低成本、大規(guī)模傳感應(yīng)用中不可忽視傳感器精度

 多家研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，便攜式醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模將在未來(lái)幾年內(nèi)達(dá)到約200億美元。其中，家用護(hù)理醫(yī)療設(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模有望在2022年達(dá)到近260億美元。這些市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)主要源于移動(dòng)健康監(jiān)測(cè)設(shè)備、個(gè)人制氧機(jī)和固定設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。

除了家用保健，在飛機(jī)、直升機(jī)以及其他空間受限場(chǎng)合運(yùn)送病人時(shí)，也需要尺寸更小的醫(yī)療設(shè)備。設(shè)備越小，制造成本就越低；功能越強(qiáng)，成本則越高。高級(jí)基本壓力傳感器如果具有適當(dāng)?shù)木�度水平，則為以上挑戰(zhàn)提供了潛在的解決方案。例如，在衛(wèi)生保健市場(chǎng)中，越來(lái)越多的科技設(shè)計(jì)正在力求不干擾人們的生活，對(duì)小型化設(shè)備的需求也因此日漸提高。在制氧機(jī)、CPAP呼吸機(jī)等設(shè)備上都體現(xiàn)出了這種趨勢(shì)。此外，對(duì)于需要在狹小空間中進(jìn)行的醫(yī)療過(guò)程來(lái)說(shuō)（有時(shí)候是在偏遠(yuǎn)地區(qū)），空間是較寶貴的。這就意味著傳統(tǒng)上體積龐大的設(shè)備（比如呼吸機(jī)）也需要變得更小。

表面上看來(lái)，相較于傳感精度，市場(chǎng)對(duì)更小更多功能的傳感器需求更大。然而在既定成本的情況下，傳感精度仍然應(yīng)該是廠商著重考慮的因素。只考慮多功能而犧牲精度，會(huì)帶來(lái)不良的后果。

小體積、多功能的傳感器需求更高

如今，對(duì)低成本高級(jí)基本壓力傳感器的需求正在與日俱增地提交到垂直市場(chǎng)中的原始設(shè)備制造商手中。這意味著，對(duì)于需要在工業(yè)制造和衛(wèi)生保健領(lǐng)域中設(shè)計(jì)和創(chuàng)造低成本、大規(guī)模組件的工程師來(lái)說(shuō)，低成本的高級(jí)基本壓力傳感器已經(jīng)成為一種非常有價(jià)值的產(chǎn)品。而影響這種需求的一個(gè)較主要因素就是移動(dòng)性。

在衛(wèi)生保健市場(chǎng)，人們?cè)絹?lái)越希望醫(yī)療保健可以在不干擾生活的前提下進(jìn)行，因此對(duì)于更小的設(shè)備的需求越來(lái)越大。這在制氧機(jī)、CPAP呼吸機(jī)等設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)上都有所體現(xiàn)。此外，對(duì)于需要在狹小空間中進(jìn)行的醫(yī)療過(guò)程來(lái)說(shuō)（有時(shí)候是在偏遠(yuǎn)地區(qū)），空間是較寶貴的稀缺資源。這就要求傳統(tǒng)上體積龐大的設(shè)備（比如呼吸機(jī)）也要變得更小。

設(shè)備體積的減小要求內(nèi)置部件的體積要更小，同時(shí)用戶(hù)也期待設(shè)備的功能更強(qiáng)。以氣壓控制領(lǐng)域?yàn)槔�，用�?hù)要求設(shè)備盡可能小，但仍要能提供高度精確的讀數(shù)。因此，隨著這些設(shè)備體積的日趨縮小緊湊，對(duì)部件（例如傳感器）自身的更佳功能性的需求也越來(lái)越高。

當(dāng)然，這是一個(gè)兩難的問(wèn)題。因?yàn)楦�高的精度往往意味著更高的價(jià)格。而這對(duì)于低成本、大規(guī)模的應(yīng)用來(lái)說(shuō)并不現(xiàn)實(shí)。在更高成本的應(yīng)用中，工程師可以更輕松地根據(jù)誤差預(yù)算決定是否要對(duì)更高的精度進(jìn)行投資。以呼吸機(jī)為例，其設(shè)計(jì)和制造成本大約為數(shù)萬(wàn)美元；在這種情況下，如果一個(gè)更貴（大約15美元）的傳感器價(jià)格大約低于總成本的1%，那么這種投資就是完全合理的。但在設(shè)計(jì)血壓監(jiān)測(cè)應(yīng)用時(shí)，其設(shè)計(jì)和制造成本只有40-120美元，那么多花15美元以達(dá)到1.5% FSS的總誤差帶就顯得不太明智。

