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多轴MEMS感测器革新医疗设计

发布时间:2019-08-15 17:39:34

  多轴惯性感测器已日益受到医疗应用市场青睐。融合多轴感测功能的惯性元件,不论尺寸、功耗、精准度与可靠性均有优异表现,可符合医疗应用领域的严苛要求,如手术工具等精密医疗仪器,皆已开始大量导入。

  导航与汽车、卡车、飞机、轮船及人相关。然而,它也开始在医疗技术领域发挥重要作用,精密手术仪器和机器人即须使用导航。手术导航工具的设计要求与传统的车辆导航具有广泛的共同点,但前者也提出一些独特的挑战,如在室内使用,无法获得全球卫星定位系统(GPS)支援,因而需要更高性能。

  本文将研究医疗导航应用的独特挑战,并探讨从感测器机制到系统特性可能的解决方案,并介绍增强感测性能的方法,如采用卡尔曼滤波等。

  多轴MEMS感测器转化医疗资讯

  微机电系统(MEMS)已成为大多数人每天都会碰到的成熟技术,它使汽车更安全、增强可用性,并能优化工具及运动设备的性能,从而提高对病人的医疗护理水准。

  用于线性运动检测的MEMS元件通常是基于一个微加工的多晶矽表面结构,该结构形成于矽晶圆之上,通过多晶矽弹簧悬挂在晶圆的表面上,提供对加速度力的阻力。在加速度下,MEMS轴的偏转由一个差分电容测量,该差分电容由独立固定板和活动品质连接板组成。如此一来,运动使差分电容失衡,导致感测器输出的幅度与加速度成正比。

  例如汽车因碰撞而突然急剧减速时,安全气囊感测器中的MEMS轴会产生同样的运动,使得电容失衡,最终产生讯号触发安全气囊打开。此一基本加速度计结构,根据不同的应用性能参数进行调整,并增加资料处理功能后,可以精确地指示倾斜度、速度甚至位置。另有一种技术上相关的结构是陀螺仪,它能检测旋转速率,输出形式为度/秒。

  透过一个耗电量极低的微型元件,以精确检测和测量运动的能力,几乎对任何涉及运动的应用都具价值,表1即按运动类型列出基本医疗应用。

  尽管简单的运动检测有价值,如一个轴上的线性运动,但多数应用皆涉及到多个轴上的多种类型运动。捕捉这种多维运动状态不仅能带来新的好处,且能在轴外扰动可能影响单主轴运动测量的情况下,保持精度。

  为精确测量物件所经历的运动,必须将多种类型(如线性和旋转)的感测器结合起来,如加速度计对地球的重力敏感,可用来确定倾角。换言之,让一个MEMS加速度计在一个 1g重力场中旋转时( 90度),它能够将该运动转换为角度表示。

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