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    低成本、大規模傳感應用中不可忽視傳感器精度

    2016-11-15

    多家研究機構預測,便攜式醫療設備市場規模將在未來幾年內達到約200億美元。其中,家用護理醫療設備的市場規模有望在2022年達到近260億美元。這些市場需求的增長主要源于移動健康監測設備、個人制氧機和固定設備的驅動。

      除了家用保健,在飛機、直升機以及其他空間受限場合運送病人時,也需要尺寸更小的醫療設備。設備越小,制造成本就越低;功能越強,成本則越高。高級基本壓力傳感器如果具有適當的精度水平,則為以上挑戰提供了潛在的解決方案。例如,在衛生保健市場中,越來越多的科技設計正在力求不干擾人們的生活,對小型化設備的需求也因此日漸提高。在制氧機、CPAP呼吸機等設備上都體現出了這種趨勢。此外,對于需要在狹小空間中進行的醫療過程來說(有時候是在偏遠地區),空間是最寶貴的。這就意味著傳統上體積龐大的設備(比如呼吸機)也需要變得更小。

      表面上看來,相較于傳感精度,市場對更小更多功能的傳感器需求更大。然而在既定成本的情況下,傳感精度仍然應該是廠商著重考慮的因素。只考慮多功能而犧牲精度,會帶來不良的后果。

    小體積、多功能的傳感器需求更高

      如今,對低成本高級基本壓力傳感器的需求正在與日俱增地提交到垂直市場中的原始設備制造商手中。這意味著,對于需要在工業制造和衛生保健領域中設計和創造低成本、大規模組件的工程師來說,低成本的高級基本壓力傳感器已經成為一種非常有價值的產品。而影響這種需求的一個最主要因素就是移動性。

      在衛生保健市場,人們越來越希望醫療保健可以在不干擾生活的前提下進行,因此對于更小的設備的需求越來越大。這在制氧機、CPAP呼吸機等設備的發展趨勢上都有所體現。此外,對于需要在狹小空間中進行的醫療過程來說(有時候是在偏遠地區),空間是最寶貴的稀缺資源。這就要求傳統上體積龐大的設備(比如呼吸機)也要變得更小。

      設備體積的減小要求內置部件的體積要更小,同時用戶也期待設備的功能更強。以氣壓控制領域為例,用戶要求設備盡可能小,但仍要能提供高度精確的讀數。因此,隨著這些設備體積的日趨縮小緊湊,對部件(例如傳感器)自身的更佳功能性的需求也越來越高。

      當然,這是一個兩難的問題。因為更高的精度往往意味著更高的價格。而這對于低成本、大規模的應用來說并不現實。在更高成本的應用中,工程師可以更輕松地根據誤差預算決定是否要對更高的精度進行投資。以呼吸機為例,其設計和制造成本大約為數萬美元;在這種情況下,如果一個更貴(大約15美元)的傳感器價格大約低于總成本的1%,那么這種投資就是完全合理的。但在設計血壓監測應用時,其設計和制造成本只有40-120美元,那么多花15美元以達到1.5% FSS的總誤差帶就顯得不太明智。

      那么在合理預算水平下,如何才能以實用和經濟的方式對低成本傳感器的精度水平進行評估?要從這些類型的應用中創造價值,設計師不能純粹將這些部件視為商品,而是要將其視為能夠帶來競爭優勢的關鍵技術手段。

      低成本應用中,精度仍然是重要考慮因素

      為了實現高精度,傳感器的價格就要相應提升。但這并不經濟,也無法滿足低成本、大規模應用的需求。工程師也不應該因為低價傳感器不是最優方案就忽略其精度價值。這一點非常重要,因為設計工程師在維持預算提高產品規格時,已經更加重視低功耗、重復精度和可靠性等因素。而低功耗已經成為最吸引終端用戶的常見賣點。無論是否是“低成本”,精度都已成為一個差異化優勢。

      以制氧機為例,機器中的低壓和超低壓硅傳感器可以檢測病人何時開始吸氣,從而有效且高效地實現供氧,在病人未吸氣時最大程度減少氧氣的浪費。這樣不僅可以使制氧機變得更小,而且可以使運行更高效。并且,更小的設備尺寸還意味著更低的功耗以及更高的便攜性。

