Jste zde

Miniauturní zcela nezávislý inteligentní senzor tlaku

Antonín Vojáček, 8. Listopad 2012 - 20:52

Skupina vědců a vývojářů "University of Michigan" vyvinula velmi zajímavý speciální miniaturní senzor měření nitroočního tlaku. Spíše než to, že jde o takto specializovaný senzor, mě zaujala hlavně jeho struktura a provedení, která je zaměřena na dodržení maximálních možných rozměrů senzoru 0,5 × 1,5 × 2 mm pro možnost voperování do oka a na požadavek s tím spojeného dlouhodobého zcela nezávislého (bezdrátového) provozu, jak z pohledu komunikace, tak napájení.

Na tom, že je senzor rozměrově velmi malý, by samo o sobě dnes nebylo až zas tak nic zajímavého. Jeho unikátnost hlavně spočívá v jeho provedení a dlouhodobém zcela autonomním provozu, který je při provozu uvnitř oka zcela zásadní. Jde tedy o zcela samostatnou jednotku, která bez jakéhokoliv pevného drátového spojení s okolním světem zajišťuje trvalé průběžné měření tlaku i s přenosem do nadřazeného systému. V tomto konkrétním případě při pravidelném měření nitroočního tlaku (zkráceně IOP z anglického IntraOcular Pressure), který při jeho špatných hodnotách ničí optické nervy (spojení s mozkem) a tím způsobuje zhoršení zraku nebo až dokonce úplnou slepotu, jsou navíc miniaturní rozměry a zcela autonomní provoz zásadní a nutnou vlastností. Doposud se tento IOP tlak mohl měřit jen externě tonometrickým systémem měření "jednou za čas" a bylo tedy jen velmi obtížné porovnávat vývoj IOP v čase a případně vliv léčby nebo stavu pacienta.

Provedení  a bloková struktura miniaturního nezávislého snímače nitroočního tlaku (IOP).

Vše se točí okolo spotřeby struktury IOP senzoru

I při velikosti pouhých 0,5 × 1,5 × 2 mm, senzor vyrobený 0,18 mikronovou technologií CMOS v sobě obsahuje velmi přesné kapacitní měření tlaku s vyhodnocením a záznamem hodnot do vnitřní paměti, bezdrátovou komunikaci / přenos naměřených hodnot do nadřazeného systému a napájecí jednotku umožňující provozovat senzor cca jeden celý rok bez potřeby jakéhokoliv drátového nabíjení. Zvláště napájecí systém v tak malých rozměrech a s takovou životností je velmi velmi obtížné vytvořit, zvláště pokud má napájet ještě bezdrátovou komunikaci. Proto je napájení realizováno hned z několika možných zdrojů el. energie, přesněji řečeno integrovaná speciální miniaturní tenkostěnné 1mikroAh Li akubaterie od společnosti Cymbet, která zajišťuje napájení senzoru se průběžně dobíjí prostřednictvím superminiaturního solárního článku velikosti pouze 0,07 mm2 umístěného v rohu struktury senzoru pod čočkou, která na něj směruje co nejvíce okolních dostupných paprsků světla. Přesto je takový solární panel schopen i při vysokém osvitu odpovídající velmi slunečnému dni dodávat jen max. 80 nW. Takový výkon však článek dokáže dodávat jen pár desítek minut jednou za několik dní. Obecně je výrobní výkon cca jen 10 až 50 nW. I to však díky neuvěřitelně malé průměrné spotřebě senzoru (méně než 10 nW) integrované baterii velmi pomáhá. Bez solárního nabíjení, tedy při provozu jen na samotnou baterii, by senzor běžel max. 28 dní.  Což v porovnání s cca 365 dny je velký rozdíl.

Tabulka příkonu a spotřeby jednotlivých částí systému senzoru a grafy účinnosti a nabíjení integrované akubaterie z vestavěného solárního mikročlánku s čočkou.

