傳感器的使用正在突飛猛進地增長。傳感器幾乎遍布每個行業(yè)，在消費電子、汽車、智能家居和醫(yī)療應(yīng)用中的使用率尤其高。今天的智能手機至少包含五個傳感器。新車現(xiàn)在有多個用于安全和停車的光學傳感器，再加上典型發(fā)動機上的七種不同類型的傳感器。

2017 年全球傳感器市場總值為 $139B，預(yù)計到 2025 年將達到 $287B，復(fù)合年增長率為 9.5%。根據(jù) Zion Market Research 的數(shù)據(jù)，僅醫(yī)療傳感器市場在 2018 年的價值約為 11.7B 美元，預(yù)計到 2025 年將達到約 19.8B 美元，復(fù)合年增長率約為 7.80%。有用于腦機接口的可穿戴腦電圖傳感器技術(shù)。還有植入傳感器。一個例子是視覺障礙者的圖像傳感器。在這方面有很多研究工作。許多例子之一是由斯坦福大學工程師和醫(yī)學研究人員開發(fā)的無線、無電池、可生物降解的血流傳感器。

健康監(jiān)測傳感器可能是增長最快的領(lǐng)域。有人說，傳感器在新型可穿戴醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用受到人口老齡化的推動。但是，每個人都會從這些新技術(shù)中受益，而年輕的人群正在迅速加入。新的和改進的傳感器技術(shù)被設(shè)計到智能手表和許多醫(yī)療可穿戴設(shè)備中。他們還將進入家庭使用的非便攜式顯示器，以及醫(yī)療設(shè)施中使用的設(shè)備。

設(shè)計基于傳感器的可穿戴設(shè)備，提供所需的高精度，使其被視為醫(yī)療保健中有價值的工具，這絕非易事。從監(jiān)測設(shè)備的放置到血液灌注水平，有許多考慮因素需要解決。有關(guān)獲得準確的心率和血氧飽和度 （SpO 2 ） 測量以深入了解健康和福祉所面臨的挑戰(zhàn)的更多詳細信息，請閱讀應(yīng)用說明“在聆聽您喜歡的曲目時跟蹤您的心率。”

入耳式應(yīng)用的光學模塊

SpO 2是血液中氧氣含量的估計值。血氧測試用于檢查一個人的肺部工作情況。血氧水平也是藥物過量的最可靠指標。脈搏血氧儀對新生兒特別有價值，因為氧合不足，嬰兒無法茁壯成長，但氧氣過多和氧氣濃度波動會導致視力障礙或失明。此外，醫(yī)院在麻醉和麻醉后護理期間使用準確的 SpO 2測量。

脈搏血氧儀通過將紅色 LED（600-750nm 波長）和紅外 LED（850-1000nm 波長）交替閃爍到身體部位來工作。然后使用光電二極管傳感器測量氧合血紅蛋白 （HbO 2 ）的紅光吸收和脫氧血紅蛋白 （Hb） 的紅外光吸收。Hb 吸收更多（并且反射更少）紅光。HbO 2吸收更多的紅外光。

血氧飽和度可以通過比較 Hb 和 HbO 2的值來確定。透射式血氧儀測量通過組織（通常是手指）透射的光，反射式血氧儀（如本設(shè)備所用）測量由組織（通常是手腕或耳朵）反射的光。

MAXM86161是一款極低功耗、單電源、高度集成的光學模塊，用于心率和SpO 2測量。該 IC 針對入耳式應(yīng)用進行了優(yōu)化，采用微型 0.169 x 0.114 英寸窗口封裝，帶有由三個低噪聲 8 位 DAC 控制的紅色、IR 和綠色 LED，以及一個連接到跨阻放大器和 19 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。使用單個綠色 LED 測量心率。

MAXM86161 的跨阻放大器將來自光電二極管的幾微安電流轉(zhuǎn)換為幾毫伏的信號。該信號然后通過高通濾波器以減少背景光干擾，然后進入 A/D。

圖 1. MAXM86161 框圖。

該 IC 在 -40° 至 85°C 的溫度范圍內(nèi)采用 3.0V 至 5.5V VLED 單電源供電。它支持標準 I 2 C 接口和完全自主操作，并具有 128 字的內(nèi)置 FIFO。

溫度測量功耗降低 50%

設(shè)計下一代可穿戴健康和健身應(yīng)用的工程師需要高精度和極低功耗，用于腕帶可穿戴設(shè)備等應(yīng)用。手腕不是臨床監(jiān)測體溫的理想位置，但可以提供良好的相對和每日趨勢指示。準確性在這里仍然非常重要。

在醫(yī)院中，擁有一個準確的集成溫度傳感器意味著不再需要每小時一次將溫度計插入患者口中?，F(xiàn)在，護士站可以連續(xù)讀取多個體溫的圖表，準確度更高，患者體驗更舒適。

長時間的體溫變化可能表明感染引起的常見發(fā)燒，而術(shù)后患者體溫突然下降可能表明危及生命的狀況。因此，快速準確地測量體溫的能力對醫(yī)生來說非常重要。最近的研究表明，皮膚溫度的局部變化可能是疾病的標志，包括惡性腫瘤。身體上的多個溫度監(jiān)測器可能是一個重要的診斷工具。

使用MAX30208數(shù)字溫度傳感器 IC 的設(shè)計可以將溫度測量所需的功率降低 50%。該芯片是具有極高準確度 （±0.1°C）、單電源供電（1.7V 至 3.6V）、低成本和測量期間僅 60μA 電流消耗和停機時 0.5μA 電流消耗的“天才”器件之一。 還能要求什么呢？

圖 2.MAX30208 框圖。

該 IC 允許在單個總線上尋址多個設(shè)備。它有一個 I 2 C 串行接口和一個用于溫度數(shù)據(jù)的 32 字 FIFO 緩沖器，并采用非常小的 2mm x 2mm x 0.75mm、10 引腳薄 LGA 封裝。唯一的 ROM ID 允許設(shè)備可被 NIST 追蹤。除了 FIFO，內(nèi)存映射寄存器還包含高低警報觸發(fā)寄存器和傳感器設(shè)置寄存器。

不是在封裝底部使用導熱墊，而是在封裝頂部測量溫度，盡可能遠離其引腳，從而最大限度地減少寄生自熱的可能性。

結(jié)論

得益于先進的傳感器技術(shù)，設(shè)計醫(yī)療設(shè)備的工程師現(xiàn)在有了優(yōu)勢。借助這些技術(shù)，設(shè)計人員正在推出新一波健康監(jiān)測可穿戴設(shè)備，可以實現(xiàn)向更積極主動的預(yù)防性護理轉(zhuǎn)變。

審核編輯：郭婷