新型微型传感器在医疗仪中的应用解决方案

1、前言

当今，具有智能传感器技术捡测头的呼吸医疗监视仪已经闻世，这就比较理想地解决了对各种情感和呼吸之间联系作大量研究的问题，并且可以用来真实纪录一个人的呼吸状况及其变化。

在此本文对呼吸监视仪中用微型传感器-硅压阻式传感器（SPRT）与MAX1450或MAX1457信号调理器组成新型智能传感器及在技术方案中的功能作一个分析与介绍。

2、呼吸医疗监视仪与智能传感器及技术（其组成框图，见图1所示）

2.1呼吸医疗监视仪(见图1右面所示)



该监视仪的用途是用来监视呼吸状况，并能给出大致的呼吸深度。这个监测仪监测一些可以用来评价焦虑程度的重要参数：呼吸频率、呼吸的均匀程度以及呼气和吸气之间的间歇。平静、积极的情绪通常会导致呼出长于吸入，二者时间之比的参数，能从一个方面揭示人的焦虑程度。相对较高水平的胸呼吸（相对于腹呼吸）也可说明焦虑程度。监视仪对胸呼吸的观察反映出监视仪具有大量的可视信息功能。

2.2智能传感器技术

图1中的呼吸监视仪采用硅压阻式传感器（SPRT—Silicon piezoresistance transducer）检测吸入与呼出时对应压力的降低和增加。SPRT的输出被馈入一个MAX1450或MAX1457信号调理器芯片，而MAX1450或MAX1457信号调理器芯片又对SPRT的进行驱激励(或用电流源激励)，其SPRT固有误差又被馈入MAX1450或MAX1457之后并被校正，然后将经过补偿的电压信号送入具有12位的模数转换器（ADC）MAX1202。ADC输出（数字化的压力信号）进入一个PC接口MAX3232，并被转换为RS-232电平。最后信号被传递到PC机系统，这样就可以显示出呼吸波形，并对以上所述参数进行分析。

3、关于硅压阻式传感器（SPRT）

3.1硅压阻式传感器（SPRT）检测原理

硅压阻式传感器一般配置为一个紧密的惠斯登电桥。当有压力施加到SPRT的敏感电桥的桥臂时(见图2a所示)，对角桥臂的电阻值R将发生相同方向、相同大小的改变,即R+△R和R-△R。当一个对角桥臂上的两个电阻值在压力的作用下增加时，另外一个对角桥臂的电阻值降低，反之亦然。对于SPRT半敏感电桥(见图2b所示)，则只有半边桥臂的电阻值发生改变。不管是全桥还是半敏感电桥的传感器都具有高灵敏度（＞10mv/v）、良好的线性、温度稳定性及无信号滞回等优点，其测量范围可上至破坏性极限。



3.2硅压阻式传感器的应用

当今，由于新的IC技术已经能够精确校准SPRT，所以将硅压阻式传感器应用范围从中、低精度检测扩展到高端领域。弥补了以往SPRT通常只能用于中、低精度检测，而对高端产品非要采用昂贵的应变计等不足之处。但要应用硅压阻式传感器必须解决误差补偿-校准技术，才能提高精度。为此，首要的是应对硅压阻式传感器的误差作分析。

4、关于硅压阻式传感器（SPRT）误差

校准SPRT传感器的主要困难在于它们的误差幅度范围很宽，采用不同工艺生产的SPRT传感器具有不同类型的误差和误差范围。甚至由同一个制造商提供的同一型号传感器的误差幅度，两者之间也会有轻微的差异。SPRT传感器的误差因素包括：满偏信号随温度变化的强烈非线性(高达1％oK)；很大的初始失调(可至满偏的100％或更高)以及失调随温度的强烈漂移等。在一定限度内，这些缺陷可以由电子电路加以补偿。

一定温度下，图2(a)(b)所示的两种类型SPRT桥路电阻(Vcc和地之间的等效电阻)能够在很宽的压力范围内保持相当的恒定，然而，随着温度的上升，桥路电阻显著增加，如果电桥由恒流源驱动，桥路电压(指Vcc和地之间的等效电阻与恒流源输出电流的乘积)就会增加。当桥路电压随着温度的升高而增大时，则SPRT灵敏度也随之升高。另一方面，如果保持桥路电压恒定，SPRT的压力灵敏度又会随着温度的升高而降低。因此，SPRT的压力灵敏度受两种互相对立的因素影响：温度和受温度影响的桥路电压。这种桥路电阻或桥路电压的变化可以彼现代信号调理电路IC加以利用，来校正SPRT灵敏度在温度范围内的误差。值得一提的是，此类信号调理电路IC均可通过桥路电阻的变化来校正灵敏度随温度的改变。根据SPRT产生误差的主要因素的分析，便可有的放矢地进行校正与补偿。以下将对目前常用的传统校正与现代校正及简化补偿方法作介绍。

5、传统校正方法

图3电路为传统校正方案



它可以补偿SPRT精度至适当水平，并可以对SPRT失调、失调的温度漂移(OFFSETTC)以及SPRT灵敏度的温度漂移进行调整。而与SPRT灵敏度温度漂移相关的是满偏榆出(FSO)的温度漂移，这两个参数(指SPRT灵敏度温度漂移与满偏榆出的温度漂移)的温度特性互成正比，电路中的调零电阻Rjz用来补偿传感器在室温下的失调电压，温度敏感电阻Rts和Rtz(或R’tz)用于校正温度误差。前面提到，桥路电阻随着温度上升而增加，使传感器两端的电压Vo+Vo-()也增加，这个增加的电压△Vo+Vo-会使传感器的灵敏度上升，也就是说，在给定压力下它将输出更高的电压。

然而，如果保持传感器两端电压恒定，传感器的灵敏度就会随着温度的上升而降低(或称负向灵敏度系数)，但因为桥路电阻受温度影响而增加时，它所引起的灵敏度正向变化系数是大于负向灵敏度系数，所以，满偏输出(FSO)趋向于随着温度增加而增加。电阻器Rts可以在温度上升时旁路掉一部分桥路电流，从而抵消上述效应。类似地，Rtz或R’tz可对失调的漂移进行校正。电路中选择Rts还是R’tz取决于失调的温度漂移方向。

这种传统校正方法的优点是程式简单、廉价，但主要问题是各个补偿元件之间互相影响,使校准非常困难，并限制了所能达到的精度，该校正技术也不便于采用电子调整。