Tak nízké průměrné spotřeby bylo hlavně dosaženo díky až 75% účinnosti integrovaného napájecího měniče, ale hlavně co největším omezím spotřeby během bezdrátového vysílání (komunikace). Zatímco v tomto režimu spotřeba el. energie senzoru stoupá až na jednotky mW při dosahu přenosu cca 10 cm, v době bez komunikace, jen při měření a ukládání hodnot o tlaku v intervalu 15 minut, je spotřeba i pod 1 nW díky velmi nízkopříkonové integrované SRAM paměti se spotřebou jen 2,4 fW (0,0024 pW) na jednu paměťovou buňku. Celá použitá 4kB paměť, která při výše uvedené frekvenci měření 15 minut vystačí na cca 3 dny záznamu, tak spotřebovává 9,8 nW el. energie na svůj provoz. Na druhou stranu díky tak dostatečně velké paměti je možné provádět přenos / odečet hodnot jen např. 1x za den a to ještě jen velmi krátkou, je možné udržet celkovou průměrnou denní spotřebu senzoru velmi nízko. Konkrétně průměrná spotřeba provozu během jednoho celého dne zahrnující jeden přenos za den naměřených dat dosahuje cca 5 nW.  Pro dosažení napájecí nezávislosti cca 1 rok je pak nutné každý den vystavit senzor po dobu 10 hodin běžnému světlu v místnosti a 1,5 hodiny intenzitě světla slunečného dne.

Celý senzor řídí centrální 8bitový 100 kHz mikroprocesor s napájecím napětím jen 0,4 V a pracovní spotřebou do 90 nW, ale protože v klidovém "Stand-by" režimu se jeho spotřeba pohybuje v řádu jednotek nW, je možné průměrnou spotřebu udržet tak nízko. Procesor přijímá naměřená data z kapacitního senzoru prostřednictvím převodníku kapacity na digitálním hodnotu (CDC = Capacitance to Digital Converter) využívající Sigma-Delta modulaci s provozní spotřebou 7 mikroW při napětí 3,6 V. Ta je však opět jen krátkodobá, v řádu jednotek sekund jednou za 15 minut. Samotný převod hodnoty kapacity senzoru tlaku probíhá prostřednictvím Sigma-Delta modulace porovnávání tlakově proměnného IOP proudu (generován snímacím kondenzátorem CMEMS ) a referenčního proudu generovaný prostřednictvím spínání dvojce pevných kondenzátorů C1/C2, které slouží pro eliminaci nežádoucí vlivů (změny teploty, napájecího napětí, spínací frekvence atd.). Konkrétně se využívá technologie spínaných kondenzátorů pro převod hodnoty kapacity na el. proud, následné integrace el. proudu prostřednictvím integračního kondenzátoru jeho střídavým nabíjením referenčním proudem a vybíjením proměnným IOP proudem a porovnáním doby nabíjení a vybíjení. Tento způsob převodu změny kapacity na digitální hodnotu nejsnáze eliminuje vliv negativních jevů na samotné měření při zachování dostatečné jednoduchosti konstrukce převodníku a velmi dobré přesnosti měření 0,5 mmHg.   

Provedení bezdrátového komunikačního vysílače / přijímače s vyznačením aktivních částí při příjmu, resp. vysílání.

Největší "žrout" je pak samozřejmě již zmíněná komunikační bezdrátová část tvořená dvěma integrovanými cívkami (anténami)  o celkové ploše 0,4 m2, která v aktivním režimu může sice jen velmi krátkodobě, ale přesto spotřebovávat až 47 mW. Protože by toto sama baterie "neutáhla", obsahuje struktura ještě integrovaný kondenzátor, který pomáhá baterii energeticky překlenout velmi krátkodobé, ale dost výkonné špičky. Komunikace probíhá v podobě FSK modulace dvěma pevnými frekvencemi 570MHz (f0) a 690MHz (f1), které se elektronicky přepínají prostřednictvím spínacích tranzistorů. Dostatečně velký rozestup frekvencí modulace rozestup umožňuje dosahovat komunikační vzdálenost cca 10 cm  při chybovosti přenosu BER pouze 10-6. 

Závěr

Celý systém je moc pěkný a ukazuje smysluplné využiti současných možností moderních technologií. Zvláště ukázka možného řešení směru vývoje kompaktních inteligentních senzorů systémů z pohledu možnosti dlouhodobého plně autonomního bezdrátového provozu, kdy si systém plně vystačí se svými prostředky.

Zájemce o bližší informace o konstrukci a parametrech IOP senzoru, výsledky reálných zkoušek a měření odkazuji na anglický dokument Millimeter-Sensor-%20ISSCC-2011.pdf, který je plný snadno pochopitelných tabulek, grafů a schémat zapojení i pro špatně anglicky rozumící čtenáře. 

Odkazy:

Hodnocení článku: