在不斷縮小的空間范圍內(nèi)設(shè)計(jì)可靠，精確的傳感器功能的能力在廣泛的應(yīng)用中是至關(guān)重要的 - 并且是一項(xiàng)困難的要求。然而，除了其他好處之外，小型化（包括縮小尺寸模塊系統(tǒng)）可以通過(guò)為設(shè)計(jì)人員提供更大的靈活性來(lái)定位印刷電路板（PCB）上的元件，從而釋放寶貴的電路板空間并減少干擾。

醫(yī)療行業(yè)仍然是傳感器小型化和超可靠性的主要驅(qū)動(dòng)因素，因?yàn)槿梭w內(nèi)部的應(yīng)用需要極小，精確的傳感器，因?yàn)樗鼈冊(cè)卺t(yī)療程序中具有很大的應(yīng)用前景。關(guān)節(jié)成形術(shù)（用于關(guān)節(jié)置換的力傳感器）和脊柱融合術(shù)。在外部使用中，傳感器供應(yīng)商必須提供靈活的安裝選項(xiàng)，以確保傳感器盡可能靠近患者和/或液體（例如藥品，血液或水）放置，以便進(jìn)行準(zhǔn)確和精確的測(cè)量。

小型便攜式醫(yī)療設(shè)備的開(kāi)發(fā)，以適應(yīng)醫(yī)院狹小的空間，也使護(hù)理人員能夠快速，輕松地將設(shè)備從一個(gè)病人轉(zhuǎn)移到另一個(gè)病人。傳感器的小型化有助于在移動(dòng)醫(yī)療設(shè)備，可穿戴技術(shù)和手持式儀器等設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

許多元素必須融合才能實(shí)現(xiàn)這種縮小尺寸。例如，除了適合本身尺寸較小的最終產(chǎn)品的物理和包裝要求之外，還存在預(yù)算和技術(shù)問(wèn)題，例如通過(guò)將多個(gè)傳感器功能集成到單個(gè)較小的封裝中來(lái)不斷降低BOM成本。

將醫(yī)療傳感器的發(fā)展置于背景中，讓我們簡(jiǎn)單介紹一下心臟起搏器的歷史。

哥倫比亞醫(yī)生Alberto Vejarano Laverde與哥倫比亞電氣工程師Jorge Reynolds Pombo合作建造了第一臺(tái)心臟起搏器。這個(gè)重45公斤或99.2磅。并且由12伏自動(dòng)電池供電，電極連接到心臟，并用來(lái)保持70歲的牧師Gerardo Florez活著。一旦硅晶體管出現(xiàn)在圖片中，事情變得容易一些。第一個(gè)完全植入式起搏器于1958年在瑞典。它與連接到心臟心肌的電極相連。它持續(xù)了三個(gè)小時(shí)。第二個(gè)植入設(shè)備使它成為兩天。第一個(gè)植入式起搏器接收者Arne Larsson實(shí)際上共接收了26臺(tái)設(shè)備，并在86歲時(shí)去世。

與大多數(shù)電子產(chǎn)品創(chuàng)新一樣，心臟起搏器越來(lái)越小，功能越來(lái)越強(qiáng)。例如，最近的進(jìn)步包括無(wú)引線起搏器設(shè)備，其性能與傳統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手一樣，并且其尺寸為傳統(tǒng)設(shè)備的10％，迷你設(shè)備直接放置在患者的心臟內(nèi)。這是通過(guò)導(dǎo)管無(wú)需手術(shù)完成的。集成度很高，即使在很小的狀態(tài)下，因?yàn)樗顒?dòng)傳感器，代謝傳感器和雙傳感器，能夠測(cè)量溫度，姿勢(shì)和心律失常的后果。

起搏器和其他心臟相關(guān)技術(shù)一直在不斷發(fā)展，因?yàn)樾呐K病是發(fā)達(dá)國(guó)家的主要死亡原因，早期診斷，治療和維護(hù)至關(guān)重要。生物醫(yī)學(xué)工程師已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)了微型儀器來(lái)打開(kāi)阻塞的動(dòng)脈和治療心血管疾病。但是，這些工具仍然容易引起感染。微型納米技術(shù)傳感器將能夠感知和監(jiān)測(cè)生物信號(hào)，例如蛋白質(zhì)或抗體在心臟或炎癥事件中的釋放。

除了心臟起搏器之外，其他針對(duì)醫(yī)療目標(biāo)的公告最近也定期發(fā)布新聞報(bào)道。最近，特溫特大學(xué)公布了世界上最小的手力傳感器 1 的原型，用于測(cè)量康復(fù)患者的運(yùn)動(dòng)功能。它比指尖小，可以測(cè)量你的手所施加的力。這種小型傳感器可以內(nèi)置于手套和假肢裝置中，也可以設(shè)計(jì)成自行車踏板，鞋底或觸摸屏。除了測(cè)量總力之外，傳感器還可以測(cè)量施加力的方向，這對(duì)于廣泛的應(yīng)用非常重要。該裝置測(cè)量體力勞動(dòng)中涉及的負(fù)荷以及運(yùn)動(dòng)員或康復(fù)患者的表現(xiàn)，作為提高技能的手段，并且它解決了具有足夠小的單元來(lái)測(cè)量手指和被抓物體之間施加的力的挑戰(zhàn)。