那么在合理預(yù)算水平下，如何才能以實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的方式對(duì)低成本傳感器的精度水平進(jìn)行評(píng)估？要從這些類(lèi)型的應(yīng)用中創(chuàng)造價(jià)值，設(shè)計(jì)師不能純粹將這些部件視為商品，而是要將其視為能夠帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵技術(shù)手段。

低成本應(yīng)用中，精度仍然是重要考慮因素

為了實(shí)現(xiàn)高精度，傳感器的價(jià)格就要相應(yīng)提升。但這并不經(jīng)濟(jì)，也無(wú)法滿(mǎn)足低成本、大規(guī)模應(yīng)用的需求。工程師也不應(yīng)該因?yàn)榈蛢r(jià)傳感器不是較優(yōu)方案就忽略其精度價(jià)值。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)樵O(shè)計(jì)工程師在維持預(yù)算提高產(chǎn)品規(guī)格時(shí)，已經(jīng)更加重視低功耗、重復(fù)精度和可靠性等因素。而低功耗已經(jīng)成為較吸引終端用戶(hù)的常見(jiàn)賣(mài)點(diǎn)。無(wú)論是否是“低成本”，精度都已成為一個(gè)差異化優(yōu)勢(shì)。

以制氧機(jī)為例，機(jī)器中的低壓和超低壓硅傳感器可以檢測(cè)病人何時(shí)開(kāi)始吸氣，從而有效且高效地實(shí)現(xiàn)供氧，在病人未吸氣時(shí)較大程度減少氧氣的浪費(fèi)。這樣不僅可以使制氧機(jī)變得更小，而且可以使運(yùn)行更高效。并且，更小的設(shè)備尺寸還意味著更低的功耗以及更高的便攜性。

低成本應(yīng)用中不可忽視精度重要性的另一關(guān)鍵在于，這對(duì)保留易于安裝部件是非常有益處的。精度較低的傳感技術(shù)可能會(huì)完全抵消使用即插即用技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，比如，即插即用技術(shù)對(duì)于放寬對(duì)系統(tǒng)中其他部分的規(guī)格要求的優(yōu)勢(shì)。但是，這種優(yōu)勢(shì)對(duì)于致力于滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的工程師來(lái)說(shuō)具有很大的價(jià)值。舉例來(lái)說(shuō)，如果工程師能夠在制氧機(jī)內(nèi)部更精確地測(cè)量壓力，那可能就不需要更加關(guān)注在系統(tǒng)中其他地方的細(xì)節(jié)，或者額外彌補(bǔ)。低成本“即插即用”器件的市場(chǎng)需求正在不斷增加，這從某種程度上解釋了為什么帶放大補(bǔ)償功能的傳感器比無(wú)補(bǔ)償傳感器更受歡迎。帶放大補(bǔ)償功能的傳感器通�？梢灾苯邮褂茫瑹o(wú)需任何額外的改動(dòng)，并且具有很高的互換性、校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償功能。假如沒(méi)有使用帶mV輸入ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）的ASIC（專(zhuān)用集成電路）的話(huà)，帶補(bǔ)償功能的非放大型傳感器可能需要使用放大電路。相比之下，無(wú)補(bǔ)償功能的傳感器只能提供原始傳感器輸出，在許多應(yīng)用中都需要進(jìn)行某種形式的補(bǔ)償。

如果使用即插即用的解決方案（比如帶有完整放大和補(bǔ)償功能的傳感器），就不需要任何額外的電路和設(shè)計(jì)時(shí)間去開(kāi)發(fā)，因此工程師可以提供更高的價(jià)值。但是，如果提供的數(shù)據(jù)不精確，即插即用的解決方案帶來(lái)的一切優(yōu)點(diǎn)就都沒(méi)意義；簡(jiǎn)便安裝所帶來(lái)的節(jié)省可能都會(huì)被低端的性能所抵消。一個(gè)不帶補(bǔ)償功能的傳感器（總誤差帶TEB大于30% FSS）大約為9美元，帶補(bǔ)償功能的傳感器（總誤差帶TEB約為10% FSS）成本是10美元，而全放大型即插即用傳感器（總誤差帶TEB約為1.5% FSS）需要13美元。由此可見(jiàn)，只有在元件成本（還不包括設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)所花費(fèi)的時(shí)間）低于4美元時(shí)，才有必要利用額外的電路對(duì)這些便宜傳感器的精度進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)上述分析，許多工程師都可以認(rèn)識(shí)到，即插即用器件實(shí)際上性?xún)r(jià)比較高。

