CN112294279B - 集成有创血压传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种集成有创血压传感器，包括：薄膜压阻电桥，被配置为惠斯通平衡电桥，由互不相连的两个叉指薄膜压阻，以及互不相连的两个单长条薄膜压阻组成，当两个叉指薄膜压阻的阻值为稳态值时，薄膜压阻电桥输出的两个电压相等；集成芯片，被配置为处理所述薄膜压阻电桥输出的电压；液晶聚合物，包括第一封装区域和第二封装区域，所述第一封装区域承载两个所述叉指薄膜压阻，所述第二封装区域承载两个所述单长条薄膜压阻及所述集成芯片，其中：所述第一封装区域的底部为“U”形的压力作用腔，所述压力作用腔与液体接触，液体形成的压力通过压力作用腔传导到所述叉指薄膜压阻，以使所述叉指薄膜压阻的阻值变化。
Description
技术领域
本发明涉及血压传感器技术领域，特别涉及一种集成有创血压传感器。
背景技术
由于硅基压阻式压力传感技术与集成电路工艺相容且容易实现小型化，因此在有创血压传感器领域得到广泛应用。然而，此类传感器存在线性度差、测量范围小以及应用过程需要另外设计外部有线电路等不足，使得其在应用过程中受到限制。例如，不同硅工艺中的桥臂电阻阻值偏离标称值可达20％，导致电桥输出存在较大的零点失调，从而引起较大的线性误差。目前优化此类压力传感器性能的方法有多种，包括使用零压力失调补偿电阻技术解决线性度问题，利用激光修正薄膜电阻网络，以及外接电阻补偿等；在信号传输上则采用屏蔽线降低传输干扰等。但无论采用哪种工艺方法，都难以完全克服半导体硅工艺过程中的硅杯厚度不均匀、硅杯存在倒角以及硅膜的厚度公差较大等缺陷导致的问题。同时，使用上述工艺补偿办法和抗干扰措施，都需要涉及额外的多道工艺技术，最终导致有创血压传感器的产品良率下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成有创血压传感器，以解决现有的有创血压传感器电桥输出存在较大的零点失调从而引起线性误差的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种集成有创血压传感器，包括：
薄膜压阻电桥，被配置为惠斯通平衡电桥，由互不相连的两个叉指薄膜压阻，以及互不相连的两个单长条薄膜压阻组成，当两个叉指薄膜压阻的阻值为稳态值时，薄膜压阻电桥输出的两个电压相等；
集成芯片，被配置为处理所述薄膜压阻电桥输出的电压；
液晶聚合物，包括第一封装区域和第二封装区域，所述第一封装区域承载两个所述叉指薄膜压阻，所述第二封装区域承载两个所述单长条薄膜压阻及所述集成芯片，其中：
所述第一封装区域的底部为“U”形的压力作用腔，所述压力作用腔与液体接触，液体形成的压力通过压力作用腔传导到所述叉指薄膜压阻，以使所述叉指薄膜压阻的阻值变化。
可选的，在所述的集成有创血压传感器中，所述叉指薄膜压阻包括第一压阻组件及第二压阻组件，其中：
所述第一压阻组件及所述第二压阻组件均为梳状，且其中一个的梳齿插入另一个的齿间以形成交叉排列。
可选的，在所述的集成有创血压传感器中，所述叉指薄膜压阻及单长条薄膜压阻均包括叠加的钛薄膜层及二氧化钛薄膜，
所述钛薄膜层布置于所述液晶聚合物的基底和所述二氧化钛薄膜之间；
两个叉指薄膜压阻及两个单长条薄膜压阻的阻值均一致。
可选的，在所述的集成有创血压传感器中，还包括：
第一封装层，被配置为将所述第一封装区域密封形成第一空腔，两个叉指薄膜压阻容置于所述第一空腔内；
第二封装层，被配置为将所述第二封装区域密封形成第二空腔，两个单长条薄膜压阻及集成芯片容置于所述第二空腔内。
可选的，在所述的集成有创血压传感器中，所述第一空腔中充满绝缘液体，所述绝缘液体将所述第一空腔表面的压力传导至所述两个叉指薄膜压阻上。
可选的，在所述的集成有创血压传感器中，所述集成芯片通过CMOS工艺集成在所述液晶聚合物的基底上，包括：
