医療用 MEMS 圧力センサーの選択: 仕様、ドリフト、および調達のチェック

人工呼吸器の吸気肢における 40 Pa のオフセットは、自発呼吸をトリガー ウィンドウの外に押し出すのに十分であり、そのオフセットがチューブから発生することはほとんどありません。これは、患者回路基板上にある医療用 MEMS 圧力センサーから発生します。この部品をすぐに指定した設計チームは、次の 6 か月間、ゼロ ドリフト、アラームの煩わしい苦情、誰も予算を付けなかった校正ルーチンの追求に費やす傾向があります。これらの問題はいずれも、データシートの段階で防ぐのは安価ですが、ツールを使用した後に修正するには費用がかかります。

圧力センシングは、医療機器の中で数ドルの部品が、臨床医が画面上の数値を信頼するかどうかを決定する数少ない場所の 1 つです。以下の仕様は臨床行動を変えるものです。

医療用 MEMS 圧力センサーが実際に測定するもの

医療用 MEMS 圧力センサーは、微細加工されたシリコン ダイアフラムがどの程度たわむかを測定することによって圧力差を電圧に変換し、その電圧を補正して規定の出力に校正します。

裸のダイが製品ではない理由を 2 つの数字で説明します。通常、フルスケールのたわみは 1 マイクロメートル未満で、生のブリッジ出力は数十ミリボルトで測定されます。したがって、絶縁ゲル、ポートの形状、信号調整 ASIC、および校正記録は、シリコン自体と同じように機能します。

ソリッドステート部品は、実際的な理由により、監視ライン内の流体で満たされたカテーテルを置き換えました。流体柱にはコンプライアンスがあり、空気が閉じ込められるため、高速波形が減衰し、読み取りのたびにフラッシュが強制されます。シリコンダイヤフラムには気泡を抜くための柱がなく、キロヘルツ範囲で応答します。小型圧力センサーの出版されたレビューでは、内径 200 ～ 1,000 マイクロメートルの血管内の圧力を測定できるほど小型のデバイスについて説明されており、これは同じ感知原理を縮小したものです。

絶対値、ゲージ値、または微分値: 範囲の前に基準を選択します

圧力基準を間違えると、その後のすべての決定がおよそ 1 気圧だけ間違ってしまいます。絶対値、ゲージ、および差動部品はさまざまな質問に答えますが、1 台の患者モニターには 3 つのうち 2 つが必要になることがよくあります。

流量は既知の制限を超えた圧力降下から推測されるため、差動部品が人工呼吸器と流量の設計の大半を占めます。したがって、センサーは大きなコモンモード圧力に基づいて小さな差を測定します。差動定格が 10 kPa でコモンモードが 30 kPa のみの部品は、両方のポートに 60 cm H2O の気道内圧がかかる回路では故障します。

ゲージ部品は、周囲基準が許容されるカフベースの血圧およびガス供給ラインの主力製品であり続けます。絶対部品は、侵襲ラインや気圧高度チャネルなど、基準が患者と一緒に移動する必要がある場合には必ず必要です。ゲルで隔離されたゲージ要素を中心に構築された血圧モジュールが一般的な出発点です。

MCP-H10 および MCP-H11 医療用圧力センサー MCP-H10 はアナログ電圧出力を提供します。 MCP-H11 は、I2C デジタル圧力および温度出力を追加し、医療および消費者設計向けに -100 ～ 1000 kPa をカバーします。 製品を見る→

デザインレビューを決定するスペック

圧力センサーが設計レビューに耐えられるかどうかは、フルスケール範囲、精度基準、熱ドリフト、長期安定性、および破裂圧力の 5 つの数値によって決まります。それ以外はすべてパッケージの詳細です。

• フルスケールのレンジとヘッドルーム。 通常の動作点をフルスケールの 25% ～ 75% の間に配置します。 9.5 kPa で使用される 10 kPa の部品にはアラーム制限の余地が残されておらず、温度が考慮される前に誤差バジェットが消費されてしまいます。
• 精度の基礎。 フルスケールのパーセント、読み取り値のパーセント、およびスパンのパーセントは 3 つの異なる数値です。それらすべてを、実際に解決する必要がある圧力でパスカルに変換します。
• 熱ドリフト。 商用帯域ではなく、臨床帯域全体のオフセットとスパンのドリフトを求めます。 0 ～ 70 C で補正された部品は、41 C の皮膚接触時の挙動についてはほとんど影響しません。
• 長期的な安定性。 フルスケールに対するパーセンテージで表される年間ドリフトによって、デバイスの耐用年数中に再校正が必要か、それとも封印して忘れてもよいかが決まります。
• 破裂および耐圧。 ラインの閉塞やバルブの閉塞は、フルスケールを大幅に超える可能性があります。センサーは単に亀裂を避けるだけでなく、この問題に耐えて仕様に戻る必要があります。

