后疫情時(shí)代，便攜醫(yī)療設(shè)備進(jìn)入尋常百姓家

國(guó)家“新十條”政策發(fā)布，疫情防控進(jìn)入新階段，每個(gè)人都要做自己健康的第一責(zé)任人。從自己做起，加倍關(guān)注個(gè)人和家庭防護(hù)，利用便攜式家用醫(yī)療設(shè)備或智能健康監(jiān)測(cè)設(shè)備隨時(shí)了解自己和家人的健康狀況，防患于未然。

例如市面上發(fā)布的部分家庭智能健康監(jiān)測(cè)儀概念產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)療級(jí)精度的體溫、心電、心率、血氧、心肺音、睡眠等健康體征數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，用戶可以對(duì)個(gè)人及家庭成員的健康數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合記錄和管理，做到對(duì)家人健康心中有數(shù)。個(gè)人和家庭健康已成為關(guān)注熱點(diǎn)，我們來(lái)看看應(yīng)用于便攜式家用醫(yī)療設(shè)備或智能健康監(jiān)測(cè)設(shè)備中都采用了哪些芯片產(chǎn)品解決方案。

圖1：納芯微產(chǎn)品解決方案應(yīng)用于家用呼吸機(jī)、家用制氧機(jī)、額溫槍、耳溫槍和可穿戴體溫監(jiān)測(cè)設(shè)備等

• 家用呼吸機(jī)
  2021年，國(guó)內(nèi)家用無(wú)創(chuàng)呼吸機(jī)市場(chǎng)規(guī)模為100萬(wàn)臺(tái)，隨著患者健康管理意識(shí)增強(qiáng)，未來(lái)10年內(nèi)有望出現(xiàn)20％～30％的快速增長(zhǎng)。另外，呼吸機(jī)具有工作時(shí)間長(zhǎng)、易損耗的使用特性，產(chǎn)品生命周期為5年左右，年更新率在20％左右。

2016年至2020年，全球30～69歲OSA（睡眠呼吸暫停低通氣綜合征）人數(shù)從9.8億人增長(zhǎng)至10.5億，中國(guó)從1.81億上升至1.95億。預(yù)計(jì)到2024年，全球患病人數(shù)將增加到11.5億人，中國(guó)將增加到2.12億人，按10%滲透率計(jì)算，市場(chǎng)容量在2000萬(wàn)臺(tái)左右。

另外，2019年全球COPD（慢性阻塞性肺疾?。┗疾∪藬?shù)達(dá)到4.6億左右，中國(guó)高達(dá)1.053億左右。

家用呼吸機(jī)的工作原理是利用氣體壓力差，呼吸機(jī)通氣時(shí)，機(jī)械驅(qū)動(dòng)使氣道口氣壓大于肺泡氣壓，氣體進(jìn)入肺部；在撤去體外機(jī)械驅(qū)動(dòng)壓后，胸廓及肺彈性回縮，肺泡氣壓大于氣道口氣壓，氣體從肺部排出。

圖2：家用呼吸機(jī)的工作原理和納芯微產(chǎn)品解決方案

納芯微為家用呼吸機(jī)提供以下產(chǎn)品：

• NSPDS5/9系列雙氣嘴差壓壓力傳感器：支持I2C/模擬輸出，待機(jī)電流＜10μA出廠精度可達(dá)±0.5% F.S.；壓力量程可選±125Pa～±250kPa。應(yīng)用包括：氣流和呼吸控制、濾膜清潔度監(jiān)測(cè)；風(fēng)扇壓力、氣流量控制。
• NSPGS5/GD1系列單氣嘴表壓壓力傳感器：支持I2C/模擬輸出，待機(jī)電流＜10μA，出廠精度可達(dá)±0.5% F.S.；壓力量程可選-10kPa～+10kPa。應(yīng)用包括：氣流和呼吸控制、濾膜清潔度監(jiān)測(cè)；風(fēng)扇壓力控制。
• NSPAS3M系列絕壓壓力傳感器：支持模擬輸出，芯片封裝內(nèi)部防水防潮處理，出廠精度可達(dá)±1.5% F.S.；壓力量程可選0kPa～+40kPa。應(yīng)用包括：大氣壓力檢測(cè)，壓力補(bǔ)償?shù)取?/li>
• NSPGS2系列單氣嘴表壓壓壓力傳感器：支持I2C/模擬輸出，出廠精度可達(dá)±1% F.S.；壓力量程可選-100kPa～+350kPa。應(yīng)用包括：壓縮空氣和氣體壓力檢測(cè)。
• NSHT3x系列小尺寸低功耗I2C接口高精度數(shù)字溫濕度傳感器：支持I2C/SMBus報(bào)警輸出，精度可達(dá)±0.3℃和±3%RH；超低功耗1.7μA@4Hz/0.2μA休眠電流。應(yīng)用包括：空氣和氣體混合物的溫濕度管理。
• NSM2012、NSM2016系列集成式霍爾效應(yīng)電流傳感器芯片，具有極低的原邊導(dǎo)通電阻，可在全溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精度高達(dá)2%的交流或直流電流測(cè)量。產(chǎn)品采用模擬電壓輸出，無(wú)需二次編程，簡(jiǎn)單易用；高達(dá)3000Vrms的

