سنسورهای wireless با تکنولوژی SAW

سیستم سنسوری که در اینجا معرفی می شود قادر به ثبت همزمان ۶ لید ECG می باشد و از آن در هولتر مونیتورینگ و ثبت بیوپتانسیل های دیگر استفاده می شود. این سنسور بر اساس خط تاخیر موج صوتی سطحی با امپدانس وابسته به ولتاژ بر روی مبدل بازتابنده بین انگشتان عمل می کند. (IDT) امپدانس IDT با یک مدار LC نشان داده می شود.امپدانس لود شده در مدار با تغییر خازن یک ورکتور که خود وابسته به پتانسیل قلب است تغییر می کند. به دلیل تغییر امپدانس در این مدار فاز و دامنه سیگنال به دست آمده از سنسور مدوله می شود. رزولوشن بالا به وسیله بهبود خازن های قابل برنامه ریزی NMOS از طریق افزودن یک لایه نازک از اکسید دی الکتریک برای رسیدن به ظرفیت خازنی بالا و تنظیم در نقطه ولتاژ صفر،صورت می گیرد.کوچک سازی با استفاده از تکنولوژی فلیپ فلاپ ها میسر شده است. مونیتورینگ همزمان چند لید با عمل تسهیم زمانی هر کدام از سنسورها صورت می گیرد.
● مقدمه
ثبت طولانی مدت ECG یکی از روش های متداول برای چک کردن بیمار از لحاظ مشکلات قلبی می باشد. اما وسایل موجود امکان ثبتreal time را به همراه کاهش سایز و مصرف توان فراهم نمی کنند. هدف تولید این سیستم توسعه شبکه تشخیص از راه دور برای کاهش خطر برای بیماران و افزایش راحتی آن ها با استفاده از سنسورهای مبدل SAW می باشد. همانگونه که در شکل نشان داده شده است شبکه دارای سه سطح است : ÷سنسور مسئول گرفتن دیتا می باشد.این عمل از طریق فرستادن ایمپالس های RF از واحد پرتابل خواننده و ثبت کننده انجام می شود.دیتای جمع آوری شده از بیمار در واحد خواننده ،پیش پردازش می شود و سپس به سمت واحد آنالیز به منظور تشخیص ،فرستاده می شود.ارتباط بین واحد آنالیز و واحد خواننده انعطاف پذیر است. برای مثال در مورد مراقبت در خانه این ارتباط می تواند از طریق بلوتوث و در مورد آمبولانس می تواند از طریق GSM صورت بگیرد.
بازتابنده های پسیو و وایرلس می توانند به عنوان سنسور برای اندازه گیری پارامترهای مختلف مکانیکی، شیمیایی و فیزیکی مورد استفاده قرار بگیرند. تکنولوژی SAW امکان مونیتورینگ وایرلس و پسیو را فراهم می کند. و می تواند عملکردی مشابه و یا حتی بهتر از هولتر مونیتورینگ ها داشته باشد. این سنسورها می تواننی یه صورت مستقیم روی بدن بیمار قرار بگیرند.و لید ها و کابل در این سیستم مینیمم شده اند.
● مواد و روش ها
این سنسور شامل یک خط تاخیر SAW ، آنتن فرستنده-گیرنده ،یک مدار لود LCو الکترود هایی که به سینه بیمار متصل می شوند ، می باشد. (شکل ۲) اثر سنسور بر تغییرات امپدانس مختلط مدار لود که نزدیک الکترودها و در تماس با IDT بازتابنده است ، متکی می باشد. امپدانس بار با پتانسیل قلب (U) از طریق خازن ورکتور (U)C تغییر می کند. سلف مدار فرکانس کاری مدار را تنظیم می کند.
