近年來，電子技術的進步使醫(yī)療保健行業(yè)的許多創(chuàng)新和改進成為可能。醫(yī)療設備面臨的挑戰(zhàn)包括開發(fā)新的診斷和治療方法，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和家庭醫(yī)療保健設備，提高質(zhì)量和可靠性，以及增強靈活性和易用性。

40多年來，ADI公司全面的線性、混合信號、MEMS和數(shù)字信號處理技術產(chǎn)品組合幫助儀器儀表、成像和患者監(jiān)護等領域的醫(yī)療保健設計有所作為。本文將重點介紹電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC）技術，該技術可在醫(yī)療保健應用中使用高性能電容檢測。

電容式觸摸傳感器控制器——一種新穎的用戶輸入法

電容式觸摸傳感器以按鈕、滑塊、滾輪或其他類似于圖 1 所示示例的形式提供用戶界面。

圖1.觸摸傳感器布局示例。

每個藍色幾何區(qū)域代表印刷電路板 （PCB） 上的傳感器電極，該電極形成虛擬電容器的一個板。另一塊板由用戶的手指形成，該手指相對于傳感器輸入基本上接地。AD7147/AD7148電容觸摸?控制器系列設計用于激活電容式觸摸傳感器并與之連接，可測量單電極傳感器的電容變化。該器件首先輸出激勵信號，為電容器的極板充電。當用戶的手指等物體靠近傳感器時，將形成虛擬電容器，用戶充當?shù)诙€電容器板（圖 2）。電容使用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC）測量。

圖2.電容感應圖示和典型響應。

CDC能夠感測外部傳感器的電容變化，并使用此信息來記錄傳感器激活。AD7147和AD7148分別具有13個和8個電容傳感器輸入，具有片內(nèi)校準邏輯，可補償周圍環(huán)境變化引起的測量變化，從而確保外部傳感器上不會因溫度或濕度變化而產(chǎn)生誤觸發(fā)。

AD7147和AD7148提供各種工作模式、用戶可編程轉(zhuǎn)換序列和非常靈活的控制功能。這些功能使其成為高分辨率觸摸傳感器功能（如滑塊或滾輪）的理想選擇，軟件要求最低。此外，按鈕傳感器應用可以完全由片上數(shù)字邏輯實現(xiàn)，無需任何軟件。

電容檢測和測量基礎知識

電容是電容器在電場中存儲能量的能力。在其標稱形式（平行板電容器）中，電容C是給定電壓V下存儲在電容器中的電荷Q的量度，計算公式為：

電容檢測和測量技術的本質(zhì)如圖3所示，用于平行板電容器。

圖3.測量平行板電容器的電容。

平行板電容器由兩個導體（金屬板）組成，其特點是

導體面積，a × b

兩個導體板之間的距離 d

兩個導體之間的介電材料，其特征在于介電常數(shù)，εr

基于此幾何形狀的電容計算公式為

哪里ε0是自由空間的介電常數(shù)。

CDC器件對電容器的一板施加激勵并測量電容器中存儲的電荷;然后，數(shù)字結果可用于外部主機。四種類型的電容傳感器（如圖4所示）根據(jù)施加激勵的方式進行區(qū)分。

圖4.傳感器電氣配置。

因為傳感器電容由 a、b、d 和εr，改變這些參數(shù)的值，或觀察其值的變化，使CDC技術可用于直接電容值測量，以及許多其他類型的應用，具體取決于傳感器類型。例如，如果 a、b 和εr是恒定的，CDC輸出與兩個導體之間的距離成反比。

應用

AD714x、AD715x和AD774x系列CDC產(chǎn)品適合各種應用，涉及各種采樣速率、分辨率、輸入范圍和輸入傳感器類型。雖然電容傳感的可能應用僅受用戶創(chuàng)造力的限制，但這里有一些在醫(yī)療保健領域的應用想法。

液位監(jiān)測

在許多應用中，例如輸血，必須測量使用的液體量，或者必須在輸液瓶清空之前關閉流量。為了節(jié)省醫(yī)務人員的時間，自動液位傳感可以幫助消除手動檢查的需要。