耐受隔離耐壓能力，滿足UL標(biāo)準(zhǔn)的高隔離等級(jí)，提高了設(shè)計(jì)的靈活性；高達(dá)400kHz的帶寬以及低至1.5μs的響應(yīng)時(shí)間，大大降低了短路等異常情況發(fā)生時(shí)發(fā)煙發(fā)火的風(fēng)險(xiǎn)；小巧的SOIC8封裝，降低了空間要求并提高了性價(jià)比，是醫(yī)療設(shè)備功率監(jiān)控的完美解決方案。

• 家用制氧機(jī)
  家用制氧機(jī)的工作原理是利用分子篩物理吸附和解吸技術(shù)，制氧機(jī)內(nèi)裝填分子篩，在加壓時(shí)可將空氣中的氮?dú)馕?，剩余的未被吸收的氧氣被收集起?lái)，經(jīng)過(guò)凈化處理后即成為高純度氧氣。

圖3：家用制氧機(jī)的工作原理和納芯微產(chǎn)品解決方案

納芯微的家用制氧機(jī)產(chǎn)品是NSPGS2系列壓力傳感器。它集成了放大、校準(zhǔn)、溫補(bǔ)功能，帶氣嘴SOP貼片封裝，易于使用；集成24位ADC、12位DAC，支持休眠工作模式，大幅減輕MCU負(fù)擔(dān)；精度高，性能好，-20～70℃全溫區(qū)綜合精度2.5%；MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）芯片背面進(jìn)氣，集成內(nèi)部溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償；支持二階溫度、三階非線性校準(zhǔn)，靈活度高，壓力量程/輸出形式可選20～350kPa（±均支持）；多種輸出形式：0～5V模擬電壓輸出（絕對(duì)）、0～5V模擬電壓輸出（比例）、I2C數(shù)字輸出。

• 額溫槍、耳溫槍
  非接觸式額溫計(jì)、耳溫槍的需求“高燒不退”。在巨大商業(yè)利益誘惑下，一些新進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)的企業(yè)草草研發(fā)后就開始生產(chǎn)和銷售，令產(chǎn)品良莠不齊，暴露了大量應(yīng)用問(wèn)題，測(cè)溫不準(zhǔn)確，更無(wú)法達(dá)到醫(yī)用級(jí)要求精度。

事實(shí)上，不管是哪類測(cè)溫設(shè)備，基于塞貝克效應(yīng)的紅外熱電測(cè)溫方式都是快速、直觀、非接觸檢測(cè)的首選，相比其他測(cè)溫方式更有優(yōu)勢(shì)。此類設(shè)備中都離不開基礎(chǔ)的紅外熱電探測(cè)器，也就是各種額溫槍、耳溫槍的核心測(cè)溫器件MEMS熱電堆紅外探測(cè)器。在測(cè)溫設(shè)備應(yīng)用中，熱電堆傳感器還要配合信號(hào)調(diào)理芯片才能發(fā)揮作用。

納芯微推出的NSA3300是一款針對(duì)熱電堆傳感器的信號(hào)調(diào)理芯片，主要用于連接熱電堆傳感器，并對(duì)傳感器的輸出電壓信號(hào)進(jìn)行放大和采樣。常見(jiàn)的數(shù)模轉(zhuǎn)換調(diào)理芯片往往都是前端傳感器輸出一個(gè)極小的信號(hào)，通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換模塊、放大模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。NSA3300是專為熱電堆設(shè)計(jì)的ADC轉(zhuǎn)換模塊，是具有環(huán)境溫度補(bǔ)償功能，可直接輸出測(cè)量溫度值的調(diào)理芯片，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)空白。