سنسور با تکنولوژی رادار پالسی عمل می کند. پالس فرکانس بالا از واحد خواننده ارسال می شود. سیگنال با آنتنی که به آنتن IDT متصل است ،گرفته می شود و در آنجا به موج صوتی با فرکانس اصلی تبدیل می شود. این سیگنال سپس به عنوان یک موج صوتی سطحی با یک خط تاخیر به سمت بازتابنده و لود IDT حرکت می کند. در بازتابنده قسمتی از سیگنال منعکس شده و به عنوان مرجعی برای کالیبراسیون سیگنال مورد استفاده قرارا می گیرد. بقیه سیگنال به سمت لود IDT می رود و در آنجا به عنوان نتیجه عمل سنسور مدوله می شود. پتانسیل قلب دارای مقدار U است که این مقدار ظرفیت خازنی دیود ورکتور را تعیین می کند. امپدانس وابسته به ظرفیت خازنی دیود ورکتور مدار لود باعث مدولاسیون دامنه و فاز سیگنال می شود. پارامتر پراکندگی s۱۱ سیگنال منعکس شده از فرمول زیر به دست می آید :
S۱۱( zload ) = P۱۳۲ / (P۳۳ +۱/( zload(C(U))+Zmatch))
که در اینجا P۱۳ فاکتور کوپلینگ الکتروآکوستیک IDT و P۳۳ ادمیتانس الکتریکی و Zmatch مربوط به امپدانس سلف در شکل ۲ است. سیگنالی که فاز و دامنه آن مدوله شده به سمت لود IDT حرکت کرده و سپس مسیر برعکس به سمت واحد خواننده را طی می کندو در آنجا محاسبات لازم جهت به دست آوردن مقدارهای فیزیولوژیک مطلوب صورت می گیرد.
رزولوشن سیستم بسیار حیاتی است زیرا بیوپتانسیل ها ولتاژ پایین (در حدود میلی ولت) هستند. و بنابراین تغییرات ناچیزی در امپدانس بار مدار ایجاد می کنند. تغییرات امپدانس مدار لود و رزولوشن سیگنال با ظرفیت خازنی دیودهای ورکتور محدود می شود. بنابراین باید به بالا بودن فاکتور کیفیت مدار لود توجه زیادی شود. به وسیله ارزیابی مدولاسیون فاز پاسخ سنسور می توان حساسیت سیستم را بالا برد و نسبت سیگنال به نویز را بهبود بخشید. که البته این امر مستلزم انطباق دقیق مدار تشدید به فرکانس راه اندازی SAW می باشد.
در هولتر مونیتورینگ معمولا سه لید برای به دست آوردن اطلاعات از بیمار لازم است و البته برای به دست آوردن اطلاعات کامل ۱۲ لید مورد نیاز است. این سیستم ۶ لید را مونیتور می کند. بازتابنده و IDT اندازه گیری روی هر سنسور ، بر روی سطح تراشه SAW با فاصله هایی که با یک مقدار ثابت به دلیل مالتی پلکس کردن پاسخ، افزایش می یابند ، قرار گرفته اند.
شکل ۳ پاسخ هر سنسور را نشان می دهد. موج جزئی بازتابیده شده به صورت یک پیک در µS۴/۱ ظاهر می شود. پیک موجود در µS۴/۲ موج منعکس شده از لود IDT در یک بار خاص می باشد. پیک ها به دلیل انعکاس چندگانه از بازتابنده و در دو پیک اصلی به دلیل انعکاس های متعدد از IDT ایجاد می شوند. شکل ۳ب سیگنال های ۶ سیگنال را مخلوط می کند و اهمیت پیک مرجع رانشان می دهد. پاسخ سنسورهای مختلف طبق تضعیفشان در مسیر انتقال به دست می آیند. برای مثال سنسور ۲ به خاطر مکان قرارگیری اش تضعیف بیشتری نسبت به پاسخ سنسور اول متحمل شده است.
● دیود ورکتور
خازنی است که تنظیم مدار لود را به هم می زند و ظرفیت آن با پتانسیل قلب تغییر می کند. خازن یک منحنی اشباع cv در ناحیه ولتاژ صفر دارد. البته ورکتورهای عادی به طور کامل بر این منحنی فیت نمی شوند. در عوض دیود شاتکی مشخصه cv نزدیک تری به مشخصه مطلوب دارند و در نتیجه برای سنسورهای ECG مناسب ترند. در اندازه گیری های بعدی از این دیود استفاده شده است.
به منظور بهبود عملکرد سنسور از نوع دیگری از دیودهای ورکتور به تکنولوژی MOS استفاده شده است. یک خازن MOS می تواند به منظور دست یابی به مشخصه cv مناسب و کیفیت بالا طراحی شود. ظرفیت دیود MOS با اتصال سری ظرفیت اکسید و ظرفیت ناحیه شارژ مشخص می شود. مینیمم ظرفیت خازنی و ابسته به ضخامت اکسید می باشد. از آنجایی که ناحیه انباشتن ظرفیت خازنی نیمه هادی ها بالاست و ظرفیت خازنی کل در آن ماکسیمم است. به دلیل افزایش ولتاژ، ناحیه تهی در سطح نیمه هادی تشکیل می شود. و ظرفیت کل خازن کاهش می یابد. پس مینیمم ظرفیت خازنی به میزان ناخالصی بستگی دارد.
