Выбор медицинского датчика давления MEMS: характеристики, дрейф и проверка источников

Смещения в 40 Па в патрубке вдоха аппарата ИВЛ достаточно, чтобы вытолкнуть спонтанный вдох за пределы триггерного окна, и это смещение почти никогда не исходит из трубки. Он исходит от медицинского МЭМС-датчика давления, расположенного на плате пациента. Команды разработчиков, которые быстро определяют эту деталь, как правило, проводят следующие шесть месяцев в погоне за дрейфом нуля, жалобами на мешающие сигналы тревоги и процедурой калибровки, на которую никто не заложил бюджет. Любую из этих проблем можно легко предотвратить на этапе описания и дорого исправить после установки инструментов.

Измерение давления — одно из немногих мест в медицинском устройстве, где деталь стоимостью несколько долларов решает, доверяет ли врач числу на экране. Приведенные ниже характеристики меняют клиническое поведение.

Что на самом деле измеряет медицинский датчик давления MEMS

Медицинский датчик давления MEMS преобразует разницу давления в напряжение, измеряя, насколько сильно отклоняется микрообработанная кремниевая диафрагма, затем компенсирует и калибрует это напряжение до определенного выходного сигнала.

Две цифры объясняют, почему голый кубик никогда не является продуктом. Полномасштабное отклонение обычно составляет менее одного микрометра, а выходной сигнал моста измеряется десятками милливольт. Таким образом, изолирующий гель, геометрия порта, ASIC формирования сигнала и запись калибровки выполняют такую ​​же работу, как и сам кремний.

Твердотельные детали вытеснили заполненные жидкостью катетеры в линиях мониторинга по практической причине: столб жидкости обладает податливостью и задерживает воздух, который гасит быстрые сигналы и вызывает промывку перед каждым считыванием. Кремниевая диафрагма не имеет колонны для удаления пузырьков и реагирует в килогерцовом диапазоне. В опубликованных обзорах миниатюрных датчиков давления описаны устройства, достаточно маленькие для измерения давления внутри кровеносных сосудов с внутренним диаметром от 200 до 1000 микрометров, что соответствует тому же принципу измерения, но в уменьшенном масштабе.

Абсолютное, манометрическое или дифференциальное: выберите опорное значение перед диапазоном

Если вы ошибетесь в эталонном давлении, каждое последующее решение будет ошибочным примерно на одну атмосферу. Абсолютная, манометрическая и дифференциальная части отвечают на разные вопросы, и для одного монитора пациента часто требуются два из трех.

Дифференциальные детали доминируют в конструкциях вентиляторов и расходомеров, поскольку поток определяется по перепаду давления на известном ограничении. Таким образом, датчик измеряет небольшую разницу при большом синфазном давлении. Деталь, рассчитанная на перепад давления 10 кПа, но общий режим только на 30 кПа, выйдет из строя в контуре, в котором давление в дыхательных путях составляет 60 см водного столба на оба порта.

Детали манометров остаются «рабочей лошадкой» для манжетных линий артериального давления и линий подачи газа, где допустимы стандарты окружающей среды. Абсолютные части необходимы всякий раз, когда эталон должен перемещаться вместе с пациентом, например, в инвазивной линии или канале барометрической высоты. Обычной отправной точкой является модуль измерения артериального давления, построенный на основе элемента манометра с гелевой изоляцией.

Медицинские датчики давления MCP-H10 и MCP-H11 MCP-H10 обеспечивает аналоговый выход напряжения; MCP-H11 добавляет цифровой выход давления и температуры I2C, охватывающий диапазон от -100 до 1000 кПа для медицинских и потребительских конструкций. Посмотреть продукт →

Спецификации, которые определяют обзор дизайна

Пять чисел определяют, выдержит ли датчик давления проверку конструкции: полномасштабный диапазон, основа точности, тепловой дрейф, долговременная стабильность и разрывное давление. Все остальное — детали упаковки.

• Полноценный диапазон и запас по высоте. Поместите нормальную рабочую точку между 25% и 75% полной шкалы. Деталь на 10 кПа, используемая при 9,5 кПа, не оставляет места для пределов сигнализации, и ее баланс погрешностей расходуется еще до того, как учитывается температура.
• Основа точности. Процент полной шкалы, процент чтения и процент диапазона — это три разных числа. Преобразуйте их все в паскали того давления, которое вам действительно нужно решить.
• Термический дрейф. Запрашивайте смещение и дрейф диапазона по клиническому диапазону, а не по коммерческому диапазону. Часть, компенсированная от 0 до 70°С, очень мало говорит о поведении при контакте с кожей при температуре 41°С.
• Долгосрочная стабильность. Отклонение в год, выраженное в процентах от полной шкалы, определяет, нуждается ли устройство в повторной калибровке в течение срока службы или его можно опечатать и забыть.
• Разрыв и стойкое давление. Закупорка линии или захлопывание клапана могут значительно превысить полную шкалу. Датчик должен пережить это и вернуться к своим характеристикам, а не просто избежать растрескивания.

Где в клиническом оборудовании используются медицинские МЭМС-датчики давления

Пять семейств устройств отвечают за большую часть медицинского спроса на эти детали, и каждое из них имеет разные характеристики.

