40余年以來(lái)，ADI公司豐富而全面的線性、混合信號(hào)、MEMS和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)給儀器儀表、成像和病人監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域的醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)帶來(lái)了重大的變革。本文將集中探討電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)技術(shù)，該技術(shù)使得在醫(yī)療保健應(yīng)用中使用高性能電容檢測(cè)成為可能。

 

電容式觸摸傳感器控制器——一種全新的用戶(hù)輸入法

 

電容式觸摸傳感器以類(lèi)似圖1所示的按鈕、滑動(dòng)條、滾輪或其他方式提供一種用戶(hù)界面。

 

圖1. 觸摸傳感器布局示例

 

各個(gè)藍(lán)色幾何區(qū)域表示印刷電路板(PCB)上的一個(gè)傳感器電極，構(gòu)成虛擬電容器的一個(gè)極板。另一極板則由用戶(hù)的手指構(gòu)成，實(shí)際上，該極板相對(duì)于傳感器輸入是接地的。AD7147/AD7148 CapTouch™控制器系列專(zhuān)為激勵(lì)電容式觸摸傳感器和與之接口而設(shè)計(jì)，能夠測(cè)量來(lái)自單電極傳感器的電容變化。器件首先輸出一個(gè)激勵(lì)信號(hào)，使電容器極板充電。當(dāng)一個(gè)物體（如用戶(hù)手指）靠近傳感器時(shí)，用戶(hù)充當(dāng)電容器的令一個(gè)極板，將形成虛擬電容器（如圖2）。利用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)可以測(cè)量該電容。

 

圖2.電容檢測(cè)示意圖和典型響應(yīng)

 

該CDC能夠感知外部傳感器的電容變化，并借助此信息來(lái)記錄傳感器激活事件。AD7147和AD7148分別有13個(gè)和8個(gè)電容輸入，并均配有片內(nèi)校準(zhǔn)邏輯，用以對(duì)環(huán)境變化引起的測(cè)量變化進(jìn)行補(bǔ)償，從而確保不會(huì)因溫度變化或濕度變化而在外部傳感器上產(chǎn)生誤觸發(fā)事件。

 

AD7147和AD7148提供多種工作模式、用戶(hù)可編程的轉(zhuǎn)換序列和極其靈活的控制功能。這些特性使其成為高分辨率觸摸傳感器功能的理想選擇，比如滑動(dòng)條或滾輪，而且其對(duì)軟件的要求很低。另外，無(wú)需使用任何軟件，即可用片內(nèi)數(shù)字邏輯完整實(shí)現(xiàn)按鈕傳感器應(yīng)用。

 

電容檢測(cè)和測(cè)量的基本原理

 

電容是指電容器在電場(chǎng)中存儲(chǔ)能量的能力。在其標(biāo)稱(chēng)形態(tài)中——平行板電容器——電容C衡量在給定電壓V下電容器中存儲(chǔ)的電荷Q，計(jì)算公式為

 

 

對(duì)于平行板電容器，電容檢測(cè)和測(cè)量技術(shù)的本質(zhì)如圖3所示。

 

圖3.測(cè)量平行板電容器的電容

 

平行板電容器由兩個(gè)導(dǎo)體（金屬板）構(gòu)成，其特性為

 

● 導(dǎo)體面積 , a × b

● 兩個(gè)導(dǎo)體極板之間的距離d

● 兩個(gè)導(dǎo)體之間的電介質(zhì)，用介電常數(shù)er表示r

● 根據(jù)這種幾何結(jié)構(gòu)，電容計(jì)算公式如下

 

 

其中，ε₀為自由空間的介電常數(shù)

 

CDC器件將一個(gè)激勵(lì)施加到電容器的一個(gè)極板上，然后測(cè)量該電容器中存儲(chǔ)的電荷；之后，外部主機(jī)即可訪問(wèn)數(shù)字結(jié)果。根據(jù)激勵(lì)的作用方式，可分為四類(lèi)電容傳感器，如圖4所示。