به دلیل مشکل بودن تولید دیودهای MOS با ولتاژ آستانه پایین آنها با دیود های دیگری با ساختار MNOS جای گزین شدند. (شکل ۴) که در این صورت ظرفیت خازنی به سادگی و با دقت می تواند با به کاربردن ولتاژ بایاس ، برای یک بازه زمانی تعریف شده ، برنامه ریزی شود. این روش نشان می دهد که حامل های بار در سطح اکسید نیترید باعث شیفت ولتاژی به سمت ولتاژ مطلوب می شود.
● سلف
مدار لود باید به منظور افزایش مدولاسیون فاز سیگنال در فرکانس راه اندازی SAW تنظیم شود. سلف به عنوان یک واحد تطبیق دهنده برای مدار لود عمل می کند. برای رسیدن به رزولوشن بالا در سیستم به اندوکتانس با کیفیت بالا نیاز است. چون که کیفیت مدار تشدید به کیفیت سلف مربوط می شود. بدین منظور یک میکروکویل با فرآیند UVLIGA تولید شده است. با ایجاد ساختارهای بلند با هندسه مطلوب مقاومت سری کویل می تواند کاهش یابد.
● جمع بندی
در ساخت مدار تشدید در فرکانس ۴/۲ گیگاهرتز باید به مسئله پارازیت به طور خاص اهمیت داد. مقدارها در حد پیکوفاراد و نانوهانری می باشد. در سیستم ارائه شده اثرات پارازیت مینیمم و نسبت سیگنال به نویز حداکثر شده است.
ورکتورها در بسته های تراشه مانندی با ابعادW۳۵۰×L۳۵۰×H۱۵۰ در دسترس هستند. آن ها بر لایه زیرین خود با چسب نقره می چسبند که این روش در مقایسه با لحیم کردن ساده تر است.
کوچک سازی بیشتر از طریق جای گزین کردن تکنولوژی تماس SAW با وایرهای پیوسته با استفاده از تکنولوژی فلیپ فلاپ ها ایجاد می شود.(شکل ۵) این قضیه ضروری است زیرا اندوکتانس سنسورها بسیار کوچک است و تلورانس تولید لازم می باشدو در فرکانس های بالا سیم های پیوسته در اندوکتانس کل سیستم موثر هستند.
● نتیجه
اندوکتانس و فاکتور کیفیت کویل ها به ترتیب ۵/۶نانوهانری و ۷۰ در فرکانس ۴۵/۲ گیگا هرتز اندازه گیری شده است. فرکانس خودالقای کویل ها هم ۸گیگا هرتز است. SAW به طور خاص برای سنسور ECG طراحی و طی یک فرآیند استاندارد اصلاح شده اند.ماکسیمم فاز دینامیک به وسیله اتصال یک امپدانس متغیر به بار IDT قابل تشخیص است.
ماکسیمم دامنه دینامیک منحنی اندازه گیری ۲۰ دسی بل می باشد.(شکل ۶) در فرکانس رزونانس سیگنال منعکس شده در مینیمم مقدار خود است. به طور مشابه مدولاسیون فاز به وسیله خاموش و روشن کردن بار IDT با باز و بسته کردن مدار اتصال کوتاه بین قطب های آن اندازه گیری می شود. ماکسیمم فاز دینامیک به دست آمده در حدود ۱۰۰ درجه است.
● بحث
این سنسور هنز قادر نیست پتانسیل های در حدود میلی ولت را سنس کند. ولی در عوض از یک منبع آزمایشگاهی در اندازه گیری ها استفاده می شود. حساسیت سنسور می تواند با بهبود انتباق آنتن و فرستنده-گیرنده IDT و افزایش توان واحد خواننده ، افزایش یابد. هرنوع توسعه ای در این سنسورها مستلزم بهبود مشخصه دیودهای MNOS است.

رضا رضاپور
مرجع
A. karlaine,T.finnberg & j.muleerwireless passive sensor for measuring ECG & other biopotential in implanted loaded SAW technology the ۳rd european medical & biological engineering conference EMBC ۰۵ , November ۲۰-۲۵ ,۲۰۰۵.