Tài liệu Ứng dụng cảm biến áp suất MEMS trong thiết bị điện tử y tế pdf

Ứng dụng cảm biến áp suất MEMS trong thiết bị điện tử y tế

Applications of MEMS pressure sensors in the medicine electronic devices



Chử Đức Trình
a
, Nguyễn Phú Thùy
a,b
,Vũ Ngọc Hùng
b
,
Đinh Văn Dũng
b
,Bùi Thanh Tùng
a
, Trần Đức Tân
a
,
Vũ Việt Hùng
a
,
a
Khoa Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội
Nhà E3, 144 Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam
b
Trung tâm ITIMS, Toà nhà ITIMS, 01 Đại Cồ Việt, Hà Nội, Việt Nam

Tóm tắt: Ứng dụng các linh kiện vi cơ địên tử, MEMS (microelectromecanical systems),
trong các thiết bị điện tử nói chung cũng như thiết bị y tế đang được nhiều nhà khoa học
quan tâm. Báo cáo này giới thiệu một ứng dụng của vi cảm biến áp suất trong việc đo huyết
áp và nhịp tim từ xa. Hệ thiết bị này bao gồm một máy tính chủ và nhiều module đo được
chế tạo dự
a trên vi cảm biến áp xuất và các thiết bị vô tuyến .

Abtract: Applications of microelectro-mechanical systems (MEMS) components in
medicine electronic devices are nowadays very attractive for many scientists in different
fields. This paper describes the applications of the homemade MEMS pressure sensors in
blood pressure and blood pulse remote measuring. The system includes one master and
multi-slaver, which has contructed using MEMS sensors and wireless circuits.




Medical Personnel
1. GIỚI THIỆU CHUNG

Nhiệt độ, huyết áp, nhịp tim là các thông số
quan trọng của cơ thể trong việc khám và chữa
bệnh. Khi một bệnh nhân tới bệnh viện, trước hết
các bác sỹ sẽ đo ngay các thông số thân nhiệt, huyết
áp, nhịp tim để lấy cơ sở chuẩn đoán. Trong quá
trình điều trị bệnh các thông số trên cũng được
thường xuyên kiểm tra, thu thập. Công việc này
thực sự không quá phức tạ
p. Tuy nhiên, ngày nay,
cùng với sự phát triển của xã hội thì nhiều căn bệnh
mới xuất hiện đe doạ sức khoẻ cộng đồng như dịch

SARS, dịch cúm gà... Những bệnh này và không ít
các căn bệnh khác có khả năng lây nhiễm cao, đặc
biệt nguy hiểm đối với các nhân viên y tế trực tiếp
điều trị. Một hệ thống cho phép đo các thông số
trên từ xa có thể giúp cho các bác sỹ thu thập các
thông số của bệnh nhân mà không cần phải tiếp xúc
với bệnh nhân. Bài viết này mô tả một hệ như vậy.
Với hệ thống này thì bác sỹ có thể thu thập được
thông số của nhiều bệnh nhân cùng lúc, trong thời
gian ngắn. Phạm vi hoạt động của hệ thống có thể
lên tới 10 km mà không cần anten. Hình 1 mô tả sơ
đồ khối của một hệ đo huyết áp và nhịp tim từ xa.
Khi c
ần đo huyết áp của một bệnh nhân cụ thể
nào đó thì người bác sỹ thông qua máy tính sẽ ra
lệnh cho hệ đo của bệnh nhân đó. Sau khi nhận
được lệnh, hệ đo trước tiên báo cho bệnh nhân biết
để chuẩn bị đo. Tiếp theo bao khí được bơm căng
lên rồi được xả ra từ từ để xác định huyết áp cao
nhất, huyết áp thấp nhất. Thời gian cho một lầ
n đo
trung bình cỡ 30 giây. Sau khi đo xong, hệ đo sẽ
gửi kết quả về cho máy tính trung tâm.
Computer
RF Modem
RF Modem RF Modem
Patient
Patient
RF Modem
Measuring

Measuring Measuring
Patient
Hình1. Sơ đồ khối hệ thống đo huyết áp và nhịp
tim từ xa
Bài viết này trước hết sẽ giới thiệu cấu trúc và
nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất vi cơ áp
trở. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của của hệ đo
cũng sẽ được mô tả trong đó nhấn mạnh phương
pháp “oscillometric” và sơ đồ nguyên lý của mạch.
Cuối cùng là mô tả v
ề mạng truyền thông vô tuyến
và phần mềm điều khiển.

1
2. CẢM BIẾN ÁP SUẤT VI CƠ ĐIỆN TỬ
2.1. Cấu hình và nguyên lý hoạt động của cảm
biến áp suất
Trên cơ sở hiệu ứng áp trở trong vật liệu
silicon, nhiều loại vi cảm biến và các bộ chấp hành
đã được phát triển với các tính năng và ứng dụng
khác nhau. Nguyên lí làm việc chung của các vi
cảm biến loại này dựa trên sự thay đổi độ biến dạng
củ
a cấu trúc màng hay cấu trúc dầm (gọi chung là
các phần tử nhạy cơ) được chuyển thành tín hiệu
điện tương ứng nhờ các áp điện trở được cấy trên
phần tử nhạy cơ. Khi phần tử nhạy cơ của vi cảm
biến bị uốn cong, các áp điện trở sẽ thay đổi giá trị
và trên lối ra của vi cảm biến người ta sẽ đo được
tín hiệu của điện áp ra. Độ nhạy cũng như vùng làm

việc tuyến tính của vi cảm biến phụ thuộc rất nhiều
vào kích thước cấu trúc cơ, dạng và kích thước các
áp điện trở, vị trí các áp điện trở trên phần tử nhạy
cơ.
Cấu trúc của cảm biến áp suất sử dụng trong
thiết bị được chỉ ra trong hình 2. Cảm biến được
chế tạo trên một đế Silic loại n có định hướng bề
mặt là {100}, bằng phương pháp ăn mòn điện hoá,
một màng silicon với kích thước và bề dày thay đổi
được tạo ra, màng này rất nhạy với các tín hiệu áp
suất. Sau đó, bốn điện trở được đặt lên màng silicon
tại trung điểm của các cạnh của hình vuông bằng
phương pháp khuếch tán Boron từ nguồn tạp hoặc
bằng ph
ương pháp cấy ion tạo thành cầu
Wheatstone. Các điện trở được đặt một cách chính
xác cụ thể là hai điện trở được đặt song song với
cạnh màng, hai điện trở còn lại được đặt vuông góc
với cạnh màng. Các cạnh của màng có định hướng
là {110}.

Khi không có áp suất đặt lên màng, cầu điện
trở ở trạng thái cân bằng, điện thế lối ra lúc này là
bằng 0. Khi có áp suất
đặt lên, màng mỏng sẽ bị
biến dạng, áp lực phân bố trên màng sẽ bị thay đổi.
Do hiệu ứng áp điện trở, các giá trị của các điện trở
trong mạch cầu bị thay đổi, cụ thể nếu các điện trở
song song với cạnh màng có giá trị giảm đi thì các
điện trở vuông góc với cạnh màng sẽ tăng giá trị và

