Stefan Falk 施林生（譯）

1. analog microelectronics GmbH公司，德國美因茨 55124；2. 上海蕓圣微電子有限公司，上海 201108

0 前言

隨著時(shí)代的進(jìn)步，睡眠健康受到越來越多的關(guān)注。睡眠呼吸暫停是一種影響人類睡眠健康的常見疾病，然而許多患者通常并不知道他們患有此類疾病。睡眠呼吸暫停疾病分為兩種類型：中樞性和阻塞性。中樞性睡眠呼吸暫停（CSA）是由中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病引起的，由于控制呼吸的大腦中樞障礙，使得胸部和橫膈膜的呼吸肌由于沒有收到大腦的信息而導(dǎo)致睡眠過程中出現(xiàn)呼吸停止或減弱；阻塞性睡眠呼吸暫停（OSA）是一種更為常見和比較嚴(yán)重的疾病，涉及夜間危險(xiǎn)的呼吸暫停，通常是由于喉部肌肉疲勞導(dǎo)致氣道狹窄或氣道阻塞引起（常見于老年人）。這些呼吸暫停有時(shí)會持續(xù)大約20～30 s，嚴(yán)重的情形下（阻塞性呼吸暫停），有時(shí)會持續(xù)幾分鐘?；加羞@種疾病的人在睡眠時(shí)呼吸經(jīng)常是不均勻的。在夜間，他們的呼吸有時(shí)會停止數(shù)次，導(dǎo)致血液中的氧氣含量下降，因此大腦和器官不能獲得足夠的氧氣，此時(shí)身體會做出應(yīng)急喚醒反應(yīng)，當(dāng)事人醒來時(shí)會大聲打鼾并且同時(shí)做深呼吸。當(dāng)出現(xiàn)這種情況后，患者會在白天出現(xiàn)典型的癥狀，如疲勞、精力不足等。這種疾病的診斷通常都比較晚，因?yàn)樵卺t(yī)生正常的就診期間無法檢測出來，僅有與患者同室的人員才會注意到。

這種稱為 CPAP（持續(xù)氣道正壓通氣）的呼吸設(shè)備也叫CPAP呼吸機(jī)，它在上述情況下可以提供很大的幫助。該設(shè)備通過一個(gè)面罩連接到患者（見圖 1），在睡眠期間提供微小的正氣壓，其工作原理如圖 2 所示。該設(shè)備可以提供確定的空氣流量，同時(shí)可以保持空氣的溫度和濕度，用來輔助患有睡眠呼吸暫停疾病的病人呼吸。

1 CPAP 呼吸機(jī)中的壓力傳感器

圖2顯示了CPAP呼吸機(jī)設(shè)備的基本構(gòu)造。該設(shè)備中有3個(gè)基本功能需要使用壓力傳感器進(jìn)行測量：

· 流量——控制和調(diào)節(jié)空氣流量；

· 壓力——測量呼吸機(jī)管道中的相對壓力；

· 液位——用于測量加濕器水箱中的液位。

為了測量CPAP呼吸機(jī)設(shè)備中流向患者的正壓空氣流量，使用了差分壓力傳感器。該傳感器可以測量空氣管道中環(huán)形孔板兩端的壓力差，通過該壓力差的大小可以得出正壓空氣流量的大小。壓力差的大小不僅與流過管道的流量大小有關(guān)，還與環(huán)形孔板的幾何形狀有關(guān)。表壓壓力傳感器用來確定空氣管道內(nèi)部的壓力和環(huán)境壓力的差值，這個(gè)管道內(nèi)部的壓力比環(huán)境壓力高一些，通常＜50 mbar，形成微小的正氣壓。另外，還可以使用表壓壓力傳感器測量加濕器水箱的水液位壓力（比如水液位高度25 cm=25 mbar），用來監(jiān)測液位。

隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，對設(shè)備和器件不斷提出更高的性能要求和更小的尺寸要求，因此小型化也是對新一代傳感器的基本要求。作為已經(jīng)在工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備上廣泛使用的AMS 5915系列第二代后續(xù)產(chǎn)品——AMS 6915，它不僅具有更好的電氣參數(shù)，更重要的是，該傳感器的外形尺寸也變得更加小了。這兩種傳感器目前都廣泛應(yīng)用于上述醫(yī)療設(shè)備中，在這里將它們作為新型OEM壓力傳感器的例子來介紹。

2 OEM壓力傳感器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

在醫(yī)療設(shè)備的生產(chǎn)中，通常都是采用電路板安裝式的壓力傳感器，它可以直接提供模擬或者數(shù)字的壓力信號?，F(xiàn)在幾乎所有的信號處理和分析都是通過微處理器（單片機(jī)）進(jìn)行的，因此傳感器的輸出信號采用I2C 的數(shù)字形式變得越來越流行。這種經(jīng)過溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)的壓力傳感器由2個(gè)模塊組成：一個(gè)MEMS（壓力芯體）和一個(gè)ASIC集成電路（專用集成電路），它們都是安裝在同一塊陶瓷基板上。圖3是AMS 6915壓力傳感器的方框圖，大致介紹了壓力傳感器的各個(gè)組成部分和功能轉(zhuǎn)換，最后以I2C的數(shù)字信號形式輸出。

