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 . 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. 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,