差分运放电路，被配置为将所述薄膜压阻电桥产生的电压放大，形成模拟放大信号；
模数转换电路，被配置为将模拟放大信号进行滤波、采样保持及编码后转换为数字信号；
通信电路，被配置为将所述数字信号发送到接收设备；
校准数模转换电路，被配置为在所述压力作用腔未接收到液体的压力时，将差分运放电路输出的电压调整为零；
状态机，被配置为处理所述数字信号，并根据所述数字信号判断所述校准数模转换电路是否校准到位，并控制所述通信电路的信号发送。
可选的，在所述的集成有创血压传感器中，所述通信电路包括SPI接口、I2C接口、USB接口、UART接口、RS-485接口、CAN-bus接口和/或射频芯片。
可选的，在所述的集成有创血压传感器中，差分运放电路为斩波稳零型运算放大器。
可选的，在所述的集成有创血压传感器中，所述薄膜压阻电桥还包括MOS管构成的恒流源。
可选的，在所述的集成有创血压传感器中，在校准过程中，校准数模转换电路输出模拟电压，施加到两个叉指薄膜压阻和单长条薄膜压阻连接处中的任意一个，调节所述模拟电压以使薄膜压阻电桥输出的两个电压相等。
在本发明提供的集成有创血压传感器中，通过由互不相连的两个叉指薄膜压阻，以及互不相连的两个单长条薄膜压阻组成薄膜压阻电桥，第一封装区域承载两个所述叉指薄膜压阻，第二封装区域承载两个所述单长条薄膜压阻及所述集成芯片，所述第一封装区域的底部为“U”形的压力作用腔与液体接触，液体形成的压力通过压力作用腔传导到所述叉指薄膜压阻，以使所述叉指薄膜压阻的阻值变化，实现了采用叉指结构设计压力敏感电阻形成惠斯通电桥，更有利于在工艺制备过程中实现压力敏感电阻的匹配，最大程度上保证了在无外部外力作用时的薄膜压阻电桥零点平衡。
具体的，钛薄膜层直接镀在液晶聚合物上，可以有效的缓冲二氧化钛薄膜和液晶聚合物之间的应力，并增加二氧化钛薄膜和液晶聚合物之间的粘附性，使得整个压阻结构更加可靠。
所述第一空腔中充满绝缘液体(例如纯水)，所述绝缘液体将所述第一空腔表面的压力传导至所述两个叉指薄膜压阻上。和空气相比较，绝缘液体可以更灵敏测量第一空腔的内外压力差。第一空腔可以以360°全方向接收外力并通过绝缘液体传导到两个叉指薄膜压阻上，使检测更加灵敏。
由于第一空腔中充盈液体，可以使得第一空腔四周360°范围都可以传导压力，各个方向都可以受力、传导并检测，测压无死角，适合体内血压的测量。
附图说明
图1是本发明一实施例集成有创血压传感器电路示意图；
图2是本发明一实施例集成有创血压传感器结构正视示意图；
图3是本发明一实施例集成有创血压传感器结构俯视示意图；
图4是本发明一实施例集成有创血压传感器薄膜压阻电桥电路示意图；
图中所示：10-薄膜压阻电桥；11-叉指薄膜压阻；12-单长条薄膜压阻；20-差分运放电路；30-模数转换电路；40-通信电路；50-状态机；60-校准数模转换电路；71-液晶聚合物的基底；72-压力作用腔；73-第一封装层；74-第一空腔；75-第二封装层；76-第二空腔；100-集成芯片。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的集成有创血压传感器作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
本发明的核心思想在于提供一种集成有创血压传感器，以解决现有的有创血压传感器电桥输出存在较大的零点失调从而引起线性误差的问题。
为实现上述思想，本发明提供了一种集成有创血压传感器，如图2所示，包括：薄膜压阻电桥10，被配置为惠斯通平衡电桥，由互不相连的两个叉指薄膜压阻11，以及互不相连的两个单长条薄膜压阻12组成，当两个叉指薄膜压阻11的阻值为稳态值时，薄膜压阻电桥10输出的两个电压相等；集成芯片100，被配置为处理所述薄膜压阻电桥10输出的电压；液晶聚合物，包括第一封装区域和第二封装区域，所述第一封装区域承载两个所述叉指薄膜压阻11，所述第二封装区域承载两个所述单长条薄膜压阻12及所述集成芯片100，其中：所述第一封装区域的底部为“U”形的压力作用腔72，所述压力作用腔72与液体接触，液体形成的压力通过压力作用腔72传导到所述叉指薄膜压阻11，以使所述叉指薄膜压阻11的阻值变化。
如图3所示，在所述的集成有创血压传感器中，所述叉指薄膜压阻11包括第一压阻组件及第二压阻组件，其中：所述第一压阻组件及所述第二压阻组件均为梳状，且其中一个的梳齿插入另一个的齿间以形成交叉排列。所述叉指薄膜压阻11及单长条薄膜压阻12均包括叠加的钛薄膜层及二氧化钛薄膜，所述钛薄膜层布置于所述液晶聚合物的基底71和所述二氧化钛薄膜之间；两个叉指薄膜压阻11及两个单长条薄膜压阻12的阻值均一致。具体的，钛薄膜层直接镀在液晶聚合物上，可以有效的缓冲二氧化钛薄膜和液晶聚合物之间的应力，并增加二氧化钛薄膜和液晶聚合物之间的粘附性，使得整个压阻结构更加可靠。
如图2所示，在所述的集成有创血压传感器中，还包括：第一封装层73，被配置为将所述第一封装区域密封形成第一空腔74，两个叉指薄膜压阻11容置于所述第一空腔74内；第二封装层75，被配置为将所述第二封装区域密封形成第二空腔76，两个单长条薄膜压阻12及集成芯片100容置于所述第二空腔76内。所述第一空腔中充满绝缘液体，所述绝缘液体将所述第一空腔表面的压力传导至所述两个叉指薄膜压阻上。所述第一空腔中充满绝缘液体(例如纯水)，所述绝缘液体将所述第一空腔表面的压力传导至所述两个叉指薄膜压阻上。和空气相比较，绝缘液体可以更灵敏测量第一空腔的内外压力差。第一空腔可以以360°全方向接收外力并通过绝缘液体传导到两个叉指薄膜压阻上，使检测更加灵敏。
所述集成芯片100通过CMOS工艺集成在所述液晶聚合物的基底71上，如图1所示，包括：差分运放电路20，被配置为将所述薄膜压阻电桥10产生的电压放大，形成模拟放大信号；模数转换电路30，被配置为将模拟放大信号进行滤波、采样保持及编码后转换为数字信号；通信电路40，被配置为将所述数字信号发送到接收设备；校准数模转换电路60，被配置为在所述压力作用腔72未接收到液体的压力时，将差分运放电路20输出的电压调整为零；状态机50，被配置为处理所述数字信号，并根据所述数字信号判断所述校准数模转换电路60是否校准到位，并控制所述通信电路40的信号发送。
其中，在所述的集成有创血压传感器中，所述通信电路40包括SPI接口、I2C接口、USB接口、UART接口、RS-485接口、CAN-bus接口和/或射频芯片。在所述的集成有创血压传感器中，差分运放电路20为斩波稳零型运算放大器，能够放大微弱信号，同时具有高增益、低温漂、高共模输入范围和高电压抑制比。如图4所示，在所述的集成有创血压传感器中，所述薄膜压阻电桥10还包括MOS管构成的恒流源，在较宽范围供电电压范围(3伏至12伏)，电流保持稳定。
在本发明提供的集成有创血压传感器中，通过由互不相连的两个叉指薄膜压阻11，以及互不相连的两个单长条薄膜压阻12组成薄膜压阻电桥10，第一封装区域承载两个所述叉指薄膜压阻11，第二封装区域承载两个所述单长条薄膜压阻12及所述集成芯片100，所述第一封装区域的底部为“U”形的压力作用腔72与液体接触，液体形成的压力通过压力作用腔72传导到所述叉指薄膜压阻11，以使所述叉指薄膜压阻11的阻值变化，实现了采用叉指结构设计压力敏感电阻形成如图4所示的惠斯通电桥，更有利于在工艺制备过程中实现压力敏感电阻的匹配，最大程度上保证了在无外部外力作用时的薄膜压阻电桥10零点平衡。