實(shí)際應(yīng)用案例：制氧機(jī)

近幾十年來(lái)，便攜式制氧機(jī)的尺寸日漸縮小，以更便于在飛機(jī)運(yùn)輸中的應(yīng)用。而正是尺寸更小的傳感解決方案（如帶放大功能的基本壓力傳感器）使得設(shè)備制造商（OEM）能夠進(jìn)一步縮小這些設(shè)備的尺寸；精度高的傳感器使便攜設(shè)備能夠提供與醫(yī)院里“體積大、技術(shù)先進(jìn)”的系統(tǒng)相同的護(hù)理質(zhì)量和舒適度。

從制氧機(jī)的基本功能考慮，它需要降低空氣中的氮?dú)夂�量，從而提高輸送給病人的氧氣濃度。帶放大功能的基本壓力傳感器可以用于監(jiān)測(cè)篩床內(nèi)部的壓力，從而達(dá)到病人所需要的氧氣水平。除此之外，制氧機(jī)中的傳感器還可以用于檢測(cè)病人何時(shí)開(kāi)始呼吸，從而更有效且高效地輸送氧氣。使用一個(gè)壓力傳感器對(duì)病人開(kāi)始吸氣的時(shí)刻進(jìn)行監(jiān)控，有助于較大程度減小病人不吸氣期間氧氣的浪費(fèi)。通過(guò)這種方式，可以使制氧機(jī)體積更小，并且運(yùn)行更高效。另外，更小的設(shè)備尺寸還意味著更低的功耗以及更高的便攜性。以上這些因素將使設(shè)備制造商的產(chǎn)品優(yōu)于使用低精度傳感器的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。

其他實(shí)際應(yīng)用

帶放大功能的高級(jí)型基本壓力傳感器（比如霍尼韋爾的基本放大型ABP系列）主要用于非腐蝕性、非離子化氣體（比如空氣和其他干燥氣體）。以下選項(xiàng)則可以將這些傳感器的使用范圍擴(kuò)展到非腐蝕性液體：

l  干燥氣體選項(xiàng)：輸入端口僅限于非腐蝕性、非離子化介質(zhì)（比如干燥空氣、氣體等），而且不受潮氣冷凝。可使用的氣體包括兼容高溫聚酰胺、硅酮、氧化鋁陶瓷、硅、金和玻璃等的介質(zhì)。

l  液體介質(zhì)選項(xiàng)：使用相同的構(gòu)造材料，但是保護(hù)端口1和2都不受非腐蝕性液體的影響。通過(guò)硅酮基凝膠涂層保護(hù)端口1上的裸露的電子電路。鑒于端口P2本身就具有非腐蝕性液體保護(hù)功能，因此該選項(xiàng)是一種濕/濕傳感器，兩個(gè)端口都可以使用液體。兼容的介質(zhì)包括冷凝液、水和鹽水。

可以使用這些傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)的衛(wèi)生保健應(yīng)用包括：血液分析儀、血壓監(jiān)測(cè)、病床、按摩機(jī)、睡眠呼吸暫停設(shè)備、尿液分析儀、呼吸機(jī)/便攜式呼吸機(jī)以及傷口治療等。

結(jié)論

為了更加便于病人在家中獲得舒適且優(yōu)質(zhì)的衛(wèi)生保健服務(wù)，便攜式醫(yī)療設(shè)備體積變小是大勢(shì)所趨。而對(duì)于那些需要在艱苦環(huán)境中提供醫(yī)療服務(wù)的專(zhuān)業(yè)人員來(lái)說(shuō)，這些設(shè)備也必須更加實(shí)用。但無(wú)論是專(zhuān)業(yè)醫(yī)務(wù)人員還是病人，都不應(yīng)僅追求小尺寸便攜性而犧牲功能性。雖然這些尺寸更小、造價(jià)更低的設(shè)備使用低成本的傳感器也能工作，但傳感器的精度是不可忽視的。如果將傳感器精度置于更高的優(yōu)先級(jí)，將有助于設(shè)備制造商在未來(lái)不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)中差異化他們的產(chǎn)品價(jià)值，帶來(lái)更大的效益。

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