Czujniki MEMS w medycynie

Rys. 1. Prognozy zmian wartości rynku czujników MEMS. Dane w mld dol.

Wartość światowego rynku czujników MEMS w 2005 roku była szacowana na blisko 5 mld dol. W 2006r. wynosiła już około 8 mld dol. Przewiduje się, że w 2010 roku wartość ta wzrośnie do około 12,5 mld dol., co oznaczałoby średni roczny wzrost na poziomie 20%. W 2006 roku aplikacje medyczne stanowiły około 13% zysku w skali całego rynku MEMS. W 2011 roku szacowany zysk ma wynieść 11%. Ocenia się, że akcelerometry, czyli sensory MEMS najczęściej wykorzystywane w zastosowaniach medycznych, odnotują w latach 2005-2010 wzrost rzędu 45% i staną się prawdopodobnie drugim największym segmentem rynku czujników mikroelektromechanicznych.

Najważniejsze cechy

Wiele aplikacji medycznych zaczyna wykorzystywać czujniki inercyjne. Specyfika zastosowania wymaga jednak konkretnych właściwości. Sensory wykonywane w technologii MEMS charakteryzują się parametrami najbardziej pożądanymi, czyli niskim poborem energii i niewielkimi wymiarami oraz wysoką niezawodnością. Dzięki temu rozwiązania te cieszą się popularnością i coraz częściej znajdują zastosowanie w małych, wysoce niezawodnych i energooszczędnych urządzeniach używanych w medycynie. Największe zapotrzebowanie na ten typ czujników dotyczy urządzeń służących do monitorowania stanu zdrowia ludzi cierpiących na choroby serca. W zastosowaniu tym sprawdzają się zwłaszcza sensory ruchu.

Przykłady rozwiązań

Fot.1. 2-osiowy akcelerometr wykorzystywany w ciśnieniomierzach nadgarstkowych

Przykładem urządzeń, które bezwzględnie muszą spełniać powyższe wymagania są na przykład stymulatory serca. Czujnikiem tego typu jest np. produkt firmy Endevco, Model 40366. Jest to akcelerometr wykonany w technice SMT. Właściwości tego układu sprawiają, że dobrze sprawdza się on właśnie w takich medycznych aplikacjach jak wspomniane stymulatory serca z funkcją adaptacji częstotliwości stymulacji. Model 40366 to czujnik pojemnościowy zamknięty w hermetycznej obudowie o wymiarach 2,05x2,90mm, charakteryzujący się powtarzalnością rzędu 0,035pF. Przyspieszenie wzdłuż danej osi powoduje wychylenia ruchomej belki na skutek działania sił bezwładności. Belka, która jest jednocześnie okładką kondensatora tworzy wraz z pozostałymi nieruchomymi okładkami układ kondensatora różnicowego. Przyspieszenie przekłada się więc na zmianę pojemności.

Czujniki przepływu

Fot.2. Czujnik przepływu D6F wykonany w technologii MEMS

Inne przykłady stosowania sensorów MEMS to między innymi koncentratory tlenu, wziewne metody znieczulenia oraz aplikacje medyczne, w których wymagany jest pomiar prędkości przepływu gazu. Przykładem najnowszego rozwiązania jest seria D6F firmy Omron Electronics. Producent deklaruje zakres mierzonych prędkości gazu od 1mm/s do 40m/s. W czujnikach tych wykorzystywana jest zasada pomiaru, która opiera się na przemianie energii cieplnej w elektryczną. Wykorzystanie termoelementów ma wiele istotnych zalet, takich jak mniejszy koszt, mniejszy pobór mocy, większa dokładność pomiaru i czułość. D6F pracują w zakresie temperatur od -10°C do +60°C i mogą być zasilane napięciem stałym do 12 do 24VDC. Pobór prądu wynosi 15mA. Ponieważ w przeciwieństwie do rozwiązania firmy Endevco, nie są to już układy dedykowane do zastosowania w implantach medycznych, seria D6F jest produkowana w rozmiarach 15x20x60mm.

Monitorowanie stanu pacjenta

Sensory ruchu są wykorzystywane także w systemach diagnostycznych i monitorujących stan pacjenta. W 2007 roku firma STMicroelectronics wprowadziła na rynek liniowy akcelerometr „low-g” LIS244AL, o zakresie pomiarowym ±2g. Układ charakteryzuje się niskim poborem mocy oraz niewielkimi rozmiarami (4x4x1,5mm). Dzięki temu sprawdza się w urządzeniach zasilanych bateryjnie. LIS244AL jest 2-osiowym czujnikiem wykonanym w technologii MEMS. Informacja o zmianie przyspieszenia w obu kierunkach jest doprowadzana na wyjście analogowe w czasie rzeczywistym. Firma STMicroelectronics ma w swojej ofercie także układy LIS302. Jest to seria 3-osiowych akcelerometrów, które znajdują zastosowanie w zarządzaniu poborem mocy przez urządzenia włączane/wyłączne na skutek ruchu lub dotyku. W aplikacjach medycznych sensory tego typu mogą monitorować poziom aktywności pacjenta lub jedynie wykrywać zmianę jego pozycji. Obecnie nawet starsze rozwiązania, takie jak akcelerometry ADXL330 są stosowane w medycynie – np. w przenośnych defibrylatorach. Ponadto dwuosiowy akcelerometr ADXL311 jest aktualnie używany w elektronicznych ciśnieniomierzach nadgarstkowych. Czujnik określa w tym wypadku pozycję, w jakiej znajduje się ramię pacjenta. Umożliwia to znacznie dokładniejszy pomiar ciśnienia krwi.

Podsumowanie

Technologia czujników mikroelektromechanicznych jest obecnie na takim poziomie, że możliwe staje się wykorzystanie tych elementów w masowej produkcji, między innymi ze względu na ich cenę. Również w medycynie obserwuje się olbrzymi postęp. Wpływa to na rozwój technologii MEMS i zmusza konstruktorów do poszukiwania wciąż nowych rozwiązań oraz adaptacji dotychczasowych struktur, tak aby były one w stanie nadążyć za najnowszymi osiągnięciami medycyny.

Monika Jaworowska