本发明克服了上述现有技术的缺陷，提供一种微型、生物相容和高可靠性的无线有创血压传感器设计方法，包括杯形液晶聚合物(Liquid Crystal Polymer，LCP)或者杯形LCP、薄膜压阻和集成芯片100三个部分。所述杯形LCP为一种采用液晶聚合物构成的微型、杯形状的结构。为了方便描述，将杯形LCP下部的中空部分称为压力作用腔72。所述薄膜压阻包括四个部分：两个完全相同的叉指薄膜压阻R1和R2，以及两个完全相同的长条薄膜压阻R3和R4。四个薄膜压阻的阻值相同；两个叉指薄膜压阻R1和R2对称地被制备在杯型LCP压力腔的上表面；两个长条薄膜压阻R3和R4被制备在杯型LCP上表面；上述四个薄膜压阻组成如图4所示的惠斯通平衡电桥10，以下简称为电桥10。所述叉指薄膜压阻11和长条薄膜压阻12，均采用生物相容性好的钛薄膜/二氧化钛薄膜叠层结构，其中钛薄膜层处于LCP基底和二氧化钛薄膜之间。杯形LCP上部叉指薄膜电阻用LCP封装并在内部形成密封空腔；杯形LCP上部的长条薄膜压阻12和集成芯片100用LCP封装。
在本发明的一个实施例中，所述压力作用腔72和被测对象如血液或体液接触。血液或体液造成的压力通过LCP压力作用腔72传导到上部密封空腔内的叉指薄膜压阻11，后者的阻值随着压力的变化而变化。无外部压力时，理论上压力作用腔72与密封空腔之间不存在压力差，叉指薄膜压阻11不会变形，电桥10平衡、差分运放电路输出电压为零；有外部压力时，压力作用腔72与密封空腔之间存在压力差，叉指薄膜压阻11产生变形，位于密封空腔内的叉指薄膜压阻11阻值发生变化，电桥10失去平衡，输出与被测压力成正比的输出电压。
在本发明的一个实施例中，所述集成芯片100包括差分运放、ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换)、状态机、校准DAC(Digital-to-Analog Converter，数模转换)和射频电路共五个部分电路，采用CMOS工艺被集成在同一个硅芯片。所述差分运放为全差分、高增益运算放大电路，其作用是将电桥10产生的微弱信号放大。所述ADC为8位或以上精度、低功耗模数转换电路，是将差分运放放大的模拟信号转换为数字信号。所述状态机控制射频电路通过无线方式将ADC的输出进行无线发送，并控制校准DAC输出电压对电桥10输出节点上的电压进行校准，以确保传感器装置在无外部压力时输出为零。所述状态机和模数转换器输出相连接，同时和电桥10相连接。通过模数转换器的输出值对电桥10进行校准。
如图2所示，所述压力作用腔72将压力变化信号通过LCP传递到密封空腔内的叉指薄膜压阻11，由叉指薄膜压阻11和长条薄膜压阻12构成的惠斯通电桥10将压力变化转换成电压信号输出。所述4个薄膜压阻其阻值应相同。如图3和图4所示，所述惠斯通电桥10输出的两个电压信号out1和out2，被连接到差分运放输入端，放大后的信号经ADC转换成数字信号，最终通过射频电路无线发送到其它接收设备。理论上在无负载压力情况下，所述电桥10处于平衡状态，无输出电压。但事实上，由于工艺等因素影响下，在无压力作用下，电桥10无法达到平衡，始终输出电压信号。在本发明中，无压力作用情况下经过DAC调整电桥10平衡，使得差分运放电路输出电压为零，达到自动校准功能。
在校准过程中，校准数模转换电路输出模拟电压，施加到两个叉指薄膜压阻和单长条薄膜压阻连接处中的任意一个，调节所述模拟电压以使薄膜压阻电桥输出的两个电压相等。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明中基于柔性LCP基底设计有创血压传感器装置，其体积微型、可以置入到被测对象体内。同时使用射频电路，可以实现数据无线传输。本发明中传感器采用的LCP材料具有很好的生物相容性，同时能透微波，具备优异的强度、耐热、电绝缘以及耐化学腐蚀等特性。本发明中采用叉指结构设计压力敏感电阻，更有利于在工艺制备过程中实现电阻匹配，最大程度上保证了在无外部外力作用时的电桥10平衡。本发明中使用校准DAC和状态机进行自动校准，可自动调节电压使电桥10在无外部外力时达到平衡，从而增加传感器‘压力输入-信号输出’之间的准确度和线性度。本发明采用差分运放对信号进行放大，增大了压力信号测量范围。同时本发明中涉及到的所有器件都集成在一个硅片上，提高了有创血压传感器装置的工作可靠性、信噪比和抗干扰性能。可采集高压信号也可采集到低压信号，测量范围大，用途广，可延伸到人和动物手术过程中腔内各种压力测量的场合。本发明提供的集成有创血压传感器具有高线性度、更大测试范围和高可靠性的优势。
本发明中使用状态机进行自动校准，可自动调节电压使电桥10在无负载外力时达到平衡从而增加传感器‘压力输入-信号输出’之间的线性度，而不需要使用零压力失调补偿电阻的工艺；本发明的传感器集成有差分信号放大器，增大了压力信号测量范围，同时提高了信号增益和信噪比；本发明集成有数字通信接口，可以直接输出数字信号而提高了抗干扰性能；本发明中涉及到的所有器件都集成在一个硅芯片上，提高了有创血压传感器的工作可靠性。
综上，上述实施例对集成有创血压传感器的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (8)
1.一种集成有创血压传感器，其特征在于，包括：
薄膜压阻电桥，被配置为惠斯通平衡电桥，由互不相连的两个叉指薄膜压阻，以及互不相连的两个单长条薄膜压阻组成，当两个叉指薄膜压阻的阻值为稳态值时，薄膜压阻电桥输出的两个电压相等；
集成芯片，被配置为处理所述薄膜压阻电桥输出的电压；
液晶聚合物，包括第一封装区域和第二封装区域，所述第一封装区域承载两个所述叉指薄膜压阻，所述第二封装区域承载两个所述单长条薄膜压阻及所述集成芯片，所述液晶聚合物是柔性的；
第一封装层，被配置为将所述第一封装区域密封形成第一空腔，两个叉指薄膜压阻容置于所述第一空腔内；
第二封装层，被配置为将所述第二封装区域密封形成第二空腔，两个单长条薄膜压阻及集成芯片容置于所述第二空腔内，其中：
所述第一封装区域的底部为“U”形的压力作用腔，所述压力作用腔与液体接触，液体形成的压力通过压力作用腔传导到所述叉指薄膜压阻，以使所述叉指薄膜压阻的阻值变化，
所述第一空腔中充满绝缘液体，第一空腔以360°全方向接收外力并通过绝缘液体传导到两个叉指薄膜压阻上。
2.如权利要求1所述的集成有创血压传感器，其特征在于，所述叉指薄膜压阻包括第一压阻组件及第二压阻组件，其中：
所述第一压阻组件及所述第二压阻组件均为梳状，且其中一个的梳齿插入另一个的齿间以形成交叉排列。
3.如权利要求1所述的集成有创血压传感器，其特征在于，所述叉指薄膜压阻及单长条薄膜压阻均包括叠加的钛薄膜层及二氧化钛薄膜，
所述钛薄膜层布置于所述液晶聚合物的基底和所述二氧化钛薄膜之间；
两个叉指薄膜压阻及两个单长条薄膜压阻的阻值均一致。
4.如权利要求1所述的集成有创血压传感器，其特征在于，所述集成芯片通过CMOS工艺集成在所述液晶聚合物的基底上，包括：
差分运放电路，被配置为将所述薄膜压阻电桥产生的电压放大，形成模拟放大信号；
模数转换电路，被配置为将模拟放大信号进行滤波、采样保持及编码后转换为数字信号；
通信电路，被配置为将所述数字信号发送至接收设备；
校准数模转换电路，被配置为在所述压力作用腔未接收到液体的压力时，将差分运放电路输出的电压调整为零；
状态机，被配置为处理所述数字信号，并根据所述数字信号判断所述校准数模转换电路是否校准到位，并控制所述通信电路的信号发送。
5.如权利要求4所述的集成有创血压传感器，其特征在于，所述通信电路包括SPI接口、I2C接口、USB接口、UART接口、RS-485接口、CAN-bus接口和/或射频芯片。
6.如权利要求4所述的集成有创血压传感器，其特征在于，差分运放电路为斩波稳零型运算放大器。
7.如权利要求4所述的集成有创血压传感器，其特征在于，所述薄膜压阻电桥还包括MOS管构成的恒流源。
8.如权利要求4所述的集成有创血压传感器，其特征在于，在校准过程中，校准数模转换电路输出模拟电压，施加到两个叉指薄膜压阻和单长条薄膜压阻连接处中的任意一个，调节所述模拟电压以使薄膜压阻电桥输出的两个电压相等。
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