式計算修正后的數(shù)據(jù):
Testimate (℃) = Tmeas (℃) x Gs + Os (℃)
利用修正系數(shù)將測量值Tj轉(zhuǎn)換為實際溫度的估算值,測量產(chǎn)品的溫差需要兩個參數(shù):MAX1359估算的溫度值(見圖5中的C)和產(chǎn)品外部的實際溫度(見圖3中的A)。實際溫度由高精度傳感器、測試儀表得到。根據(jù)A和C可以計算出D值,產(chǎn)品的溫差(通常在0℃~+6℃之間)。
圖3. 跟據(jù)存儲的校準系數(shù)計算溫差的修正值
需要按照該流程進行重復(fù)測試,以確保獲得的參數(shù)在不同測試環(huán)境、同一系列的儀器下保持穩(wěn)定。如果不能得到穩(wěn)定的溫差值,則需針對每臺設(shè)備提供定制參數(shù)。在能夠獲得穩(wěn)定參數(shù)的情況下,可以將數(shù)值直接存儲到硬件電路,以便固件調(diào)用。如果不能得到穩(wěn)定的數(shù)值,則需將數(shù)值存儲到每臺設(shè)備的非易失性存儲器內(nèi)。利用D值計算經(jīng)過校準的外部溫度(K,產(chǎn)品工作溫度)。