低成本、大规模传感应用中不可忽视传感器精度

yyyy138 · 发表于 2016-11-9 23:08:28

多家研究机构预测，便携式医疗设备市场规模将在未来几年内达到约200亿美元。其中，家用护理医疗设备的市场规模有望在2022年达到近260亿美元。这些市场需求的增长主要源于

、个人制氧机和固定设备的驱动。

除了家用保健，在飞机、直升机以及其他空间受限场合运送病人时，也需要尺寸更小的医疗设备。设备越小，制造成本就越低；功能越强，成本则越高。高级基本压力传感器如果具有适当的精度水平，则为以上挑战提供了潜在的解决方案。例如，在卫生保健市场中，越来越多的科技设计正在力求不干扰人们的生活，对小型化设备的需求也因此日渐提高。在制氧机、CPAP呼吸机等设备上都体现出了这种趋势。此外，对于需要在狭小空间中进行的医疗过程来说（有时候是在偏远地区），空间是最宝贵的。这就意味着传统上体积庞大的设备（比如呼吸机）也需要变得更小。

表面上看来，相较于传感精度，市场对更小更多功能的传感器需求更大。然而在既定成本的情况下，传感精度仍然应该是厂商着重考虑的因素。只考虑多功能而牺牲精度，会带来不良的后果。

小体积、多功能的传感器需求更高

如今，对低成本高级基本压力传感器的需求正在与日俱增地提交到垂直市场中的原始设备制造商手中。这意味着，对于需要在工业制造和卫生保健领域中设计和创造低成本、大规模组件的工程师来说，低成本的高级基本压力传感器已经成为一种非常有价值的产品。而影响这种需求的一个最主要因素就是移动性。

在卫生保健市场，人们越来越希望医疗保健可以在不干扰生活的前提下进行，因此对于更小的设备的需求越来越大。这在制氧机、CPAP呼吸机等设备的发展趋势上都有所体现。此外，对于需要在狭小空间中进行的医疗过程来说（有时候是在偏远地区），空间是最宝贵的稀缺资源。这就要求传统上体积庞大的设备（比如呼吸机）也要变得更小。

设备体积的减小要求内置部件的体积要更小，同时用户也期待设备的功能更强。以气压控制领域为例，用户要求设备尽可能小，但仍要能提供高度精确的读数。因此，随着这些设备体积的日趋缩小紧凑，对部件（例如传感器）自身的更佳功能性的需求也越来越高。

当然，这是一个两难的问题。因为更高的精度往往意味着更高的价格。而这对于低成本、大规模的应用来说并不现实。在更高成本的应用中，工程师可以更轻松地根据误差预算决定是否要对更高的精度进行投资。以呼吸机为例，其设计和制造成本大约为数万美元；在这种情况下，如果一个更贵（大约15美元）的传感器价格大约低于总成本的1%，那么这种投资就是完全合理的。但在设计血压监测应用时，其设计和制造成本只有40-120美元，那么多花15美元以达到1.5% FSS的总误差带就显得不太明智。

那么在合理预算水平下，如何才能以实用和经济的方式对低成本传感器的精度水平进行评估？要从这些类型的应用中创造价值，设计师不能纯粹将这些部件视为商品，而是要将其视为能够带来竞争优势的关键技术手段。

低成本应用中，精度仍然是重要考虑因素

为了实现高精度，传感器的价格就要相应提升。但这并不经济，也无法满足低成本、大规模应用的需求。工程师也不应该因为低价传感器不是最优方案就忽略其精度价值。这一点非常重要，因为设计工程师在维持预算提高产品规格时，已经更加重视低功耗、重复精度和可靠性等因素。而低功耗已经成为最吸引终端用户的常见卖点。无论是否是“低成本”，精度都已成为一个差异化优势。

以制氧机为例，机器中的低压和超低压硅传感器可以检测病人何时开始吸气，从而有效且高效地实现供氧，在病人未吸气时最大程度减少氧气的浪费。这样不仅可以使制氧机变得更小，而且可以使运行更高效。并且，更小的设备尺寸还意味着更低的功耗以及更高的便携性。