ngược lại. Kết quả là c
ầu sẽ bị mất cân bằng và điện
áp lối ra là khác 0. Sự thay đổi giá trị điện trở phụ
thuộc vào độ biến dạng của màng tức phụ thuộc vào
áp suất, nên độ lớn của tín hiệu lối ra cũng phụ
thuộc vào áp suất. Bằng cách đo điện thế lối ra ta có
thể đo được độ lớn tương ứng của áp suất tác d
ụng
lên màng. Cảm biến áp suất là một trong những
loại cảm biến thường dùng nhất trong công nghiệp.
Trong y tế thì cảm biến áp suất thường được sử
dụng để đo áp suất trong động mạch và trong tĩnh
mạch. Ưu điểm lớn nhất của nó là độ nhạy. Cụ thể
đối với dải điện áp thấp, độ nhạy của cảm biến thay
đổi trong khoảng từ 0,1 đến 3mV/mbar phụ thuộc
dạng hình học của màng và cường độ dòng điện,
trong dải áp suất từ khoảng vài trăm mbar đến hàng
trăm bar, độ nhạy thay đổi từ 0,2 đến 12,5mV/bar.
Một ưu điểm nữa đó là kích thước của các cảm biến
này do chế tạo theo công nghệ MEMS nên kích
thước rất nhỏ, thuận tiện sử dụng trong mọi thiết bị
.
Tiếp theo đây là mô tả các bước chế tạo một cảm
biến áp suất vi cơ điện tử.

2.2. Chế tạo cảm biến áp suất vi cơ điện tử
Để chế tạo các cảm biến áp suất ta sử dụng
một phiến silic loại n, bề dày 380µm, có định
hướng bề mặt là {100}, điện trở suất nằm trong
khoảng 1-5 Ω

.cm. Trước tiên một mặt nạ được tạo
ra bằng cách oxi hoá miếng silic ở nhiệt độ cao
nhằm bảo vệ miếng tinh thể trong quá trình ăn mòn
bằng dung dịch KOH. Với thời gian ăn mòn kéo dài
khoảng 10 giờ sẽ tạo ra được lớp SiO
2
với bề dày
cần thiết cỡ 1,5µm. Tiếp theo, bằng công nghệ
quang khắc người ta tạo ra các cửa sổ trên lớp oxit
này với công nghệ IC, cấu trúc điện tử được tạo ra.
Quá trình chế tạo có thể được mô tả ngắn gọn bằng
sơ đồ ở hình 3. Để sản xuất cảm biến áp suất sử
dụng trong hệ đo chúng tôi sử dụng bộ hi
ệu chỉnh
mặt nạ một mặt. Mặt nạ cân chỉnh sử dụng để định
vị chính xác cấu trúc từ 2 mặt của miếng mỏng
được tạo ra bằng cách khắc thông qua toàn bộ
miếng mỏng.

Phủ và khuyếch tán SOD

Tấm Silicon n {100}
Oxi hóa
Mở các điểm tiếp xúc
Tạo cửa sổ
Khắc tạo màng mỏng
Tạo cứa sổ cho các
điện trở
Bay hơi tạo lớp
Al

Tạo cửa sổ
Nối dây và đóng vỏ
Hình2. Cấu trúc cảm biến áp suất.
Hình 3. Quy trình chế tạo cảm biến áp suất hiệu ứng
áp điện trở

2
3. MẠNG TRUYỀN THÔNG

Để thực hiện giao tiếp giữa các phần khác
nhau của hệ thống, yêu cầu đặt ra là phải thiết lập
được một mạng nội bộ. Cấu hình mạng được chỉ ra
ở hình 4. Đây là một mạng hình sao, các nút mạng
là các module Xstream. Các module Xstream là các
module liên lạc vô tuyến hoạt động theo công nghệ
trải phổ nhảy tần (FHSS-Frequency Hope Spread
Spectrum), cho phép các thiết thiết bị có thể liên lạc
vô tuyến vớ
i nhau thông qua chuẩn truyền tin nối
tiếp không đồng bộ với tốc độ truyền luồng dữ liệu
cho phép từ 2400 đến 57600 bits/giây.
Các module Xstream sử dụng 3 mức địa chỉ
để liên lạc với nhau. Chỉ các module có địa chỉ
tương thích với nhau mới có thể tham gia quá trình
truyền tin. Ba mức địa chỉ này là: số nhận dạng hệ
thống (Vendor Identification number-VID), địa chỉ
mạng (Network address) và địa chỉ module
(Module address). Mỗi module được
định địa chỉ
bằng 16 bit. Địa chỉ này có giá trị từ 0 đến 65535 vì