 

圖4.傳感器電氣配置

 

由于傳感器電容由a、b、d和er決定，因此，通過(guò)改變這些參數(shù)的值，或者觀察其值的變化，即可將CDC技術(shù)用于直接測(cè)量電容值以及多種其他應(yīng)用之中，具體視傳感器類(lèi)型而定。例如，如果a、b和εr是恒定的，CDC輸入與兩個(gè)導(dǎo)體之間的距離成反比。

 

應(yīng)用

 

AD714x、AD715x和AD774x系列CDC產(chǎn)品適用于涉及各類(lèi)采樣速率、分辨率、輸入范圍和輸入傳感器類(lèi)型的廣泛應(yīng)用。電容檢測(cè)技術(shù)的潛在應(yīng)用范圍僅局限于用戶(hù)的創(chuàng)造力，我們下面就介紹一些其在醫(yī)療保健領(lǐng)域的可能的應(yīng)用方法。

 

液位監(jiān)控

 

在輸液等眾多應(yīng)用中，必須測(cè)量所用液體量，或者在輸液瓶變空之前必須停止輸液。為了節(jié)省醫(yī)護(hù)人員的時(shí)間，可利用自動(dòng)液位檢測(cè)技術(shù)來(lái)消除人工檢查的必要。

 

液位檢測(cè)的基本原理如圖5所示。構(gòu)建一個(gè)平行板電容器，使其極板緊緊地附著在輸液瓶的外壁上，并延伸到輸液瓶底部附近。隨著輸液液位的變化，極板之間的電介質(zhì)數(shù)量發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容發(fā)生變化。為了能夠使用介電常數(shù)不同的各種輸液物質(zhì)，需在輸液瓶底部附近再放一個(gè)電容式傳感器，充當(dāng)一個(gè)基準(zhǔn)通道，以形成比率式測(cè)量。

 

圖5.液位檢測(cè)

 

24位AD7746， 搭載兩個(gè)電容測(cè)量通道，可以用于這類(lèi)應(yīng)用。

 

電極和人體之間的連接檢測(cè)

 

對(duì)于在人體皮膚附近使用的設(shè)備（如圖6所示的那些設(shè)備），在激活設(shè)備或進(jìn)行測(cè)量之前，首先了解設(shè)備表面與病人皮膚之間接觸的質(zhì)量通常是有好處的。最終使用的范圍可能包括需要接觸皮膚的醫(yī)療探頭、生物電位電極傳感器或把導(dǎo)管固定到適當(dāng)位置的殼體。為了獲得這種額外的信息，在生產(chǎn)過(guò)程中的注塑階段可能會(huì)將多個(gè)電容式傳感器電極（以藍(lán)色顯示）直接嵌入到設(shè)備的塑料殼體中。有了電極信息后，主機(jī)控制器上運(yùn)行的簡(jiǎn)單算法就可以確定所有傳感器電極是否與皮膚進(jìn)行良好的接觸。

 

圖6.采用電容式傳感器電極的設(shè)備

 

圖6所示示例運(yùn)用電容式傳感器的方式打破了常規(guī)：用戶(hù)將一個(gè)含有電容式檢測(cè)電極的設(shè)備固定于人體上，而在傳統(tǒng)的電容式檢測(cè)人機(jī)界面應(yīng)用中，人們一般通過(guò)手指觸摸的方式啟動(dòng)與傳感器電極的接觸事件。利用AD7147/AD7148開(kāi)發(fā)如圖6所示應(yīng)用非常簡(jiǎn)單。

 

汗液檢測(cè)

 

在某些醫(yī)療和保健測(cè)試設(shè)備中，需要測(cè)量人體排出的汗液。這一般是通過(guò)測(cè)量皮膚的導(dǎo)電性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然而，如果需要在不進(jìn)行電接觸的情況下進(jìn)行測(cè)量，則可通過(guò)用電容傳感器檢測(cè)人體附近的濕度來(lái)實(shí)現(xiàn)這種功能