低成本应用中不可忽视精度重要性的另一关键在于，这对保留易于安装部件是非常有益处的。精度较低的传感技术可能会完全抵消使用即插即用技术所实现的优势，比如，即插即用技术对于放宽对系统中其他部分的规格要求的优势。但是，这种优势对于致力于满足设计要求的工程师来说具有很大的价值。举例来说，如果工程师能够在制氧机内部更精确地测量压力，那可能就不需要更加关注在系统中其他地方的细节，或者额外弥补。低成本“即插即用”器件的市场需求正在不断增加，这从某种程度上解释了为什么带放大补偿功能的传感器比无补偿传感器更受欢迎。带放大补偿功能的传感器通常可以直接使用，无需任何额外的改动，并且具有很高的互换性、校准和温度补偿功能。假如没有使用带mV输入ADC（模数转换器）的ASIC（专用集成电路）的话，带补偿功能的非放大型传感器可能需要使用放大电路。相比之下，无补偿功能的传感器只能提供原始传感器输出，在许多应用中都需要进行某种形式的补偿。

如果使用即插即用的解决方案（比如带有完整放大和补偿功能的传感器），就不需要任何额外的电路和设计时间去开发，因此工程师可以提供更高的价值。但是，如果提供的数据不精确，即插即用的解决方案带来的一切优点就都没意义；简便安装所带来的节省可能都会被低端的性能所抵消。一个不带补偿功能的传感器（总误差带TEB大于30% FSS）大约为9美元，带补偿功能的传感器（总误差带TEB约为10% FSS）成本是10美元，而全放大型即插即用传感器（总误差带TEB约为1.5% FSS）需要13美元。由此可见，只有在元件成本（还不包括设计和校准所花费的时间）低于4美元时，才有必要利用额外的电路对这些便宜传感器的精度进行改进。通过上述分析，许多工程师都可以认识到，即插即用器件实际上性价比最高。

实际应用案例：制氧机

近几十年来，便携式制氧机的尺寸日渐缩小，以更便于在飞机运输中的应用。而正是尺寸更小的传感解决方案（如带放大功能的基本压力传感器）使得设备制造商（OEM）能够进一步缩小这些设备的尺寸；精度高的传感器使便携设备能够提供与医院里“体积大、技术先进”的系统相同的护理质量和舒适度。

从制氧机的基本功能考虑，它需要降低空气中的氮气含量，从而提高输送给病人的氧气浓度。带放大功能的基本压力传感器可以用于监测筛床内部的压力，从而达到病人所需要的氧气水平。除此之外，制氧机中的传感器还可以用于检测病人何时开始呼吸，从而更有效且高效地输送氧气。使用一个压力传感器对病人开始吸气的时刻进行监控，有助于最大程度减小病人不吸气期间氧气的浪费。通过这种方式，可以使制氧机体积更小，并且运行更高效。另外，更小的设备尺寸还意味着更低的功耗以及更高的便携性。以上这些因素将使设备制造商的产品优于使用低精度传感器的竞争产品。

其他实际应用

带放大功能的高级型基本压力传感器（比如霍尼韦尔的基本放大型ABP系列）主要用于非腐蚀性、非离子化气体（比如空气和其他干燥气体）。以下选项则可以将这些传感器的使用范围扩展到非腐蚀性液体：

干燥气体选项：输入端口仅限于非腐蚀性、非离子化介质（比如干燥空气、气体等），而且不受潮气冷凝。可使用的气体包括兼容高温聚酰胺、硅酮、氧化铝陶瓷、硅、金和玻璃等的介质。

液体介质选项：使用相同的构造材料，但是保护端口1和2都不受非腐蚀性液体的影响。通过硅酮基凝胶涂层保护端口1上的裸露的电子电路。鉴于端口P2本身就具有非腐蚀性液体保护功能，因此该选项是一种湿/湿传感器，两个端口都可以使用液体。兼容的介质包括冷凝液、水和盐水。

可以使用这些传感器进行设计的卫生保健应用包括：血液分析仪、血压监测、病床、按摩机、睡眠呼吸暂停设备、尿液分析仪、呼吸机/便携式呼吸机以及伤口治疗等。

结论

为了更加便于病人在家中获得舒适且优质的卫生保健服务，便携式医疗设备体积变小是大势所趋。而对于那些需要在艰苦环境中提供医疗服务的专业人员来说，这些设备也必须更加实用。但无论是专业医务人员还是病人，都不应仅追求小尺寸便携性而牺牲功能性。虽然这些尺寸更小、造价更低的设备使用低成本的传感器也能工作，但传感器的精度是不可忽视的。如果将传感器精度置于更高的优先级，将有助于设备制造商在未来不断增长的市场中差异化他们的产品价值，带来更大的效益。