thế mạng có thể mở rộng tới 65536 thành viên. Ở
đây chúng tôi chỉ sử dụng 10 module để thiết lập
mạng. Phạm vi hoạt động của mạng lên tới 10 km
ngay cả khi không có anten.
Trong mạng, một module Xstream nối với PC
đóng vai trò là nút chủ (Master), các module khác
sẽ là các nút tớ (Slaver). Module chủ giữ vai trò
điều khiển toàn bộ quá trình truyền tin trong mạng.
M
ạng hoạt động theo phương thức hỏi vòng. Giao
thức truyền tin trong mạng được mô tả ở hình 5.
Trước tiên PC gửi lệnh đo tới các module trong
mạng. Nếu hệ đo sẵn sàng, nó sẽ báo lại cho PC
biết, đồng thời hệ đo bắt đầu quá trình đo. Khi quá
trình đo kết thúc, hệ đo sẽ gửi tìn hiệu RTS tới PC
để yêu cầu được gửi dữ liệu về và nó sẽ ch
ỉ gửi kết
quả đi khi có tín hiệu cho phép CTS từ PC gửi lại.
(1) PC gửi yêu cầu đo tới hệ đo cụ thể.
(2) Nếu hệ đo sẵn sàng nó báo lại cho PC biết, rồi
nó bắt đầu quá trình đo.
(3) Khi thực hiện song quá trình đo, hệ đo gửi tín
hiệu báo cho PC biết đã đo song.
(4) PC nếu sẵn sàng nhận số liệu thì sẽ gửi yêu cấu
phát số liệ
u tới hệ do.
Hình 4. Tôpô mạng LAN vô tuyến
(5) Hệ đo nhận được tín hiệu CTS lập tức truyền
dữ liệu, (khi truyền nhiều byte, nó chờ PC xác
nhận rồi mới gửi tiếp). Khi đã hết số liệu nó

gửi cho PC tín hiệu Release yêu cầu kết thúc
truyền tin.
(6) PC xác nhận yêu cầu, kết thúc truyền tin với hệ
đo đó và tiếp tục phục vụ các hệ đo khác.
Các module Xstream kết nối với vi đ
iều khiển
và PC theo chuẩn RS232C. Dữ liệu luôn được
truyền và nhận với cấu trúc khung truyền là 1 bit
start, 8 bit dữ liệu và 1 bit stop, vói tốc độ 2400 –
57600 bit/giây
5. MẠCH ĐO HUYẾT ÁP VÀ NHỊP TIM
Sơ đồ nguyên lý của hệ đo huyết áp và nhịp
tim được mô tả như ở hình 6. Mạch thực hiện đo
huyết áp và áp suất theo phương pháp
“oscillometric”.
Phương pháp chung để đo huyết áp là người ta
sử dụng mộ
t bao khí quấn vào tay (đặt ngang tầm
ngực), sau đó bao khí được bơm căng đến một áp
suất đủ lớn (lớn hơn áp suất mạch máu, thông
thường khoảng 130 mmHg, với người bị áp huyết
cao thì giá trị này vào cỡ 180 mmHg), lúc này mạch
máu bị nghẽn lại tại nơi quấn bao khí. Tiếp đó bao
khí được xả từ từ, khi áp suất trong bao cân bằng
với huyết áp tối đa thì mạch bắt đầ
u thông, qua bao
khí ta nhận được tín hiệu mạch đập. Tiếp tục xả bao
khí khi áp suất cân bằng với huyết áp tối thiểu thì
trong bao khí ta không nhận thấy có tín hiệu mạch
đập nữa. Lúc đó áp suất trong bao khí chính là áp