液位傳感的基本原理如圖5所示。構建一個平行板電容器，其板緊緊地粘附在輸液瓶的外壁上，并延伸到瓶子底部附近。隨著輸液液位的變化，板之間的介電材料量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電容的變化。為了允許使用具有不同介電常數(shù)的各種輸液物質(zhì)，位于底部附近的第二個電容式傳感器充當參考通道以產(chǎn)生比率測量。

圖5.液位傳感。

24位AD7746具有兩個電容測量通道，可用于此類應用。

電極與人體之間的連接檢測

對于打算在人體皮膚附近運行的設備，例如圖6所示的設備，在激活設備或進行測量之前，獲得有關設備表面積與患者皮膚之間接觸質(zhì)量的信息通常是有益的。最終用途的范圍可能包括需要齊平放在皮膚上的醫(yī)用探頭、生物電勢電極傳感器或?qū)Ч芄潭ǖ轿坏耐鈿?。為了獲得這些額外的信息，可以在制造過程中的注塑階段將幾個電容式傳感器電極（以藍色顯示）直接嵌入設備的塑料外殼中。一旦電極信息可用，就可以應用在主控制器上運行的簡單算法來確定所有傳感器電極是否與皮膚正確接觸。

圖6.使用電容式傳感器電極的設備。

圖6所示的示例以非常規(guī)方式使用電容式傳感器：用戶將包含電容式傳感電極的設備放置在人體上，與傳統(tǒng)的電容式傳感人機界面應用相反，在傳統(tǒng)的電容式傳感人機界面應用中，人通常通過手指觸摸開始與傳感器電極接觸。使用AD7147/AD7148開發(fā)圖6所示的應用類型相當簡單。

汗液檢測

在一些醫(yī)療和健身測試設備中，需要測量人體的汗液。這通常通過測量皮膚的電導率來完成。但是，如果需要在沒有電接觸的情況下進行測量，則可以通過使用電容傳感器檢測人體附近的濕度來實現(xiàn)此功能。

當人們出汗時，靠近人體皮膚的濕度（介電常數(shù)）增加;該附近的非接觸式電極可用于測量由此產(chǎn)生的電容變化。

添加第二個電容傳感器來測量環(huán)境濕度并將其用于共模補償可能很有用。

呼吸頻率測量

呼吸頻率測量是患者監(jiān)護系統(tǒng)中的一個重要模塊。

在一種方法中，如圖7所示，將激發(fā)板放在患者的背部，而傳感器電極帶固定在患者胸部的右側(cè)。當肺部充滿和排空時，由此產(chǎn)生的胸部運動會改變兩個板之間的距離。介電常數(shù)也會因為呼吸過程中復雜的生理活動而發(fā)生變化。這些電容變化可以通過CDC設備測量。

圖7.呼吸頻率測量。

傳感器電極放置在受試者胸部右側(cè)的原因是，這個位置受到其他生理活動的影響最小。然而，通過將多個傳感器電極放在患者胸部的不同位置，可以獲得有關身體機能的更多信息。這可能是一個值得進一步研究的有趣話題。

血壓測量

在使用充氣袖帶的血壓測量應用中，一項重要任務是測量空氣閥處的壓力。電容式傳感器可以很容易地用于這種壓力傳感應用。

如圖8所示，壓力傳感器的隔膜基本上由兩個電容板制成。當壓力施加到傳感器時，電容板會靠得更近。板之間的距離減小增加了電容。

溫度傳感器可用于檢測傳感器的溫度變化，以補償其特性隨溫度的變化。AD774x系列內(nèi)置一個用于測量片內(nèi)溫度的溫度傳感器，以及一個額外的ADC電壓通道，可用于測量傳感器現(xiàn)場的溫度。

圖8.使用電容式傳感器進行壓力感應。

結論

本文簡要介紹了ADI公司CDC技術的進步，暗示了CDC技術在醫(yī)療保健應用中的巨大潛力。然而，傳感器設計（包括圖案、尺寸和位置）、相關的詳細電子電路設計，以及對深入研究、綜合實驗和有效測試的需求，都嚴重依賴于每個應用的性質(zhì)，因此我們只是希望通過提出一些可能性來激發(fā)創(chuàng)造力。

審核編輯：郭婷