陳美巧 溫宇標(biāo) 樊翔 宋盟春 廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所 （廣東 廣州 510663）

內(nèi)容提要：基于YY 0505-2012靜電放電抗擾度測(cè)試項(xiàng)目的干擾理論分析，結(jié)合二氧化碳模塊工作原理，根據(jù)某款多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀主流二氧化碳傳感器通信中斷并死機(jī)的實(shí)例，對(duì)該故障進(jìn)行原因分析，提出提高二氧化碳模塊的靜電放電抗干擾能力的解決方案并進(jìn)行驗(yàn)證。供研究提高多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀二氧化碳模塊的靜電放電抗干擾能力的相關(guān)人員參考。

在當(dāng)前的醫(yī)療機(jī)構(gòu)中，多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀多用于心率、脈搏、血壓、呼吸、血氧飽和度和二氧化碳濃度等生理參數(shù)的監(jiān)測(cè)，其中的二氧化碳傳感器，主要用于監(jiān)測(cè)患者在呼吸過(guò)程中呼氣末二氧化碳的數(shù)值，因其具有無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)、可連續(xù)測(cè)量、反應(yīng)迅速和測(cè)量方便等優(yōu)點(diǎn)，在臨床上被廣泛應(yīng)用于手術(shù)室、呼吸科、術(shù)后恢復(fù)室等科室。但由于電磁騷擾環(huán)境越發(fā)復(fù)雜，多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀受到電磁干擾的可能性也越來(lái)越大，其中，二氧化碳傳感器就是一個(gè)敏感器件，在靜電放電試驗(yàn)中通常容易出現(xiàn)不合格現(xiàn)象。因此，為提高多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀二氧化碳模塊的靜電放電抗干擾能力，本文從一款多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀主流式二氧化碳模塊通信中斷并死機(jī)的實(shí)例出發(fā)，結(jié)合二氧化碳模塊工作原理，對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障原因分析，提出相應(yīng)的整改方案并進(jìn)行驗(yàn)證。

1.二氧化碳模塊的工作原理

測(cè)定二氧化碳濃度的方法包括比色法、質(zhì)譜儀法和紅外線法。目前大多數(shù)多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀二氧化碳傳感器基本上是運(yùn)用紅外線吸收技術(shù)，其原理是基于二氧化碳?xì)怏w能選擇性吸收4.3μm紅外光譜特性進(jìn)行的，由于光譜吸收與二氧化碳濃度形成一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，利用這種關(guān)系可通過(guò)所測(cè)量到的透射光強(qiáng)度來(lái)獲得二氧化碳濃度值[1]。在某多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀中，二氧化碳?xì)怏w通過(guò)氣道適配器，吸收光源模塊產(chǎn)生的紅外線，傳感器接收衰減后的紅外線能量，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，該電信號(hào)與紅外光源的能量進(jìn)行比較并調(diào)整后，再將信號(hào)傳送至微處理器模塊和通信轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行處理，經(jīng)由主控板分析并顯示在觸控屏上，即可準(zhǔn)確地反映氣體中的二氧化碳濃度含量。具體的二氧化碳模塊的數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1.某多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀二氧化碳模塊數(shù)據(jù)處理流程圖

2.測(cè)試要求及故障問(wèn)題描述

2.1 測(cè)試要求

根據(jù)醫(yī)療器械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY 0505-2012以及國(guó)標(biāo)GB/T 17626.2-2018的測(cè)試要求，對(duì)于電子設(shè)備可觸及的金屬導(dǎo)電部件應(yīng)進(jìn)行接觸放電，執(zhí)行等級(jí)為±2kV、±4kV、±6kV，對(duì)于電子設(shè)備可觸及的非導(dǎo)電部件應(yīng)進(jìn)行空氣放電，執(zhí)行等級(jí)為±2kV、±4kV、±8kV。由于試驗(yàn)環(huán)境對(duì)靜電放電有一定的影響，為了降低環(huán)境參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的誤差，對(duì)試驗(yàn)環(huán)境也做了具體的要求：①環(huán)境溫度維持在15～35°C，②相對(duì)濕度維持在30%～60%RH，③大氣壓力維持86～106kPa。

2.2 故障問(wèn)題描述

對(duì)主流式二氧化碳傳感器塑料外殼進(jìn)行±2kV、±4kV空氣放電，多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀正常工作，無(wú)任何異常反應(yīng)。而在±8kV空氣放電過(guò)程中，二氧化碳監(jiān)測(cè)曲線停止工作，多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀開(kāi)始報(bào)警，提示二氧化碳傳感器脫落。點(diǎn)擊監(jiān)護(hù)儀觸摸屏二氧化碳監(jiān)測(cè)曲線區(qū)域，無(wú)觸控反應(yīng)，判斷已死機(jī)，如圖2、圖3所示。上述兩個(gè)現(xiàn)象皆不符合YY 0505-2012的36.202.1j)符合性準(zhǔn)則，初步判定為不合格。

