医療用圧力センサー: MEMS 出力とパッケージングを臨床機器に適合させる

すべての輸液ポンプ、人工呼吸器、非侵襲的血圧モニターは以下に依存しています。 医療用圧力センサー 長年の臨床サービスを通じて校正を維持します。患者と接触するデバイス用に製品を指定する場合、精度クラス、出力形式、およびパッケージングという 3 つの決定によって、製品が検証に合格するかどうかが決まります。これらを正しく選択すると、センサーは静かなコンポーネントになります。選択を誤ると、部品表の中で最も高価な現場での故障が発生することになります。

臨床使用のための医療用圧力センサーの定義は何ですか?

医療グレードの MEMS 圧力センサーは、単一の認証によって定義されるのではなく、安定性仕様、材料の互換性、およびユニットレベルの校正によって定義されます。

MEMS 圧力センサーは、加えられた圧力の下で屈曲するダイアフラムを介して圧力を電気信号に変換するマイクロ電気機械デバイスです。ダイヤフラム内のピエゾ抵抗素子がそのたわみを測定します。容量性設計も存在しますが、安定した DC 応答、低いヒステリシス、成熟した校正プロセスを提供するピエゾ抵抗 MEMS 圧力センサーが医療機器で主流となっています。

重要な仕様は精度です。 0 ～ 300 mmHg の輸液ライン上の 1 パーセント FSS センサーは、6 mmHg 以内の精度です。警報閾値が 30 mmHg にある場合、このマージンが重要になります。 2 番目のパラメータは媒体の隔離です。流体接触センサーには、ダイヤフラムが生理食塩水、血液、薬剤に触れないように保護ゲルまたはステンレス鋼のバリアが必要です。

医療用圧力センサーの精度: 患者にとって重要な測定の限界

臨床機器の場合、実際の精度目標はフルスケール スパンの 0.5 パーセントから 1 パーセントの間にあり、すべてのユニットには個別の校正データが付属している必要があります。

デバイス エンジニアは、FSS 精度が 1.0% のセンサーを指定することがよくありますが、体温が上昇したときにシステムが許容範囲を満たさない場合に苦労します。通常、原因は基本精度ではなく、熱ドリフトです。 23 ℃ で校正されたセンサーは、サプライヤーが工場で温度補正を適用しない限り、使用中にデバイスが 37 ℃ に温まると、FSS の数パーセントだけドリフトする可能性があります。

MCP5XXXDP シリーズ医療用途向け温度補償付き圧力センサー このシリコン ピエゾ抵抗トランスデューサはアナログ出力を提供し、10 ～ 60°C にわたって温度補償されているため、動作範囲全体にわたって信頼性が高くなります。熱ドリフトが問題となる人工呼吸器やモニターなどの医療機器に適しています。 製品を見る→

温度ドリフトが誤差の範囲を大きく左右するため、室温での精度数値だけでなく、温度補償の仕様についてもサプライヤーに問い合わせてください。通常、補正は 0 ～ 50 ℃ の範囲で 2 点または 3 点の補正で行われます。その結果、センサーは 23 ℃ だけでなく、製造温度範囲全体にわたって規定の精度帯域内に出力を維持する必要があります。

アナログまたはデジタル出力: 信号チェーンとインターフェイスの適合

コンバーターとアンプチェーンがすでに固定されている場合は、アナログ出力を選択してください。 I2C または SPI で校正された読み取り値が必要で、ユニットごとのオフセット トリミングを避けたい場合は、デジタルを選択してください。

アナログ センサーは、供給と圧力に応じて調整されるレシオメトリック電圧を出力します。シンプルで安価で、設計チームにとって快適なものです。一方、デジタル センサーには、オンチップ ADC、温度センサー、および一連の校正係数が含まれています。完全に補正された圧力測定値をシリアル インターフェイス経由で返します。

医療機器用圧力センサー MCP-H20 および MCP-H21 これらの SOP 圧力センサーには、アナログ バージョンとデジタル バージョンがあります。 H21 は I²C 経由で 24 ビットのデジタル圧力と温度を提供し、H20 はアナログ出力を提供します。どちらも家庭用および医療用電子機器向けに設計されており、さまざまな圧力範囲のオプションが用意されています。 製品を見る→