Датчики перепада давления MCP-H20 и MCP-H21 Двухпортовые дифференциальные датчики с аналоговым или высокоскоростным выходом I2C в диапазоне от -100 до 200 кПа для медицинских, пневматических и экологических измерений. Посмотреть продукт →

MemsTech (Wuxi Mems Tech Co., Ltd.), производитель датчиков, базирующийся в Национальном районе высоких технологий Уси, распределяет свой медицинский ассортимент именно по этим семействам и публикует Ассортимент медицинских датчиков давления который сопоставляет каждую модель с типом давления, выходным сигналом, диапазоном измерения и корпусом. Это сопоставление имеет большее значение, чем просто однозначный показатель точности, поскольку инженер по искусственной вентиляции легких и инженер по диализу оптимизируют разные ограничения из одного и того же каталога.

Температурная компенсация и дрейф: ошибки, которые всплывают позже

Температура является крупнейшим источником ошибок в медицинских датчиках давления, и эта спецификация приводится наименее последовательно. Две детали с одинаковой точностью при комнатной температуре могут отличаться в пять раз при температуре 45°С.

Три привычки устраняют большую часть этого разрыва, прежде чем он достигнет пациента:

1. Проверьте точный номер детали в конкретном корпусе на обоих концах клинического температурного диапазона, а не коммерческого диапазона.
2. Зарегистрируйте смещение нуля при включении питания и снова через 20 минут непрерывной работы, затем сравните два значения для десяти устройств из трех партий.
3. Добавьте клапан обнуления и процедуру смещения прошивки, чтобы система исправляла то, что датчик не может гарантировать.

Производители, имеющие собственную калибровку, берут на себя часть этой работы. Каждое устройство, поставляемое MemsTech, проходит нулевую и полномасштабную калибровку, подвергается термическому циклированию и оценивается на долгосрочную стабильность перед выпуском, при этом в лучшем случае точность составляет 0,2% FSS. Оставшаяся проверка по-прежнему входит в ваш собственный план испытаний, поскольку только вы знаете носитель, монтажное напряжение и цикл стерилизации, который фактически будет видеть деталь.

Проверка пакета, интерфейса и источников перед выпуском заказа на поставку

Два варианта завершают спецификацию: как монтируется датчик и как сигнал покидает плату. И то, и другое определяется объемом производства и тем, кто владеет этапом калибровки.

MCP5XXXDP Интегрированные датчики давления для медицинского и промышленного использования Абсолютный, gauge, and differential pressure options with analog output, covering 0 to 700 kPa for microcontroller-based medical and industrial designs. Посмотреть продукт →

1. Запросите запись о калибровке для конкретной партии, включая нулевые и полномасштабные значения, а не просто общее заявление о точности.
2. Подтвердите диапазон температурной компенсации письменно и спросите, что происходит за его пределами.
3. Проверьте совместимость среды с фактически используемым методом стерилизации, включая количество циклов.
4. Попросите нулевое распределение от партии к партии, потому что это число определяет, нужен ли вашей сборочной линии шаг обрезки.
5. Подтвердите производительность и время выполнения заказа на своем пандусе, а также проверьте, изготовлена ​​ли деталь собственными силами или перепродана.

Более подробную техническую информацию о конструкции штампов, упаковке и компромиссах в области применения можно найти на сайте. Обзор технологии датчиков давления MEMS рассказывает о том, как устроены эти устройства и где находятся их практические ограничения.

Медицинский датчик давления MEMS: часто задаваемые вопросы

В чем разница между датчиком давления MEMS и пьезоэлектрическим датчиком давления?

Датчик давления MEMS измеряет прогиб диафрагмы и может считывать статическое давление, поэтому он сохраняет действительные значения давления в дыхательных путях, давления в манжете или трансмембранного давления при диализе. Пьезоэлектрические элементы реагируют на изменение силы и не могут удерживать статические показания, что делает их пригодными для динамических событий, а не для непрерывного мониторинга.

Может ли медицинский МЭМС-датчик давления выдержать стерилизацию в автоклаве?

Это зависит от упаковки, а не от матрицы. Порты с гелевой изоляцией в герметичных корпусах обычно используются при стерилизации, но смещение нуля необходимо повторно проверять после повторных циклов при 121°С или 134°С, поскольку в геле и клейких слоях накапливается тепловой гистерезис.

Как выбрать между аналоговым и цифровым медицинским датчиком давления?

Выбирайте аналоговый вариант, если на вашей плате уже есть малошумящий АЦП и у вас есть процедуры калибровки и температурной компенсации. Выбирайте цифровую деталь, откалиброванную на заводе, если вы предпочитаете покупать точность, а не создавать ее, что обычно является более быстрым путем для небольших команд и меньших объемов.

Какую точность реально может обеспечить медицинский датчик давления MEMS?

В лучшем случае линейность и точность достигают 0,2% от полной шкалы на хорошо подобранных медицинских платформах, но в полевых условиях значение имеет сумма точности, теплового дрейфа и долговременной стабильности во всем клиническом температурном диапазоне. Эта сумма обычно в два-пять раз превышает общую цифру.