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详解医疗设备中的电容检测技术

2014年02月11日 11:52 次阅读
  容性检测技术在传统的人机界面应用中继续受到青睐,例如笔记本电脑触控板、MP3播放器、触摸屏显示器和近程检测器等。除了利用容性传感器取代机械按钮外,用一点点想象力,再加上人机界面设计的基本原理,将会使很多其它应用也能利用这一技术。图1所示为一些应用概念示例,这些概念可以通过采用人体接触检测得到完善。   详解医疗设备中的电容检测技术   图1.使用容性传感器电极的器件   对于图1中所示的器件,若能在启动器件或进行测量之前先了解器件与皮肤之间的接触质量等相关信息,往往较为有利。这些器件包括需要紧靠皮肤的医用探针、生物电位电极传感器或者用于固定导管用管的外壳。为确定接触条件,可以在注塑生产过程中将图中绿色的几个容性传感器电极直接嵌入器件的塑料外壳。主机微控制器读取容性传感器控制器IC上的一些状态寄存器,这些寄存器表示容性传感器离皮肤有多近。随后,主机微控制器上运行的基本检测算法处理状态寄存器信息,以确定各传感器电极与皮肤的接触是否适当。   在传统的容性检测人机界面应用中,人们一般通过手指触碰开始接触传感器电极。图1中的示例则以非传统方式使用容性传感器,用户在人体上放置了一个含有容性检测电极的器件。开发这类应用很简单,但为了构建一个稳定可靠的系统,还是应当遵守一些关键准则   电容数字控制器。开发高性能接触检测应用,首先要选择一个合适的电容数字控制器(CDC)。对于图1所示的应用,器件表面与皮肤的接触是直接通过能量的细微变化测量的,这种能量变化分布在容性传感器电极阵列中,当器件与皮肤发生接触时就会产生。这种测量的精度取决于CDC模拟前端的灵敏度和传感器电极的数量。采用传统PCB工艺制造的容性传感器精度通常在50 fF至20 pF范围内,因此使用16位CDC的高精度测量技术是比较理想的。   在选择CDC时,首先要明确一些关键特性,例如带16位ADC的高分辨率模拟前端、可编程传感器灵敏度设置、可编程传感器失调控制、片内环境校准、支持理想数量传感器电极的充足容性输入通道,以及无需使用外部RC器件进行传感器校准的集成设计。这些特性均支持可靠而灵活的应用,带来最佳用户体验。例如,可编程灵敏度可使界面设计人员针对具体应用预设最佳的传感器灵敏度,而非采用可能导致较差灵敏度的固定解决方案。可编程失调控制对界面设计人员是另一个重要特性,因为每一个生产批次的传感器板的失调值可能都会略有不同。快速预表征允许在将新传感器板投入量产之前更改主机固件设置。对于环境温度或湿度预计会发生变化的应用,片内环境校准可实现更可靠的解决方案。请注意,电极传感器是使用标准PCB铜迹线构建的;基板的属性会随温度和湿度的变化而改变,因此将会改变传感器输出的基线电平。如果CDC支持片内校准,这种基线漂移就可以在产品使用中得到动态补偿。   小电极需要高灵敏度。测量的目标是确定设备与皮肤的紧靠程度;皮肤与设备的接触质量越好,设备的读取就越准确。测量的准确度取决于分布在器件接触面区域的电极传感器的数量(电极越多,分辨率越高)和大小。对于图1所示的应用,器件的表面区域一般很小,需要设计人员在开发应用时采用小型传感器电极。   为了可靠测量与小传感器电极相关的小电容变化(一般小于50 pF),需要使用高灵敏度模拟前端控制器。请记住,塑料覆盖材料的类型和厚度会进一步影响传感器透过塑料发射的小信号。控制器的模拟前端测量必须具有足够的灵敏度来测量这种小信号,同时在所有工作条件下(例如不同的电源电压、温度和湿度以及覆盖面材料的厚度和种类),在测得信号和阈值电平检测设置之间保持较好的信号余量。较低的信号余量会增加误检和传感器不稳定的风险。为了最大程度降低风险,当使用带16位ADC的CDC时,在传感器基线电平(传感器没有与皮肤接触)与接触阈值电平之间应保持至少1000 LSB的余量。   AD7147和AD7148 CapTouch可编程控制器用于单电极电容传感器,具有16位分辨率,可进行毫微微法拉级测量,并可在满量程范围内设置16个可编程阈值检测电平值。这两款控制器支持1 mm塑料覆盖材料(介电常数为3.0)下的3 mm&TImes;3 mm的小型传感器电极,同时仍保持1000 ADC LSB的满量程信号余量。满量程信号余量是指在没有皮肤接触和有皮肤接触的情况下传感器输出之间的差。   保持可靠性能。容性传感器电极是采用PCB上的标准铜材料或柔性材料制成的。这种材料的特性会随温度和湿度的变化而发生改变。这种变化会使基线电平发生偏移(所有传感器阈值电平均是以基线电平为参考的)。较大的基线偏移增加了接触阈值电平过低或过高的风险(过低还是过高取决于基线偏移的方向)这会引起虚假的接触误差,或使阈值电平不是太灵敏就是不够灵敏,导致接触状态的不稳定。为保持传感器原始的信号接触阈值检测电平余量(灵敏度),CDC需要自动跟踪基线偏移误差的幅度,并对阈值设置进行相应的重新调整。图2中的示例介绍了AD7147和AD7148的阈值电平如何针对因环境条件变化引起的基线失调变化进行自动跟踪和调整。   详解医疗设备中的电容检测技术   图2. AD7147/AD7148片内环境校准   消除测量误差。在器件内加入容性传感器电极阵列的改装行为可能造成空间限制,迫使设计人员将CDC放置在远离容性传感器的位置。这会增加并行传感器走线的长度并使布线密集,不利于容性检测应用,因为处于不同直流电位的走线会形成图3A所示的杂散耦合路径。PCB的接地层无法预防这种情况,因为走线和接地层处于不同的直流电位,仍会形成杂散电容(图3B)。   详解医疗设备中的电容检测技术   图3.杂散电容的路径,显示了下列并行走线的结果:无灌铜层的并行走线(A)、接地灌铜层上的并行走线(B),以及与走线具有相同直流电位的灌铜层上的并行走线(C)   若要消除杂散电容误差,一种方法是将相邻的走线用由直流电平驱动的层包围起来(该直流电平与容性传感器电极和走线的直流电平相同)。AD7147和AD7148器件通过提供具有此功能的专用ACSHIELD输出来消除杂散电容,如图3C所示。   水疗护肤产品等消费类保健设备正从专业机构走入普通家庭,用户不再是经过专门培训、熟悉产品及其应用的技师。因此,很多这类产品需要更智能的用户界面,才能使未经培训的用户也能掌握正确的产品使用方法。容性检测为用户界面设计人员提供了新的选择,使他们能够探索各种创新方法以满足新的用户界面需求。容性数字技术提供容性传感器电极与皮肤的接触信息,可用来保持最佳的产品性能和安全性。

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智能医疗:可穿戴式医疗设备设计挑战及对策

医疗保健不再是医院的专利,它们与人们日常生活的关系日益紧密。医疗设备正逐渐从便携式设备发展为可穿戴式...
发表于 2014-01-15 10:08 706次阅读
智能医疗:可穿戴式医疗设备设计挑战及对策

采用PWM开关控制的便携式医疗设备电源解决方案

医疗专用的模块电源由于采用PWM开关控制模式,而极大地降低了变压器的体积,并使电源的效率得到了极大的...
发表于 2014-01-08 16:52 395次阅读
采用PWM开关控制的便携式医疗设备电源解决方案

远程医疗市场产值2014年可望突破250亿美元

据Databeans分析预测:远程医疗市场正快速扩大,预估2013年相关设备市场产值可达230亿美元...
发表于 2013-12-24 10:02 637次阅读
远程医疗市场产值2014年可望突破250亿美元

RFID技术日新月异 追踪手术器械无压力

随着RFID更深入的应用,医疗领域又对其提出了更具有挑战性的需求:追踪手术器械,避免手术器械被遗失在...
发表于 2013-12-03 09:41 497次阅读
RFID技术日新月异 追踪手术器械无压力

安森美引发标准化设计潮流 力拓消费医疗设备市场

更高集成度、小型化、高能效、嵌入无线功能的医疗设备深受市场欢迎,安森美半导体公司消费者健康产品线高级...
发表于 2013-10-23 09:33 358次阅读
安森美引发标准化设计潮流 力拓消费医疗设备市场

基于闪存的FPGA添臂力 便携式医疗设备可靠度大...

便携式医疗产品逐渐获得市场青睐,如何开发出更小尺寸、更低功耗与高可靠度的产品已成为产品设计人员首要课...
发表于 2013-09-18 09:21 708次阅读
基于闪存的FPGA添臂力 便携式医疗设备可靠度大...

无线/传感技术助力 医疗保健智能化大势所趋

在新的消费类医疗保健设备中,MEMS传感器和致动器覆盖大多数设备的智能感应或动作;低功耗微控制器则使...
发表于 2013-08-27 09:27 926次阅读
无线/传感技术助力 医疗保健智能化大势所趋

便携医疗走红 知名厂商机遇何在?

消费性便携式医疗设备日益受到重视,逐步走向大众化市场,并朝着小型化、低功耗和低成本的设计方向进军。强...
发表于 2013-08-15 09:00 1201次阅读
便携医疗走红 知名厂商机遇何在?

传感器采用四种方法减小医疗设备大小

设备微型化还使在外科手术设备等医疗器械中使用传感器成为可能——这些设备以前并未使用传感器。传感器制造...
发表于 2013-07-01 17:46 388次阅读
传感器采用四种方法减小医疗设备大小

基于wifi的医院实时定位管理系统解决方案

本定位管理系统可以利用会所现有的Wi-Fi网络,避免完全基础网络重建,无需要特别的Wi-Fi标签阅读...
发表于 2013-06-17 11:55 1098次阅读
基于wifi的医院实时定位管理系统解决方案

设计小Tips:如何用FPGA构建便携式超声系统...

本文将向设计工程师介绍如何利用Virtex-6、Spartan-6和7系列FPGA解决上述复杂问题,...
发表于 2013-06-07 12:06 1304次阅读
设计小Tips:如何用FPGA构建便携式超声系统...

专家支招:为何便携式手持医疗设备需要电路保护器件...

便携式手持医疗设备无论在医疗机构还是在病人家中,均能改善病患护理情况。对电子电路保护器件的正确使用是...
发表于 2013-06-05 10:29 1117次阅读
专家支招:为何便携式手持医疗设备需要电路保护器件...

应对医疗智能化设计难题,ADI有何应对之策?

为克服智能化设计难题、抢占智能医疗市场先机,ADI公司亚太区医疗行业市场经理王胜为大家分享了ADI的...
发表于 2013-05-23 10:11 664次阅读
应对医疗智能化设计难题,ADI有何应对之策?

无线充电在医疗设备上的应用

无线充电离我们已经近在咫尺。无线充电首先会用在手机等较小的设备上,现在已经扩展到医疗和其他便携式设备...
发表于 2013-05-22 10:50 1376次阅读
无线充电在医疗设备上的应用

使用动态软件分析为医疗设备通过审批提供支持

在本文中我们将探讨动态代码分析如何帮助医疗设备展示安全合规性以及动态分析工具所应具备的关键功能。为了...
发表于 2013-05-18 14:01 1032次阅读
使用动态软件分析为医疗设备通过审批提供支持

设计更安全、更小的下一代高性能医疗产品

小型化已经成为生命关键性设备比如植入性心脏复律除颤器(ICD)和心率管理(CRM)产品的主要增长推动...
发表于 2013-05-13 16:17 1012次阅读
设计更安全、更小的下一代高性能医疗产品

安森美半导体配合中国便携医疗设备趋势的医疗半导体...

多种市场动力在推动便携医疗设备的发展。安森美半导体深刻理解便携医疗设备要求及市场趋势,提供多种高性能...
发表于 2013-05-13 15:48 860次阅读
安森美半导体配合中国便携医疗设备趋势的医疗半导体...

硅推动医疗保健发展,运用科技提高生活品质

ST执行副总裁兼大中华与南亚区总裁纪衡华表示只需分析硅技术进步是如何影响电信、消费电子等行业发展的,...
发表于 2013-05-13 13:34 795次阅读
硅推动医疗保健发展,运用科技提高生活品质

Freescale:半导体技术的进步推动下一代医...

半导体技术推动下一代医疗设备变得更智能、更精确、连通性更好。什么半导体技术正为未来的医疗设备创造条件...
发表于 2013-05-09 11:46 504次阅读
Freescale:半导体技术的进步推动下一代医...

单片机在现代电子系统的地位综述

作为嵌入式系统之一的单片机,以其明显的典型性、广泛性、普及性的特点,在现代电子系统发展历程中占据着重...
发表于 2013-05-07 11:22 723次阅读
单片机在现代电子系统的地位综述

中国订定医用电气设备EMC新标准

近年来,随着电子、信息技术在医用电气设备中的广泛应用,以及新的通信技术(如个人通讯系统、蜂窝电话等)...
发表于 2013-05-04 14:28 540次阅读
中国订定医用电气设备EMC新标准

MCU今年出货再创新高峰,32位MCU需求渐增

IC Insights预估今年全球MCU市场销售量再创历史新高峰,从MCU的规格来看,IC Insi...
发表于 2013-04-29 14:30 811次阅读
MCU今年出货再创新高峰,32位MCU需求渐增

家庭医疗保健电子产品中安全隔离的未来发展

除颤器的发展历程揭示了医疗保健的未来方向。这些能够挽救生命的神奇的高科技产品。本文是关于ADI公司家...
发表于 2013-04-28 11:27 530次阅读
家庭医疗保健电子产品中安全隔离的未来发展

QNX软件公司浅谈:医疗设备安全软件的10项前提

为医疗设备争取上市批准是一项艰辛的任务,制造商必须放眼于纯技术性质以外的挑战,集中精力培养以软件为基...
发表于 2013-04-27 11:42 267次阅读
QNX软件公司浅谈:医疗设备安全软件的10项前提

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