huyết tối thiểu. Hình 7 là tín hiệu huyết áp thu được
tại điểm A, giá trị huyết áp lớn nhất (tâm trương-
Systolic) và huyết áp nhỏ nhất (tâm thu- Diastolic)
lần lượt tương ứng với điểm xuấ
t hiện nhịp tim và
kết thúc tín hiệu nhịp tim. Bằng phương pháp đo
thủ công thì các giá trị này được xác định bằng ống
nghe bởi các bác sỹ. Với phương pháp đo điện tử,
các giá trị trên được xác định hoàn toàn tự động.
Trước tiên khi module đo nhận được lệnh đo
từ máy tính trung tâm gửi tới qua mạng truyền
thông đã mô tả ở trên, hệ đo sẽ báo cho người bệnh
Hình 5. Giao thức truyền tin

3
biết để chuẩn bị cho một lần đo. Ngay khi người
bệnh chuẩn bị xong, vi điều khiển sẽ bắt đầu quá
trình đo bằng việc điều khiển môtơ bơm khí vào
bao khí. Khi khí trong bao đã đủ, môtơ được ngắt
và khí được tự động xả từ từ ra khỏi bao. Tín hiệu
thu được từ cảm biến trước tiên được đưa vào mạch
ti
ền khuyếch đại. Vì bộ vi cảm biến sử được chế tạo
theo công nghệ áp trở, độ lớn của tín hiệu lối ra phụ
thuộc vào độ lệch của cầu wheatstone nên yêu cầu
bộ tiền khuyếch đại phải có trở kháng lối vào lớn,
tạp âm thấp để không làm ảnh hưởng tới hoạt động
của vi cảm biến. Ở đây chúng tôi sử dụng bộ
khuyếch đại công cụ AD620 của hãng Analog
Device. Do mức tín hiệu lối vào của bộ biến đổi

A/D là 0 –5V nên lối ra của tầng tiền khuyếch đại
được dịch offset thông qua bộ khuyếch đại và dịch
offset. Tiếp đó tín hiệu thu được được cho qua một
mạch lọc thông thấp nhằm loại bỏ thành phần DC
nhưng vẫn cho tín hiệu nhịp tim đi qua. Tín hiệu lối
ra của mạch lọc sẽ
được đưa vào một bộ khuyếch
đại. Khi đó lối ra của mạch khuyếch đại này sẽ có
dạng tín hiệu nhịp tim như trên hình 8B, và tín hiệu
này được đưa qua một bộ so sánh. Lối ra của bộ so
sánh có xung khi tín hiệu nhịp tim còn lớn hơn giá
trị ngưỡng. Giá trị ngưỡng ở đây rất quan trọng,
chính nó quyết định độ chính xác của máy đo đối
với huyết áp tối thiểu. Giá trị
ngưỡng không thể
nhỏ quá vì khi đó mạch sẽ chịu ảnh hưởng của
nhiễu, nhưng nó cũng không được lớn quá vì nếu
thế giá trị huyết áp tối thiểu sẽ sai đi nhiều. Tiếp đó,
chuỗi xung thu được sau bộ so sánh sẽ được đưa
qua bộ biến đổi tần số thành điện thế nhằm biến đổi
chuỗi xung thu được thành mức thế m
ột chiều. Rồi
tín hiệu sẽ được đưa tới các bộ so sánh để quyết
định thời điểm có huyết áp tối đa, tối thiểu.
Cụ thể, khi áp suất trong bao còn lớn hơn
huyết áp cao nhất thì tại B không có tín hiệu. Khi
áp suất trong bao khí giảm xuống đến khi bằng với
huyết áp cao nhất thì trong bao khí ta có tín hiệu
mạch đập, qua các bộ khuyếch đại, chỉnh offset, các
mắt lọc…ở l