圖2.二氧化碳監(jiān)測(cè)波形停止工作

圖3.監(jiān)護(hù)儀提示傳感器脫落

3.靜電放電試驗(yàn)原理與故障原因分析

3.1 靜電放電試驗(yàn)原理

靜電放電現(xiàn)象的發(fā)生，主要因?yàn)殪o電荷的分離容易產(chǎn)生電位差，電位差越大越容易擊穿空氣介質(zhì)。由于靜電放電本質(zhì)上就是瞬態(tài)脈沖，這種脈沖具有較高的干擾電壓、較快速的脈沖上升時(shí)間、較寬的頻譜范圍等特點(diǎn)，這使得醫(yī)用電氣設(shè)備很容易受到干擾，嚴(yán)重可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞，進(jìn)而增加診斷治療風(fēng)險(xiǎn)。靜電放電對(duì)電子設(shè)備的干擾方式一般有兩種：傳導(dǎo)干擾和輻射干擾[2]。傳導(dǎo)干擾是指干擾電流經(jīng)內(nèi)部電路，直接侵入芯片，導(dǎo)致芯片被干擾，甚至?xí)p壞。輻射干擾是指由于靜電放電在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了尖峰電流，尖峰電流內(nèi)含有豐富的高頻成分，從而產(chǎn)生輻射磁場(chǎng)或者電場(chǎng)，影響周圍電路。

3.2 故障原因分析

根據(jù)上述現(xiàn)象進(jìn)行分析，初步判斷，問(wèn)題原因可能是靜電干擾使二氧化碳模塊數(shù)據(jù)處理流程某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致通信功能失常，主控板檢測(cè)不到信號(hào)，從而出現(xiàn)傳感器脫落的錯(cuò)誤提示。

本案例中，在對(duì)該二氧化碳傳感器進(jìn)行空氣放電過(guò)程時(shí)，靜電槍槍頭掃過(guò)外殼縫隙處，能明顯看到靜電槍與傳感器之間產(chǎn)生電火花，靜電槍也存在放電記錄。由于此處縫隙距離傳感器模塊和微處理器模塊較近，靜電放電過(guò)程的干擾電流可以直接串入，致使微處理器模塊無(wú)信號(hào)輸出或主控板采集不到信號(hào)，監(jiān)護(hù)儀提示傳感器脫落。出現(xiàn)通信中斷現(xiàn)象后，多次插拔二氧化碳傳感器，傳感器指示燈閃爍，但多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀二氧化碳曲線無(wú)任何反應(yīng)。此外，在二氧化碳傳感器掉線過(guò)程中，多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的其他參數(shù)正常運(yùn)作，唯有二氧化碳波形仍處于停止通信狀態(tài)。人為重啟監(jiān)護(hù)儀，監(jiān)護(hù)儀能正常連接二氧化碳模塊。那么可分析出靜電電流進(jìn)入主控板模塊，其靜電電流和產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)，使得主控板CPU通信端口鎖存。根據(jù)軟件的設(shè)定，主控板CPU優(yōu)先處理與二氧化碳傳感器的通信，所以直到鎖存器狀態(tài)消除為止的期間內(nèi)主控板都不能執(zhí)行其他處理，需要重啟才能解決該問(wèn)題。以上分析剛好與試驗(yàn)結(jié)果（通信中斷并死機(jī)）相符合。

4.整改措施

根據(jù)構(gòu)成EMC干擾三要素干擾源、耦合路徑、敏感設(shè)備來(lái)看，解決設(shè)備受到靜電干擾問(wèn)題的關(guān)鍵在于解決設(shè)備的相關(guān)耦合路徑和敏感設(shè)備。對(duì)于耦合路徑，一般采用“攔截”或者“引流”的方式?！皵r截”就是在流經(jīng)通路上，將靜電電流攔截，防止靜電電流進(jìn)入后續(xù)電路。而“引流”的目的是為了改變干擾電流的方向，使得靜電電流流入大地。對(duì)于敏感設(shè)備，可使用加大物理距離，增加絕緣，在結(jié)構(gòu)處理上避開(kāi)放電點(diǎn)等方式進(jìn)行處理。加大內(nèi)部電路與縫隙的物理距離至2cm以上，可有效防止靜電的產(chǎn)生。增加絕緣，直接“砍斷”靜電電流的通路。在結(jié)構(gòu)處理上避開(kāi)放電點(diǎn)，靜電無(wú)法釋放。