PCB スペースが限られており、すぐに使える MCU を備えた医療機器には、通常、デジタル センサーが取り付けられます。計測器に高精度 ADC がすでに搭載されている場合、アナログ センサーを使用すると、精度を損なうことなくコストが削減されます。

パッケージングとポート構成: 現場での組み立てリスク

医療用圧力センサーのフィールド故障の最も一般的な原因は、シリコンではなくパッケージです。

MEMS 圧力センサーは、ダイアフラムが汚れていたり、ポートに漏れがあったり、機械的ストレスがパッケージに伝わったりすると、すぐに機能しなくなってしまいます。パッケージングに関する 3 つの決定が、アセンブリの歩留まりに影響します。

1. パッケージのフットプリント: SOP (表面実装) は小型で PCB 統合に適しています。 DIP/SIP (ダイレクト プラグ) により、バルクヘッドの取り付けが可能になり、サービスが容易になります。
2. ポートの種類: チューブポートは柔軟なシリコンチューブに適合します。ニップルポートは空気圧ラインに接続します。 PCB マウント ポートは、センサーが密閉されたキャビティに直接設置される場所に使用されます。
3. ゲルコーティング： ダイアフラム上のシリコーンゲル層は、シリコンを流体回路から隔離し、透析液および血圧ライン内の液体測定を可能にします。

医療用ノズル付圧力センサー MCP-H10、MCP-H11 これらのコンパクトな SOP センサーは、増幅と補償を統合しています。 H10 は 0.5V ～ 4.5V のアナログ電圧を出力し、H11 は 24 ビットのデジタル圧力と温度を提供します。幅広い圧力範囲に対応し、血圧計やその他の医療機器に適しています。 製品を見る→

センサーが湿った環境で使用される場合、ゲルの厚さは応答時間と熱遅延に直接影響するため、ゲルの壁の厚さと硬化プロファイルを指定する必要があります。

医療用圧力センサーの校正とバッチの一貫性

すべてのセンサーは工場から出荷される前にサプライヤーのラインでゼロ調整され、スパン調整される必要があり、サンプルテストは患者と接触するデバイスでは受け入れられません。

MemsTech (Wuxi Mems Tech Co., Ltd.) では、校正プロセスが自動化されており、各ユニットはゼロおよびフルスケール調整と温度補償を受けています。出力は、リール全体のオフセットの厳密な分布として現れるバッチの一貫性であり、品質エンジニアが生産ロットの到着時に確認したいものです。

安定性評価は通常、年間の FSS ドリフトとして報告されます。センサーは一度検証され、その後その耐用年数の間信頼されるため、患者モニタリングで使用される範囲が年間 0.1% 未満の数値を探してください。

医療機器チーム向けの相互参照表

この表を使用して、測定要件を圧力センサー構成に変換します。

部品番号を暗記するのではなく、実際に部品表とリスク プロファイルを変更する決定要因を比較してください。

よくある質問

以下の質問は、圧力センサーの調達時に医療機器チームが最も頻繁に提起する決定事項を取り上げています。

臨床グレードの圧力センサーにはどの程度の精度を指定する必要がありますか?

患者と接触するほとんどのアプリケーションでは、フルスケール スパンの 1 パーセントを基本精度として指定し、0.5 パーセントは換気と重要な注入のために確保されています。 MemsTech プラットフォームは、FSS の 0.2% の精度と評価されるセンサーを提供します。

同じ圧力センサーを空気と液体の両方の測定に使用できますか?

標準の MEMS チップは空気またはガスの圧力を測定します。液体接触測定の場合、媒体がシリコン ダイヤフラムに触れないように、センサーはシリコン ゲル コーティングまたはステンレス鋼の絶縁バリアを備えている必要があります。

アナログ MEMS 圧力センサーとデジタル MEMS 圧力センサーの違いは何ですか?

アナログセンサーは圧力に比例した電圧を返します。デジタル センサーには ADC とキャリブレーション係数がオンチップに含まれており、I2C または SPI 経由で補償された測定値を返します。デジタル出力によりファームウェアの作業が軽減されますが、コストが若干高くなります。

温度補償は信頼性にどのような影響を与えますか?

補償されていないセンサーは、0 ～ 50 ℃の間で FSS の 8% ドリフトする可能性があります。完全に補償されたセンサーは、出力を 1% 以下に維持します。そのため、患者結合測定には補償が必須の要件となります。