ối ra của bộ so sánh xác định huyết áp
tối đa ta sẽ có tín hiệu triger nhảy từ mức logic 0
lên mức lôgic 1. Tín hiệu này sẽ tác động tới vi điều
khiển, vi điều khiển khi nhận được tín hiệu này sẽ
xác định được giá trị áp suất tại A lúc này là huyết
áp tối đa.
Việc xác định huyết áp tối thiểu cũng thực
hiện tương tự nhờ bộ so sánh khi phát hi
ện lối ra bộ
biến đổi tần số thành điện thế dưới một mức
ngưỡng. Vi điều khiển dùng trong sơ đồ này là
AVR AT90S8535 của hãng Atmel. Do AVR đã có
sẵn bộ biến đổi A/D nên sơ đồ thiết kế được đơn
giản đi rất nhiều.
Việc xác đinh nhịp tim được thực hiện bằng
cách đếm số xung lối ra tại đi
ểm C trong sơ đồ
trong một khoảng thời gian đo xác định rồi chia cho
khoảng thời gian này. Công việc này cũng được
thực hiện dễ dàng do trong vi điều khiển cũng đã
được trang bị sẵn bộ đếm và định thời. Dưới đây là
sơ đồ nguyên lý mạch đo huyết áp và một số dạng
tín hiệu thực nghiệm thu đuợc.



Hình 6. Sơ đồ nguyên lý của mạch đo huyết áp và nhịp tim


4

Hình 7 Tín hiệu huyết áp thu được tại điểm A của sơ đồ
(xem hình 6)
Hình 8. Một số tín hiệu đo được tại các điểm đặc biệt
của sơ đồ
B. Tín hiệu nhịp tim tại điểm B
C. Tín hiệu nhịp tim sau khi được khuyếch đại và tạo dạng
D. Xung báo có huyết áp tối đa (tín hiệu tại điểm C )
E. Xung báo có huyết áp tối thiểu


5. KẾT LUẬN
Hệ thống trên là những đóng góp đầu tiên của
chúng tôi trong việc ứng dụng cảm biến MEMS vào
các thiết bị điện tử nói chung cũng như trong điện tử
y tế. Việc nghiên cứu hoàn thiện công nghệ chế tạo vi
cảm biến áp suất và một số vi cảm biến khác đã và
đang được tiếp tục tại ITIMS.
Tại khoa Công Nghệ - Đại học Qu
ốc gia Hà nội
chúng tôi đang đồng thời nghiên cứu triển khai ứng
dụng các vi cảm biến MEMS vào các lĩnh vực dân
dụng và công nghiệp.
Chúng tôi coi đây là phiên bản đầu tiên của hệ
thống đo huyết áp và nhịp tim từ xa. Hệ thống sẽ
được hoàn thiện và phát triển để mở rộng phạm vi
ứng dụng cũng như tính năng. Chúng tôi hy vọng
thiết bị này sẽ đóng góp một phần để
đẩy lùi các dịch

bệnh, và thể hạn chế được phần nào rủi ro cho các
nhân viên y tế trực tiếp phải tiếp xúc với người bệnh.


TÀI LIỆU THAM KHẢO:


[1]. Mallon J R, Pourahmadi J R F, Petersen K, Barth
P, Vermeulen T and Bryzek J “Low-pressure
sensors employing bossed diaphragms and
precision etch-stopping” 1990 Sens. Actuators
A 21-23 137-41
[2]. V.N. Hung, N.D. Chien, D.V. Dung, T.Q. Thong,
N.P. Thuy, “Silicon micromachined
piezoresistive sensor: Development and
application”, Pacific rim workshop on
transducers and micro/nano technologies, July
22-24, 2002, Xiamen China, pp 491-484.
[3]. S Marco, J Samitier, O Ruiz, J R Morante and J
Esteve, “High-performance peizoresistive
pressure sensors for biomedical applications
using very thin structured membranes”, 1996
Meas. Sci. Technol. 7 pp 1195-1203
.


5