综述：用于医疗保健的可穿戴MEMS压力传感器研究进展
2024-07-13 08:00:19 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文探讨了多种应用于生物医学的可穿戴MEMS压力传感器及其商业化进展，评述了模拟前端电路在增益、噪声、功率和面积等方面的设计见解，并分析了MEMS压力传感器与相关接口电子器件在系统级集成方面的挑战以及器件设计层面的优化改进策略。
可穿戴技术通过各种物理、化学和生物传感器，以非侵入式或微创方式实时（最好可持续）采集生理数据，为临床诊断提供有力支持。微机电系统（MEMS）压力传感器因其小尺寸、高灵敏度和高准确性，在医疗保健应用中占据主导地位，尤其是在关键生理指标监测方面。其中，电容式和压阻式MEMS压力传感器由于具有高线性度、低功耗和小热系数等优势，更是脱颖而出。
据麦姆斯咨询报道，近期，印度韦洛尔科技大学（VIT）的研究团队在IET Wireless Sensor Systems期刊上发表了一篇题为“Wearable micro-electro-mechanical systems pressure sensors in health care: Advancements and trends—A review”的综述文章，探讨了多种应用于生物医学的可穿戴MEMS压力传感器及其商业化进展，评述了模拟前端电路在增益、噪声、功率和面积等方面的设计见解，并分析了MEMS压力传感器与相关接口电子器件在系统级集成方面的挑战以及器件设计层面的优化改进策略。
可穿戴MEMS压力传感器的研究进展
随着可穿戴MEMS技术的不断发展，研究人员们开展了大量的研究工作，例如，通过优化材料选择、器件尺寸和几何形状等，持续提升MEMS压力传感器的各项性能指标。近期，研究人员们开发了多种独特的MEMS压力传感器，用于测量血压、呼吸频率、心率等各种人体生理参数。以血压为例，作为影响急性和长期临床决策的关键生命体征，血压监测在医疗护理中至关重要，其监测方法通常包括听诊法、示波法、眼压计法和无袖带法。
图1 用于连续血压监测的MEMS三轴压力传感器
图2 用于脉搏波和呼吸频率监测的悬臂梁基MEMS压力传感器
图3 用于多种生物参数监测的椭圆结构MEMS电容式压力传感器
图4 用于步态分析的折纸结构MEMS电容式压力传感器
图5 用于连续血压监测的MEMS电容式压力传感器
图6 用于生物医学的晶圆级自封装MEMS电容式压力传感器
可穿戴MEMS压力传感器的商业化进展
目前，很多MEMS压力传感器的研究成果已被开发为临床试验原型。其中，部分临床效果良好的原型已被领先的MEMS制造商成功商业化，应用于医疗保健领域。
通用独立式MEMS压力传感器设备/系统在市场上随处可见，主要针对消费、工业和医疗保健应用。目前大多数主流设备在设计上都采用了压阻式或电容式传感技术。
图7 博世BMP384压力传感器
图8 基于中医脉搏读取技术的可穿戴MEMS压力传感器阵列
图9 英飞凌DPS368气压传感器
图10 基于多晶片MEMS压力传感器的血压计（欧姆龙）
图11 基于MEMS压力传感器的AIDMED One记录仪
由于技术和社会挑战，目前市场上大多数可穿戴MEMS压力传感器尚未在医疗中心和普通大众中广泛使用。当前亟需解决的技术难题包括：传感器操作感应范围及其相关转导参数范围、身体移动时的精度偏差、设备笨重不适宜长期佩戴以及测量延迟/不可靠等问题。
模拟前端电路
在微型传感器系统中，信号调理模块（即接口电子器件）的设计至关重要，因为它决定了系统的整体性能。该模块负责接收微型传感器采集的微弱且可能带有噪声的模拟信号，并将其转换为与后续处理/监测或控制模块兼容的信号。这种读出电路被视为可穿戴MEMS传感系统的智能核心，类似于人脑处理来自感觉器官的生物信号。
实现高性能多级信号调节模块的关键在于选择和设计具有良好稳定性、线性度和低功耗的高增益放大器。近期，循环折叠共源共栅（RFC）设计被广泛用作为MEMS传感器读出电路的增益放大器。其主要优势在于，即使在单个差分级下，循环电流技术也能产生更好的增益效果。通过对单路径模式（SPM）、双路径模式（DPM）、原始RFC、（改进）I-RFC和四分路（QS）-RFC进行性能对比，结果发现，QS-RFC在功率耗散方面表现最佳，同时具有相对较高的直流增益。
图12 循环折叠共源共栅（RFC）放大器
图13 各类RFC放大器的性能对比
可穿戴技术的未来挑战
当前，各种可穿戴设备，尤其是用于连续读取/处理重要人体生理指标的设备，包括研究中和已商业化的产品，都面临着电源/电池寿命、数据同步/处理、信号完整性和可穿戴性等方面的挑战。解决策略主要包括：设计高增益、低功耗的读出电子器件，利用先进的CMOS技术和触摸显示技术提高电池性能并延长电池寿命；在可穿戴设备和远程服务之间进行高效数据通信，同时采用加密标准和降噪算法来保护数据安全性和准确性。
总而言之，要开发出性能良好的可穿戴MEMS压力传感器系统，必须从设计层面进行全面改进，包括提高传感器灵敏度和线性度、CMOS电子器件的增益和功率范围、加强设备数据安全性以及对恶劣环境的鲁棒性等，从而满足各种实际的人体健康监测应用需求。
论文信息：https://doi.org/10.1049/wss2.12084
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