[發明專利]電壓調零壓力傳感器前置放大器

在審

• 申請號: 202010466333.9
• 申請日: 2020-05-28
• 公開（公告）號: CN112014004A
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發明（設計）人: C.A.凱勒
• 申請（專利權）人: 硅微結構股份有限公司
• 主分類號: G01L1/18
• 分類號: G01L1/18;G01L1/22;G01K7/16
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 邸萬奎

壓力傳感器(B1、B2、R19、R20)可以在流過設備(210、220、230)的最大電流被限制到10μA或以下、或者在單故障條件下被限制到低于50μA的情況下可靠運行。這可以提供至少最終醫療設備設計者考慮來自對患者的過大電流的潛在風險的降低的需求，簡化了醫療設備的設計和可制造性。附加的好處是，如果信噪比問題得到解決，則傳感器(B1、B2、R19、R20)在較低電流下通常更精確，因為電阻器(B1、B2)的自加熱和寄生漏電減少了。

技術領域

本申請涉及電壓調零壓力傳感器前置放大器。

背景技術

自20世紀80年代它們的引入以來，醫療過程期間在體內使用的壓力傳感器的作用急劇增加，而且沒有盡頭。這種需求部分源于其中外科醫生不能直接看到治療部位、而是依靠傳感器反饋來引導他們的手的微創手術的興起，并且也源于越來越多的過程中經導管和內窺鏡治療的發展。這些傳感器的成功在于能夠校準它們以獲得精確的壓力讀數，并以對患者和醫務人員兩者安全的方式操作它們。最后，這些設備應該適合大批量生產。這些要求可能會產生沖突，因為沒有被設計以適應所有這些要求的設備和過程。

更具體地說，在需求上日益增長的傳感器是固態電子壓阻壓力傳感器，它基于半導體(或金屬應變儀)中表現出的壓阻效應。壓阻效應是施加機械應變時半導體電阻率的變化。對膜的壓力的變化改變了膜的形狀和機械應變，并且這種變化轉而在膜上生成一個或多個電阻器的可檢測的電阻變化。典型地，通過使電流通過電阻器并檢測電壓變化或者通過跨電阻器施加電壓并檢測電流變化來檢測電阻的變化。然而，安全規定限制了患者可以接觸的電流量。除其他問題外，超過這些值的電流有誘發心律失常的風險。例如，美國醫療儀器發展協會制定的美國國家標準協會規范，ANSI/AAMI ES60601-1：2005(r2012)。在本標準中，表3描述了被認為對患者安全的電流限值。該標準在正常運行期間將患者輔助電流限制到10μA以下，在單故障運行期間將患者輔助電流限制到50μA以下。在典型的商用固態壓力傳感器中，基于信噪比考慮和自加熱限制，該電流遠遠低于最佳電流。這給最終醫療設備的設計者帶來了控制所謂“風險電流”的負擔，他們必須小心地屏蔽傳感器和電纜，防止與患者進行任何直接的接觸。

要解決的問題是提供傳感器，該傳感器能夠在流過設備的最大電流被限制到10μA或以下、或者在單故障條件下被限制到50μA以下的情況下可靠地工作。

發明內容

通過提供傳感器來解決這種問題，該傳感器可以在流過設備的最大電流被限制到10μA或以下、或者在單故障條件下被限制到50μA以下的情況下可靠地工作。因此，至少降低了最終醫療設備設計者考慮來自對患者的過大電流的潛在風險的需求，簡化了醫療設備的設計和可制造性。附加的好處是，如果信噪比問題得到解決，則傳感器在較低的電流下通常更精確，因為電阻器的自加熱和寄生漏電(leakage)減少了。

圖1A示出了可以通過本發明的實施例改進的壓力傳感器。這種類型的壓力傳感器的電阻隨著環境壓力的變化而變化。這些傳感器通常用于惠斯通電橋(Wheatstonebridge)配置。這種結構的示例在圖1B中示出，其中元件B1具有與壓力成負相關的電阻系數，并且其中元件B2具有與壓力成正相關的電阻系數。在一種典型的惠斯通電橋配置中，電流從節點A通過電橋到達節點D(這是激勵電流)，并且跨節點B和節點C讀取壓力相關(dependent)電壓。

除了對壓力敏感之外，壓力敏感元件B1和B2的電阻通常也對溫度敏感。在圖1A和圖1B所示的配置中，溫度變化導致元件B1和B2的電阻的共模變化，同時傳感器周圍的環境壓力的變化導致兩個元件在相反的方向上變化，在節點B和節點C之間生成差分電壓。通常的實踐是測量壓力敏感元件的電阻的共模和差模變化。這允許在適當的校準之后，確定壓力敏感元件的壓力和溫度。具體而言，執行兩種測量都允許校準壓力信號以補償溫度相關的效應，提高任何溫度下的壓力測量精度。