 

出汗時(shí)，人體皮膚附近的濕度（介電常數(shù)）會(huì)增加；可在出汗處皮膚附近用一個(gè)非接觸式電極來(lái)測(cè)量出汗導(dǎo)致的電容變化

 

可以再增加一個(gè)電容傳感器，以測(cè)量環(huán)境濕度，并用其實(shí)現(xiàn)共模補(bǔ)償。

 

呼吸速率測(cè)量

 

呼吸速率測(cè)量是病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的一個(gè)重要模塊。

 

在其中一種實(shí)現(xiàn)方式中（如圖7所示），將一塊激勵(lì)極板放在病人背部，同時(shí)，將傳感器電極帶固定到病人胸部右側(cè)。肺部呼吸導(dǎo)致的胸部運(yùn)動(dòng)會(huì)改變兩塊極板之間的距離。介電常數(shù)也會(huì)因呼吸過(guò)程中復(fù)雜的生理活動(dòng)而改變。這些電容的變化可以通過(guò)CDC設(shè)備來(lái)測(cè)量。

 

圖7.呼吸速率測(cè)量

 

將傳感器電極置于病人胸部右側(cè)的原因在于，這個(gè)位置受其他生理活動(dòng)的影響最小。然而，通過(guò)將多個(gè)傳感器電極放在病人胸部的不同位置，可以獲得有關(guān)人體功能的更多信息。這個(gè)話(huà)題非常有趣，需要進(jìn)一步研究

 

血壓測(cè)量

 

在使用充氣臂帶的血壓測(cè)量應(yīng)用中，一項(xiàng)重要的任務(wù)是測(cè)量氣閥處的壓力。在這類(lèi)壓力檢測(cè)應(yīng)用中，電容式傳感器使用起來(lái)非常簡(jiǎn)單。

 

如圖8所示，壓力傳感器的薄膜基本是由兩個(gè)電容極板構(gòu)成。向傳感器施加壓力時(shí)，電容極板之間的距離縮短。極板間的距離縮短會(huì)導(dǎo)致電容升高。

 

可使用一個(gè)溫度傳感器來(lái)檢測(cè)傳感器的溫度變化，以補(bǔ)償溫度變化導(dǎo)致的特性變化。AD774x系列內(nèi)置一個(gè)溫度傳感器，用于測(cè)量片內(nèi)溫度——另外還搭載了一個(gè)ADC電壓通道，可用來(lái)測(cè)量電容傳感器位置的溫度。

 

圖8.用電容式傳感器檢測(cè)壓力

 

結(jié)束語(yǔ)

 

本文簡(jiǎn)要介紹了ADI公司在CDC技術(shù)領(lǐng)域取得的一些成就，暗示了CDC技術(shù)在醫(yī)療保健應(yīng)用中的巨大潛力。然而，傳感器設(shè)計(jì)——包括樣式、尺寸和位置——相關(guān)的詳細(xì)電子電路設(shè)計(jì)，以及深入研究、綜合實(shí)驗(yàn)和有效測(cè)試的必要性在很大程度上取決于各種應(yīng)用的性質(zhì)，因此，我們?cè)诒疚闹兄皇菕伌u引玉而已。

 

誠(chéng)摯邀請(qǐng)各位訪問(wèn)EngineerZone上的ADI公司社區(qū)，就CDC技術(shù)在醫(yī)療保健領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)表高見(jiàn)。

 

參考電路

 

ADI CDC 主頁(yè): http://www.analog.com/cdc.

 

ADI 公司醫(yī)療保健產(chǎn)品主頁(yè): http://healthcare.analog.com.

 

Prutchi, David, and Michael Norris. Design and Development of Medical Electronic Instrumentation. ISBN 0-471-67623-3. John Wiley & Sons, Inc., 2005. 有關(guān)所有ADI公司產(chǎn)品的信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn) www.analog.com.

 

 

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