医療用 MEMS 圧力センサーが臨床機器で使用される場所

これらの部品に対する医療需要のほとんどは 5 つのデバイス ファミリで占められており、それぞれが異なる仕様を重視しています。

MCP-H20 および MCP-H21 差圧センサー アナログまたは高速 I2C 出力を備えたデュアルポート差動センサーで、-100 ～ 200 kPa の範囲で医療、空気圧、および環境測定に使用できます。 製品を見る→

無錫国家ハイテク地区に拠点を置くセンサーメーカーである MemsTech (無錫 Mems Tech Co., Ltd.) は、まさにこれらのファミリーにわたる医療範囲を整理し、 医療用圧力センサーのポートフォリオ 各モデルを圧力タイプ、出力信号、測定範囲、およびパッケージにマッピングします。人工呼吸器技師と透析技師は同じカタログから異なる制約を最適化しているため、このマッピングは単一の見出しの精度数値よりも重要です。

温度補償とドリフト: 後で表面化するエラー

温度は医療用圧力センサーにおける最大の単一誤差原因であり、最も一貫して引用される仕様です。室温での精度が同じ 2 つの部品でも、45℃では 5 倍も異なる場合があります。

次の 3 つの習慣により、患者に影響が及ぶ前にそのギャップのほとんどが埋められます。

1. 市販のバンドではなく、臨床温度バンドの両端にある正確なハウジング内の正確な部品番号をテストしてください。
2. 電源投入時と 20 分間の連続動作後に再度ゼロ オフセットを記録し、3 つのロットの 10 台のユニットにわたって 2 つを比較します。
3. ゼロ調整バルブとファームウェア オフセット ルーチンを追加して、センサーが保証できないものをシステムが修正できるようにします。

社内校正を行うメーカーは、この作業の一部を吸収します。 MemsTech が出荷するすべてのユニットは、リリース前にゼロおよびフルスケール校正、熱サイクル、および長期安定性の評価が行われており、最良の場合の精度は 0.2% FSS と見積もられています。残りの検証は依然として独自のテスト計画に属します。これは、部品が実際に受ける媒体、負荷応力、滅菌サイクルを知っているのはあなただけであるためです。

PO をリリースする前のパッケージ、インターフェイス、および調達のチェック

仕様は 2 つの選択肢で決まります。それは、センサーの取り付け方法と、信号がボードからどのように出力されるかです。どちらも、生産量と校正ステップの所有者によって決まります。

MCP5XXXDP 医療および産業用統合型圧力センサー 絶対, gauge, and differential pressure options with analog output, covering 0 to 700 kPa for microcontroller-based medical and industrial designs. 製品を見る→

1. 一般的な精度ステートメントだけでなく、ゼロ値とフルスケール値を含む正確なロットの校正記録をリクエストしてください。
2. 温度補償範囲を書面で確認し、その範囲外ではどうなるかを問い合わせてください。
3. サイクル数を含め、実際に使用する滅菌方法とメディアの互換性を確認してください。
4. ロット間のゼロ分布を尋ねてください。その数値によって、組立ラインにトリム ステップが必要かどうかが決まるからです。
5. ランプに対して容量とリードタイムを確認し、部品が社内で製造されたのか再販されたのかを確認します。

ダイの構造、パッケージング、およびアプリケーションのトレードオフに関する幅広い技術的背景については、このサイトの MEMS圧力センサー技術の概要 これらのデバイスがどのように構築されるか、および実際の限界がどこにあるのかについて説明します。

医療用MEMS圧力センサーに関するFAQ

MEMS圧力センサーと圧電圧力センサーの違いは何ですか?

MEMS 圧力センサーは横隔膜のたわみを測定し、静圧を読み取ることができるため、気道内圧、カフ内圧、または透析膜内圧の有効な値を保持します。圧電素子は変化する力に反応し、静的な読み取り値を保持できないため、連続監視ではなく動的なイベントに適しています。

医療用 MEMS 圧力センサーはオートクレーブ滅菌に耐えられますか?

それはダイではなくパッケージに依存します。密閉ハウジング内のゲル分離ポートは滅菌によく使用されますが、ゲルと接着層に熱ヒステリシスが蓄積するため、121℃または134℃でサイクルを繰り返した後はゼロオフセットを再確認する必要があります。

アナログ医療用圧力センサーとデジタル医療用圧力センサーのどちらを選択すればよいですか?

ボードにすでに低ノイズ ADC が搭載されており、キャリブレーションと温度補償ルーチンを所有している場合は、アナログを選択してください。構築するよりも精度を購入したい場合は、工場で調整されたデジタル パーツを選択してください。通常、小規模なチームや生産量が少ない場合は、これがより早い方法です。

医療用 MEMS 圧力センサーは現実的にどの程度の精度を実現できますか?

最良の場合の直線性と精度は、適切に適合した医療プラットフォーム上でフルスケールの 0.2% に達しますが、現場で重要となる数値は、臨床温度帯域全体にわたる精度、熱ドリフト、および長期安定性の合計です。その合計は通常、見出しの数字の 2 ～ 5 倍になります。