目前醫(yī)療應(yīng)用傳感器小型化的發(fā)展正在迅速走出實(shí)驗(yàn)室并進(jìn)入一日工作世界。考慮人體呼吸，其需要在呼吸期間測(cè)量人體肺內(nèi)和/或外部的空氣流量。在清醒鎮(zhèn)靜期間監(jiān)測(cè)和評(píng)估患者呼吸功能是重要的，這是一種藥理學(xué)誘導(dǎo)的放松狀態(tài)，其中患者在例如牙科治療期間保持清醒和合作。對(duì)呼吸循環(huán)的了解也可用于檢測(cè)睡眠呼吸暫停。通常，這些技術(shù)通過(guò)在沿著管的側(cè)面定位的兩個(gè)端口處感測(cè)分流配置中的流動(dòng)引起的壓差來(lái)間接地測(cè)量呼吸管中的流量。

壓力傳感器可以集成到許多設(shè)計(jì)中，因?yàn)樗鼈兲峁┝嗽S多配合連接和封裝選項(xiàng)（表面貼裝，DIP，SIP），以及可選擇的輸出（模擬或數(shù)字）。 All Sensors Miniature系列壓力傳感器用于醫(yī)療儀器和呼吸呼吸，可節(jié)省空間并提供高性能。 H-GRADE是該公司毫伏輸出壓力傳感器的高精度版本（圖1）。它們提供校準(zhǔn)的毫伏輸出，具有出色的輸出特性，減少了由于溫度變化等因素造成的輸出偏移誤差。供應(yīng)商還指出，傳感器在預(yù)熱期間提供穩(wěn)定性，并在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)提供穩(wěn)定性。此外，該傳感器采用硅，微加工，應(yīng)力集中增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，為測(cè)量壓力提供線性輸出。

該系列傳感器適用于非腐蝕性，非離子工作諸如空氣，干燥氣體等的流體。器件的輸出與電源電壓成比例，可以接受任何直流電源電壓高達(dá)+ 16 V的操作。功能包括0至4“H2O至0至100 PSI壓力范圍，0.5％線性度，溫度補(bǔ)償以及校準(zhǔn)零點(diǎn)和量程。

圖1 ：用于醫(yī)療應(yīng)用，All Sensors壓力傳感器盡管尺寸很大，但仍能保持高精度。

傳統(tǒng)醫(yī)療應(yīng)用的傳感器的另一個(gè)例子是MLX90615SSG-DAA-000-TU超小型Melexis Technologies的智能非接觸式紅外測(cè)溫儀（圖2）。用于耳溫計(jì)和發(fā)熱體溫計(jì)，以及連續(xù)體溫監(jiān)測(cè)，該設(shè)備被認(rèn)為是世界上最小的“智能”紅外測(cè)溫儀，具有直徑僅為4.7毫米（0.185英寸），高度為2.7毫米（0.106英寸）。

圖2：MLX90615的功能圖。基于其低噪聲放大器，16位ADC和功能強(qiáng)大的DSP單元，可實(shí)現(xiàn)高精度和高分辨率。

信號(hào)處理芯片集成在晶體管外形封裝中，為完全校準(zhǔn)的溫度計(jì)提供即插即用的優(yōu)勢(shì)。憑借其低噪聲放大器，16位ADC及其DSP單元，可實(shí)現(xiàn)溫度計(jì)的高精度和高分辨率;例如，在30-40?C的關(guān)鍵范圍內(nèi)，精度可達(dá)±0.1?C。

在醫(yī)療領(lǐng)域，加速度計(jì)用于監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)。用于運(yùn)動(dòng)和健康設(shè)備的微型傳感器的一個(gè)例子是ADI公司的3軸ADXL 335加速度計(jì)（圖3）。

圖3：ADXL335采用小型薄型封裝（4 mm×4 mm×1.45 mm LFCSP），功耗低在350μA（典型值）和出色的溫度穩(wěn)定性。

ADXL335是一個(gè)完整的3軸加速度測(cè)量系統(tǒng)。它的測(cè)量范圍至少為±3 g，并包含一個(gè)建在硅晶圓和信號(hào)調(diào)理電路之上的多晶硅表面微機(jī)械傳感器，以實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)加速度測(cè)量架構(gòu)。輸出信號(hào)是與加速度成比例的模擬電壓。

多晶硅彈簧將結(jié)構(gòu)懸掛在晶圓表面上，并提供抵抗加速力的能力。使用差分電容器測(cè)量結(jié)構(gòu)的偏差，該差分電容器由獨(dú)立的固定板和附接到移動(dòng)質(zhì)量塊的板組成。固定板由180°異相方波驅(qū)動(dòng)。加速度使移動(dòng)質(zhì)量偏轉(zhuǎn)并使差分電容器失衡，從而產(chǎn)生傳感器輸出，其幅度與加速度成比例。然后使用相敏解調(diào)技術(shù)來(lái)確定加速度的大小和方向。

解調(diào)器輸出被放大并通過(guò)32kΩ電阻帶到芯片外。用戶通過(guò)添加電容器來(lái)設(shè)置器件的信號(hào)帶寬。此過(guò)濾可提高測(cè)量分辨率并有助于防止混疊。該設(shè)備可以測(cè)量?jī)A斜傳感應(yīng)用中的靜態(tài)重力加速度，以及運(yùn)動(dòng)，沖擊或振動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)加速度。

總結(jié)

正如我們所見(jiàn)傳感器在許多醫(yī)療應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，而更多的傳感器正基于正在發(fā)生的小型化趨勢(shì)。從一個(gè)非常大的心臟起搏器轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合心臟的心臟起搏器是一項(xiàng)驚人的壯舉，結(jié)合了醫(yī)學(xué)和傳感器技術(shù)的進(jìn)步。

雖然小型并不總能轉(zhuǎn)化為成本效益，但它通常會(huì)轉(zhuǎn)化為高度集成而不會(huì)降低性能，這在醫(yī)療應(yīng)用中非常重要，因?yàn)樗诔叽纾子眯裕銛y性，可靠性，準(zhǔn)確性和成本是至關(guān)重要的。