壓力傳感器都是以硅片制成的膜片（MEMS）為基礎(chǔ)，稱為壓力芯體?，F(xiàn)在硅壓力芯體變得越來越小，不僅可以使得傳感器小型化，成本也不斷下降。通過擴(kuò)散在硅片上形成的應(yīng)變電阻連接成惠斯登電橋，這種作為測量電橋的輸出信號通常只有大約100 mV，因此需要一個(gè)放大器。此外，硅片上的應(yīng)變電阻會隨著溫度的變化而變化，因此必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)，這樣才可以獲得更高的精度。對于硅片上的應(yīng)變電阻電橋產(chǎn)生的與壓力成正比的電壓信號的處理通常是采用ASIC集成電路（專用集成電路），這是一種CMOS集成電路，通過它對信號進(jìn)行放大、補(bǔ)償、線性化以及校準(zhǔn)。在壓力傳感器AMS 6915中的集成電路是由儀表放大器Amp、14 位 AD轉(zhuǎn)換器、只讀存儲器EEPROM、處理器uC和I2C輸出極組成（見圖 3）。由壓力校準(zhǔn)設(shè)備確定的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和修正系數(shù)都存儲在只讀存儲器EEPROM 中。壓力芯體中的電橋信號的變化不僅取決于壓力，還與溫度有關(guān)，因此在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)要進(jìn)行補(bǔ)償和校準(zhǔn)，并將這些數(shù)據(jù)與校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，然后存儲在只讀存儲器EEPROM中。借助來自 EEPROM 的校正參數(shù)，通過存儲的優(yōu)化算法將相應(yīng)的測量值與傳感器上的實(shí)時(shí)溫度信號進(jìn)行比較和修正，以便在每個(gè)周期（0.5 ms）之后，在輸出端以I2C 的形式獲得不斷更新的壓力和溫度值。

3 用于醫(yī)療設(shè)備中的OEM壓力傳感器：AMS 6915

小型化的OEM壓力傳感器AMS 6915（見圖4）具有14位的分辨率，在‐25～85 ℃的工作溫度范圍內(nèi)有非常小的綜合誤差：±1.0% FS（＞100 mbar）。綜合誤差之所以這么小，是在塑料外殼中的陶瓷電路板起了重要作用，這是因?yàn)樗哂辛己玫臋C(jī)械穩(wěn)定性。有些尺寸較大的傳感器在較小的溫度范圍也只能達(dá)到較低的精度，常常是沒有考慮失調(diào)偏置和溫度的影響。德國AMG公司制造的傳感器適用于所有類型的壓力測量：絕對壓力、差壓和相對壓力。壓力連接端口除了在一側(cè)有連接端口的扁平型號（?outside= 2.0 mm）外，還有一種垂直的壓力連接端口型號（?outside=3.8 mm），它可以提供更加堅(jiān)固的壓力管子連接。因此，AMS 6915可以適應(yīng)在生產(chǎn)中的各種不同要求。

通用的雙立直插式DIL設(shè)計(jì)，對于壓力連接端口的穩(wěn)定性來說，無論是用的軟管還是在生產(chǎn)中連接時(shí)，橫向連接端口在軟管連接時(shí)帶來的剪切力的影響非常小。因此，AMS 6915在關(guān)鍵應(yīng)用中有著極高的可靠性。當(dāng)然，AMS 6915也可以提供SMD貼片式的結(jié)構(gòu)。

AMS 6915的壓力范圍從5～1,000 mbar，還有一個(gè)專為大氣測量的700～1,200 mbar的大氣壓范圍，基本上涵蓋了低壓和中壓范圍內(nèi)的所有要求。差分壓力傳感器還有一種可以測量負(fù)壓和正壓的雙向差分壓力傳感器。壓力傳感器的工作溫度范圍從‐25～85 ℃，也是傳感器溫度補(bǔ)償?shù)姆秶?，這意味著在此溫度范圍內(nèi)對傳感器進(jìn)行了補(bǔ)償、線性化以及校準(zhǔn)。當(dāng)然也可以滿足特殊用戶的不同要求，比如壓力范圍或者其他的結(jié)構(gòu)形式。壓力傳感器的工作電源電壓有3.3 V和5 V兩種，工作電流小于5 mA。AMS 6915壓力傳感器的輸出是通用的I2C數(shù)字輸出，AMS 6916壓力傳感器則可以模擬電壓輸出，它們可以非常方便地和其他電氣設(shè)備相互連接，組成完整的監(jiān)測控制設(shè)備系統(tǒng)。

AMG公司專門開發(fā)的用于檢測壓力傳感器的USB接口電路板（Starter Kit AMS 6915），可以方便地用來檢測傳感器和修改傳感器地址，也可以直接用于壓力和溫度的測量。這個(gè)Starter Kit 電路板直接通過USB和電腦連接，可以顯示各種物理單位的壓力值和溫度值，或者直接數(shù)字輸出。傳感器的DIL引腳可以直接連接到ZIF插座上，進(jìn)行快速更換和檢測。

4 結(jié)束語

本文介紹了醫(yī)療設(shè)備中有關(guān)CPAP呼吸機(jī)的概要，提出了這個(gè)呼吸機(jī)中所需要的關(guān)鍵元器件——壓力傳感器的要求。介紹了德國AMG公司生產(chǎn)的壓力傳感器AMS 6915的多種特性。它可以滿足醫(yī)療設(shè)備生產(chǎn)中的各種苛刻條件，除此以外，這些壓力傳感器還可以應(yīng)用于空氣過濾器，已越來越多地用于過濾器的監(jiān)控和流量的監(jiān)測。隨著MEMS技術(shù)和微電子技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)品做得越來越小，同時(shí)，在最小的空間內(nèi)，分辨率、精度和穩(wěn)定性方面得到了提高。