NSA3300內(nèi)部數(shù)字引擎可以按照客戶配置的LUT數(shù)據(jù)，自動(dòng)將熱電堆傳感器的電壓輸出計(jì)算為溫度量輸出，方便客戶通過(guò)I2C接口直接讀取溫度值。另外，NSA3300也可以配置成數(shù)字開關(guān)量輸出方式，用作溫度開關(guān)。其內(nèi)部門限設(shè)定值可以讓客戶自行設(shè)置過(guò)溫或欠溫的比較閾值。

圖4：納芯微針對(duì)熱電堆傳感器的信號(hào)調(diào)理芯片NSA3300功能框圖

NSA3300的其他特性包括：內(nèi)部集成免標(biāo)定環(huán)境溫度傳感器，環(huán)境溫度可測(cè)范圍為-40～125℃，精度±0.2℃；支持多種工作模式：連續(xù)單通道傳感器及環(huán)境溫度組合輸出、連續(xù)雙通道傳感器及環(huán)境溫度組合輸出、連續(xù)雙通道傳感器輸出以及睡眠模式；兩路差分輸入通道支持兩個(gè)傳感器接入，每通道ODR可達(dá)到近800Hz；同時(shí)支持I2C、PWM、中斷輸出等多種輸出模式，睡眠工作模式典型功耗低至5μA。

• 可穿戴體溫監(jiān)測(cè)設(shè)備
  體溫測(cè)量成為了健康監(jiān)測(cè)管理和多維預(yù)防的重要手段之一。人們希望通過(guò)具有體溫測(cè)量功能的可穿戴設(shè)備隨時(shí)隨地了解自身健康狀況，實(shí)現(xiàn)自我防護(hù)。不過(guò)，可穿戴類設(shè)備測(cè)溫應(yīng)用經(jīng)常會(huì)遇到空間非常有限，需要高精度、超低功耗、響應(yīng)速度和使用方便等挑戰(zhàn)，對(duì)測(cè)溫傳感器提出了更高的要求。

圖5：納芯微溫度傳感器產(chǎn)品可應(yīng)用于可穿戴體溫監(jiān)測(cè)設(shè)備

納芯微的接觸式體溫測(cè)量方案NST112x采用高精度數(shù)字溫度傳感器，具有溫度響應(yīng)速度快、測(cè)溫時(shí)間短、低功耗、高精度、自發(fā)熱小等特點(diǎn)，特別適合手表、手環(huán)類以及藍(lán)牙體溫貼等產(chǎn)品使用。

圖6：納芯微高精度數(shù)字溫度傳感器NST112x功能框圖

NST112x兼容I2C和SMBus接口，具有可編程警報(bào)和SMBus置功能，在單路總線上最多可支持4個(gè)器件。在精度方面，無(wú)需校準(zhǔn)即可在-20℃至125℃范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高達(dá)±0.5℃的精度。由于是高線性度溫度傳感器，NST112x無(wú)需重新組合計(jì)算或查表就可以導(dǎo)出溫度。其14位模數(shù)轉(zhuǎn)換可提供高達(dá)0.015625℃的分辨率。

以下是NST112x系列的特點(diǎn)：

• 采樣速率4Hz，平均功耗典型值僅為5.7μA
• DSBGA-4（0.75mm×0.75mm）封裝，實(shí)現(xiàn)體溫范圍內(nèi)高達(dá)±0.2℃的輸出精度
• 采用SMT工藝，裝配精度容差性強(qiáng)，適用于大規(guī)模量產(chǎn)
• 溫度達(dá)到63%的響應(yīng)時(shí)間為0.1s，配合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到體溫（99%）的時(shí)間為12.73s

NST112x工作溫度范圍為-40℃至125℃，適用于通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類產(chǎn)品、環(huán)境、工業(yè)和儀表，特別是電池供電的物聯(lián)網(wǎng)測(cè)溫應(yīng)用。未來(lái)，體溫傳感器有可能成為多種便攜式設(shè)備的標(biāo)配，為人們的日常生活帶來(lái)更多的便利。

掌握科學(xué)的防疫知識(shí)，除了提高自我防護(hù)，關(guān)注家人健康意識(shí)之外，搭載各種傳感器和信號(hào)調(diào)理芯片的智能健康設(shè)備可以為人們的健康保駕護(hù)航。