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多轴传感器受追捧MEMS加速挺进医疗设计

发布时间:2020-07-21 17:26:43 阅读: 来源:旋塞阀厂家

多轴惯性传感器已日益受到医疗应用市场青睐。融合多轴感测功能的惯性MEMS元件,不论尺寸、功耗、精准度与可靠性均有优异表现,可符合医疗应用领域的严苛要求,如手术导航工具等精密医疗仪器,皆已开始大量导入。

导航与汽车、卡车、飞机、轮船及人相关。然而,它也开始在医疗技术领域发挥重要作用,精密手术仪器和机器人即须使用导航。手术导航工具的设计要求与传统的车辆导航具有广泛的共同点,但前者也提出一些独特的挑战,如在室内使用,无法获得全球卫星定位系统(GPS)支援,因而需要更高性能。

本文将研究医疗导航应用的独特挑战,并探讨从感测器机制到系统特性可能的解决方案,并介绍增强感测性能的方法,如采用卡尔曼滤波等。

多轴MEMS传感器转化医疗资讯

微机电系统(MEMS)已成为大多数人每天都会碰到的成熟技术,它使汽车更安全、增强手机可用性,并能优化工具及运动设备的性能,从而提高对病人的医疗护理水准。

用于线性运动检测的MEMS元件通常是基于一个微加工的多晶矽表面结构,该结构形成于矽晶圆之上,通过多晶矽弹簧悬挂在晶圆的表面上,提供对加速度力的阻力。在加速度下,MEMS轴的偏转由一个差分电容测量,该差分电容由独立固定板和活动品质连接板组成。如此一来,运动使差分电容失衡,导致感测器输出的幅度与加速度成正比。

例如汽车因碰撞而突然急剧减速时,安全气囊感测器中的MEMS轴会产生同样的运动,使得电容失衡,最终产生讯号触发安全气囊打开。此一基本加速度计结构,根据不同的应用性能参数进行调整,并增加资料处理功能后,可以精确地指示倾斜度、速度甚至位置。另有一种技术上相关的结构是陀螺仪,它能检测旋转速率,输出形式为度/秒。

透过一个耗电量极低的微型元件,以精确检测和测量运动的能力,几乎对任何涉及运动的应用都具价值,表1即按运动类型列出基本医疗应用。

尽管简单的运动检测有价值,如一个轴上的线性运动,但多数应用皆涉及到多个轴上的多种类型运动。捕捉这种多维运动状态不仅能带来新的好处,且能在轴外扰动可能影响单主轴运动测量的情况下,保持精度。

为精确测量物件所经历的运动,必须将多种类型(如线性和旋转)的感测器结合起来,如加速度计对地球的重力敏感,可用来确定倾角。换言之,让一个MEMS加速度计在一个±1g重力场中旋转时(±90度),它能够将该运动转换为角度表示。

然而,加速度计无法区分静态加速度(重力)与动态加速度。因此,加速度计可与陀螺仪结合,利用组合元件的附加资料处理能力,可分辨线性加速度与倾斜(即当陀螺仪的输出显示旋转与加速度计记录的明显倾斜重合时)。随着系统的动态程度(运动的轴数和运动自由度)增加,感测器融合过程会变得更加复杂。

了解环境对感测器精度的影响也很重要。显而易见的一个因素是温度,可对其进行校准。事实上,高精度感测器可以重新校准,并自身进行动态补偿。另一个不那么明显的考虑因素是潜在的振动,即使很轻微的振动也会使旋转速率感测器的精度发生偏移,这种效应称为线性加速度效应和振动校正,其影响可能很严重,具体取决于陀螺仪的品质。在此种情况下,感测器融合同样能够提高性能,即利用加速度计来检测线性加速度,然后利用此资讯和陀螺仪线性加速度灵敏度的校准资讯进行校正。

惯性感测器助阵医疗导航崭露头角

许多应用要求多自由度的运动检测,如六轴自由度惯性感测器能够同时检测x、y、z轴上的线性加速度和旋转运动(也称为滚动、俯仰和

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