4.1 增加絕緣效果

二氧化碳傳感器屬于敏感設(shè)備，其外殼主要由絕緣材料制成。傳感器的構(gòu)造使得外殼具有很多穿透點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)，而這些穿透點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)都會(huì)給ESD提供一個(gè)干擾通道，對(duì)內(nèi)部電路造成影響。但絕緣外殼在干擾源和內(nèi)部電路之間已建立隔離層，可外殼縫隙過(guò)大或與內(nèi)部電路距離較近也會(huì)容易產(chǎn)生問(wèn)題。因此，內(nèi)部電路與外殼縫隙之間應(yīng)留有足夠的空間，使靜電電流無(wú)法輕易進(jìn)入造成干擾。但由于二氧化碳傳感器是外購(gòu)件，且外殼與內(nèi)部空間已固定，考慮到方案成本和設(shè)計(jì)等問(wèn)題，應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚??？稍趥鞲衅鲀?nèi)部增加硅膠，密封縫隙，能有效地防止靜電透過(guò)孔隙進(jìn)入內(nèi)部影響電路。

4.2 加裝磁環(huán)和焊接磁珠

靜電槍在傳感器外殼縫隙產(chǎn)生電火花，靜電電流穿過(guò)縫隙進(jìn)入內(nèi)部電路，靜電電流和其產(chǎn)生的電磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)耦合路徑進(jìn)入主控板模塊。由于二氧化碳傳感器、通信轉(zhuǎn)換模塊、主控板模塊之間的所有信號(hào)連接均采用線纜互聯(lián)。線纜可能會(huì)作為有效天線，將ESD產(chǎn)生的場(chǎng)傳導(dǎo)或耦合到主控板模塊。故在二氧化碳傳感器與通信轉(zhuǎn)換模塊之間的線纜上加裝磁環(huán)，利用鐵氧磁體對(duì)高頻干擾呈高阻性的特點(diǎn)，大大降低流入的靜電干擾電流，從而達(dá)到保護(hù)主控板模塊的目的，如圖4所示。

圖4.線纜上加裝磁環(huán)

同時(shí)觀察電路圖，發(fā)現(xiàn)二氧化碳模塊通信電路沒(méi)有進(jìn)行ESD防護(hù)。設(shè)計(jì)ESD保護(hù)電路的作用主要是能為靜電提供有效的泄放通道且自身不被損壞，不影響正常工作的信號(hào)[3]。一般來(lái)說(shuō)，ESD保護(hù)電路由電阻、二極管或磁珠組成，具體結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)電路。通常在ESD侵入點(diǎn)與地之間設(shè)置保護(hù)電路，保證靜電電流能順利泄放。根據(jù)上述要求，可在前期電路設(shè)計(jì)階段，在通信轉(zhuǎn)換模塊信號(hào)輸入端或主控板信號(hào)輸入端增加ESD保護(hù)電路。但因通信轉(zhuǎn)換模塊信號(hào)輸入端在電路板設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)預(yù)留線路，只能在主控板模塊信號(hào)輸入端串接磁珠（K8 BD0603-260T），增大阻抗，將靜電電流轉(zhuǎn)換為熱能的形式，消耗在磁珠上，從而達(dá)到防護(hù)作用，整改方法如圖5所示。

圖5.焊接磁珠（K8 BD0603-260T）

通過(guò)以上整改，對(duì)二氧化碳傳感器外殼重新進(jìn)行靜電放電試驗(yàn)，二氧化碳模塊正常采集信號(hào)，未出現(xiàn)斷開(kāi)連接的情況，試驗(yàn)結(jié)果合格。上述兩種方法必須結(jié)合起來(lái)一起使用。當(dāng)然，增加絕緣效果是最直接最有效的整改方法，但考慮到制造商的生產(chǎn)工藝，不一定能保證完全絕緣，因此，加裝磁環(huán)和焊接磁珠的辦法可有效解決絕緣效果不佳的問(wèn)題。

5.小結(jié)

隨著二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)的使用價(jià)值逐漸被認(rèn)可，應(yīng)用也越來(lái)越普遍，逐漸成為目前中高端多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的一個(gè)必備功能。本文通過(guò)分析靜電放電的干擾原理，對(duì)某多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀二氧化碳模塊靜電放電不合格的現(xiàn)象進(jìn)行了深入探討，論述了解決此類問(wèn)題的思路和方法，為研發(fā)人員在設(shè)計(jì)和研發(fā)階段提供了相應(yīng)電磁兼容設(shè)計(jì)思路。