      低成本應用中不可忽視精度重要性的另一關鍵在于,這對保留易于安裝部件是非常有益處的。精度較低的傳感技術可能會完全抵消使用即插即用技術所實現的優勢,比如,即插即用技術對于放寬對系統中其他部分的規格要求的優勢。但是,這種優勢對于致力于滿足設計要求的工程師來說具有很大的價值。舉例來說,如果工程師能夠在制氧機內部更精確地測量壓力,那可能就不需要更加關注在系統中其他地方的細節,或者額外彌補。低成本“即插即用”器件的市場需求正在不斷增加,這從某種程度上解釋了為什么帶放大補償功能的傳感器比無補償傳感器更受歡迎。帶放大補償功能的傳感器通??梢灾苯邮褂?,無需任何額外的改動,并且具有很高的互換性、校準和溫度補償功能。假如沒有使用帶mV輸入ADC(模數轉換器)的ASIC(專用集成電路)的話,帶補償功能的非放大型傳感器可能需要使用放大電路。相比之下,無補償功能的傳感器只能提供原始傳感器輸出,在許多應用中都需要進行某種形式的補償。

      如果使用即插即用的解決方案(比如帶有完整放大和補償功能的傳感器),就不需要任何額外的電路和設計時間去開發,因此工程師可以提供更高的價值。但是,如果提供的數據不精確,即插即用的解決方案帶來的一切優點就都沒意義;簡便安裝所帶來的節省可能都會被低端的性能所抵消。一個不帶補償功能的傳感器(總誤差帶TEB大于30% FSS)大約為9美元,帶補償功能的傳感器(總誤差帶TEB約為10% FSS)成本是10美元,而全放大型即插即用傳感器(總誤差帶TEB約為1.5% FSS)需要13美元。由此可見,只有在元件成本(還不包括設計和校準所花費的時間)低于4美元時,才有必要利用額外的電路對這些便宜傳感器的精度進行改進。通過上述分析,許多工程師都可以認識到,即插即用器件實際上性價比最高。

      實際應用案例:制氧機

      近幾十年來,便攜式制氧機的尺寸日漸縮小,以更便于在飛機運輸中的應用。而正是尺寸更小的傳感解決方案(如帶放大功能的基本壓力傳感器)使得設備制造商(OEM)能夠進一步縮小這些設備的尺寸;精度高的傳感器使便攜設備能夠提供與醫院里“體積大、技術先進”的系統相同的護理質量和舒適度。

      從制氧機的基本功能考慮,它需要降低空氣中的氮氣含量,從而提高輸送給病人的氧氣濃度。帶放大功能的基本壓力傳感器可以用于監測篩床內部的壓力,從而達到病人所需要的氧氣水平。除此之外,制氧機中的傳感器還可以用于檢測病人何時開始呼吸,從而更有效且高效地輸送氧氣。使用一個壓力傳感器對病人開始吸氣的時刻進行監控,有助于最大程度減小病人不吸氣期間氧氣的浪費。通過這種方式,可以使制氧機體積更小,并且運行更高效。另外,更小的設備尺寸還意味著更低的功耗以及更高的便攜性。以上這些因素將使設備制造商的產品優于使用低精度傳感器的競爭產品。

    其他實際應用

      帶放大功能的高級型基本壓力傳感器(比如霍尼韋爾的基本放大型ABP系列)主要用于非腐蝕性、非離子化氣體(比如空氣和其他干燥氣體)。以下選項則可以將這些傳感器的使用范圍擴展到非腐蝕性液體:

      l 干燥氣體選項:輸入端口僅限于非腐蝕性、非離子化介質(比如干燥空氣、氣體等),而且不受潮氣冷凝??墒褂玫臍怏w包括兼容高溫聚酰胺、硅酮、氧化鋁陶瓷、硅、金和玻璃等的介質。

      l 液體介質選項:使用相同的構造材料,但是保護端口1和2都不受非腐蝕性液體的影響。通過硅酮基凝膠涂層保護端口1上的裸露的電子電路。鑒于端口P2本身就具有非腐蝕性液體保護功能,因此該選項是一種濕/濕傳感器,兩個端口都可以使用液體。兼容的介質包括冷凝液、水和鹽水。

      可以使用這些傳感器進行設計的衛生保健應用包括:血液分析儀、血壓監測、病床、按摩機、睡眠呼吸暫停設備、尿液分析儀、呼吸機/便攜式呼吸機以及傷口治療等。

    結論

      為了更加便于病人在家中獲得舒適且優質的衛生保健服務,便攜式醫療設備體積變小是大勢所趨。而對于那些需要在艱苦環境中提供醫療服務的專業人員來說,這些設備也必須更加實用。但無論是專業醫務人員還是病人,都不應僅追求小尺寸便攜性而犧牲功能性。雖然這些尺寸更小、造價更低的設備使用低成本的傳感器也能工作,但傳感器的精度是不可忽視的。如果將傳感器精度置于更高的優先級,將有助于設備制造商在未來不斷增長的市場中差異化他們的產品價值,帶來更大的效益。

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