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

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

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

.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

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

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

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

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