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研究医疗应用无线压力传感器

时间:2019-03-26   来源:vr赛车电子  编辑:热敏电阻厂家  浏览:
这项工作为硬膜外或硬膜下脑压力监测提出的可植入无线传感器提供了关键的贡献。设计了一种基于声表面波反射延迟线的膜片压力传感器。采用有限元模拟优化了器件的灵敏度、尺寸和机械稳定性。vr赛车选择了一个设计,允许最大限度地提高传感器的效果,同时提供温度补偿。开发了一种在石斑岩上制备 SAW 膜传感器的工艺。它集成了不同的方法生产的薄膜,如超声波钻井和激光加工以及敏感锯结构的保护。vr赛车制作了原型,在压力室的有线和无线测量中表现出令人鼓舞的行为

介绍
压力和应变监测在人体医学中有着广泛的应用。超过 100 个不同位置的压力值用于诊断和治疗领域,如
心内科,泌尿外科,骨科和许多其他。其中一些测量可以通过使用可拆卸导管或无创性调查来完成,而另一些则需要手术来放置测量装置。在这种情况下,植入式无线传感器相比有线传感器有很大的优势,因为传感器数据可以从体内传输,而不限制患者。颅内压 (ICP) 的临床观察对于颅脑损伤和脑疾病的治疗至关重要,举个例子。一些脑积水、特发性颅内高压或颅脑损伤患者经常需要在一个月甚至几年的时间内反复调查脑压 [1-3]。这些患者可以从永久的传感器系统中获得巨大的利润爱你安装,可以读出通过头皮没有使用电缆或手术访问传感器数据的要求。即使在不需要病人流动性的重症监护中,无线系统也是有利的。有线或类似导管系统通过防止伤口关闭,增加感染的风险。相比之下,无线读出允许
伤口愈合,从而最大限度地减少感染风险。
本文介绍了一种基于 SAW (声表面波) 器件的硬膜外或硬膜下颅内压监测植入传感器的设计概念和实验研究。这种设备是长期以来已知的无线和完全被动的温度或压力测量能力 [4-6]。因此,他们是这种植入式物理传感器的合格候选人。大多数对 SAW 压力传感器的研究都是基于石英器件 [7-12] 进行的,但是即使使用其他材料,研究也仅限于相对较低的频率约 400 MHz [15,16]。。对于目前的应用,其中的锯设备和天线的尺寸是最小化的,因为传感器必须放在头皮下; 工作频率应最大化。因此,vr赛车选择构建和研究基于 SAW 延迟线主成分的膜式传感器,工作在 ISM 频段 2.45 GHz。
 
概念
这个想法是使用一个反射锯延迟线与薄膜片作为压力传感器 [7,8,17]。在vr赛车的设计中,传感器外壳具有蘑菇的形状。较薄的气缸容纳锯传感器,并允许压力作用于膜的背面。天线放置在盖上并连接到 IDT (数字间传感器) 在前面的电线债券。设备的最大直径不应超过 2厘米,这是,根据vr赛车的调查,足够的短距离天线工作在 2.45 GHz。要将设备放置在头部,必须将直径一定毫米的孔钻入颅骨,并插入传感器的较薄部分。天线比传感器需要更多的空间,停留在头皮下的骨头外面。这允许中度侵入性手术。此外,由于高频辐射不需要传输骨骼,系统的读出距离增加。
vr赛车选择了光刻作为压电基板,因为它允许在最高 ISM 波段操作器件,可用于具有光学光刻的 SAW 器件,在 2.45 GHz
[18]. SAW 压力传感器的传感器效应来源于应力或应变,沿着传播路径。它改变传播速度,因此,传播波的往返延迟时间。这可以用 FMCW 读取器以 100Hz [19,20] 的速度测量。用于脑压力监测A 压力 测距 -20 mmHg 到300 mmHg 应检测到。这些小的值需要构建一个非常薄的隔膜,以获得所需的精度,此外,相位分析需要及时获得必要的分辨率 []。延迟线的反射器必须准确地放置,以确保最大的传感器效果与锯片装置的精确温度补偿相结合。在目前的设计中,vr赛车使用均匀的 IDT 对 YZ 瑞利波切割的岩性和四反射器具有不同的反射强度来补偿传播损失。两个反射器定位在膜上,其中应力的影响达到最大,而其他两个反射器用于补偿由于温度的延迟时间变化。
基板的机械极限以及传播速度对施加应力的依赖性的知识是强制性的,以确定反射器的最佳位置。锯的应变依赖性的理论计算需要三阶弹性常数的知识,是详细的,通常包括几何边界条件。为了避免这种情况,vr赛车使用了实验研究和模拟相结合的方法来确定岩性衬底的应变灵敏度 [21]。vr赛车选择了定义良好和简单的弯曲梁的几何形状,以应用一个明确的力在锯条延迟线上的光石。
 

图 1 隔膜应力模拟的几何形状: 半径 1毫米,膜厚度 30 μ m,椭圆过渡半轴 200 μ m,衬底厚度 300 μ m


图 2.根据图 1 中给出的几何形状,膜传感器的应变贡献。沿 SAW 器件传播路径的应变贡献。零是膜的中心,半径为1.Mm.菌株: εX(红色),εY(蓝色) 和 εZ(绿色)。最大灵敏度的反射器位置由箭头表示。

图 1 显示了用于应力-应变模拟的几何图形,图 2 显示了膜片沿膜半径在 x 、 y 和 z 方向上获得的应变分量。应变的 x 分量的过零是必不可少的。通过将延迟线的传播路径沿膜的直径和反射器的两个交叉点,微分方法可以用来最大限度地提高传感器的效果和消灭温度依赖。
图 3.带椭圆过渡几何的膜片的塞米斯等效应力


图 2 显示了具有三个反射器并对灵敏度进行了优化的设计反射器位置的示例。传感器的灵敏度随沿传播路径应力曲线下方区域的增加而增加。当然,灵敏度是相关的传播长度,因此,膜的直径和最大应变。表 1 给出了一些描述性的键值,可以比较不同的几何形状。模拟结果表明,椭圆圆角具有更高的灵敏度,而圆形圆角则具有类似的应力水平。


  膜的厚度 1 杆处偏转 最大应变
X 方向
C t 离子点相对于中心的位置 最大主应力
在膜的顶部
最大主应力论背面的过渡
  [μ m] [μ m] X10-4 [μ m] [MPa] [MPa]
A 30 1.45 1.4 470 34.8 42.1
B 30 2.95 2.1 560 49.4 55.2
C 50 0.4 0.6 500 14.1 16.3

对于理想的传感器延迟线传感器设计,两个反射器必须位于应变 x 分量的交叉点。这两个反射器的距离决定了用于传感的传播路径。一个简单的温度效应的补偿必须实现相同长度的附加延迟路径。第二个路径不受压力的影响,用于差分测量。提供,在设备上没有温度梯度,该延迟线可以定位在模具上的任何地方。在一个统一的 IDT 中,锯波对称地向两侧发射。对于信号的优化,因此器件的读取范围,最好将补偿路径定位在 IDT 的另一侧。vr赛车没有使用此选项,因为它需要更长的设备。相反,vr赛车已经实现了两个几何形状。一个简单地使用一个额外的反射器后面的对用于压力测量 (图 2)。另一种设计使用一个额外的反射器在中央对的每一边 separ由一半的中央距离。设计的草图如图 4 所示。该模具的厚度为 300 μ m; 膜的半径为 2毫米
图 4.相对于隔膜的延迟线的放置。IDT 在左侧,内部两个反射器用于压力测量外部的补偿。
 
实验
如设计中所述 (图 1,3),隔膜的盲孔必须产生非常陡峭的侧翼,理想情况下具有椭圆过渡几何
 

图 5.图片的膜在石斑岩。它是由超声波钻井

这种几何形状很难通过任何蚀刻过程来实现,特别是由于石斑岩的蚀刻速率极低。在寻找生产过程中,提供了这一特点,而且与用于制造延迟线的光刻工艺兼容,vr赛车使用了超声波钻孔和激光结构的组合。使用氟碳酸钾准分子激光平滑膜的背面。图 4 显示了使用 10 μ m 的悬浮液钻井过程后的隔膜。通过这个过程,可以获得 70-80 μ m 的膜厚度,其粗糙度约为 1 μ m

 下6 准分子激光平滑后膜的一部分
 
图 7 从侧面看到的破裂膜的图片,以显示 140 μ m 的圆角半径。
 
通过应用激光烧蚀膜可以进一步平滑和细化。在 20 μ m 的线扫描处理膜,应用波长为 248 nm 和脉冲持续时间为 23 ns。在第二个处理步骤中,vr赛车获得了约 50 μ m 的膜厚度,粗糙度为 300 nm。圆角的生成半径约为 140 μ m。
vr赛车制造了几个样品。他们通过在膜的背面施加不同的压力值进行测试。vr赛车测量连接到 NWA (网络分析仪) 的设备的 S 参数。利用信号峰值的相位分析对数据进行时域分析。图 8 显示了具有四个反射器的延迟线的典型时域响应。
 
图 8.反射延迟线的典型时域信号。
 
传感器的灵敏度是由相位由于压力的变化。在图 9 的结果显示不同组合的反射器。蓝色和绿色曲线对应于不受压力影响且用于补偿的延迟线,而红色和黑色曲线则显示由于压力而增加的相位

阶段的差异
图 9.相位变化 作为测量与压力不同组合的反射器信号
 
通过比较不同的反射器几何形状,vr赛车得到了四个反射器设计中最稳定的传感器行为 (图 4)。在图 10 中显示了该设计的灵敏度。

结果
通过研究压力室中的设备,vr赛车观察到约 0.02 rad 的方差和 2.4 bar 的裂纹极限。传感器外壳内的盖子作为机械停止膜,以防止断裂。

温度补偿灵敏度
图 10. 线/杆的计算灵敏度
 
除了与 NWA 的调查,vr赛车使用了一个 FMCW 阅读器配备了 9 dBi 的极地接收天线无线读数。第一个测试,市售的螺旋天线用于传感器端。这些天线的读数距离约为 20厘米的空气。
这个范围比vr赛车通常用类似性能的 SAW 设备测量的信号小得多 [19,20]。原因是锯设备与壳体和天线的匹配缺失。
 
表 2 概述了实验传感器的参数
传感器  
温度范围 体温 ± 2 °C
测量范围为相位 2 π
温度补偿 是的
裂纹极限 2.4 条
灵敏度 <5 rad/bar,可调
按膜的大小
方差 0.02 rad
裂纹极限的 1%
大小包括外壳 5 × 3 × 10毫米3
阅读范围与空气中的螺旋天线 20厘米