Thiết kế cặp quang 660nm/905nm cho đo độ bão hòa oxy trong máu: Khớp bước sóng, Đóng gói và Quy trình SMT

Tại sao cặp bước sóng không phải là sự lựa chọn tự do

Đo độ bão hòa oxy bằng xung hoạt động bằng cách so sánh lượng ánh sáng hấp thụ ở hai bước sóng khi máu chảy qua mô. Hemoglobin đã oxy hóa và chưa oxy hóa hấp thụ khác nhau, và cách mà sự khác biệt đó thay đổi giữa hai bước sóng cho phép tính toán độ bão hòa oxy.

Công ty TNHH Yiyang Infrared Semi-conductor Thành phố Giang Môn (Yiyang Optoelectronics YY) phát triển và đóng gói các thành phần phát và thu hồng ngoại cho các ứng dụng giám sát y tế tại Giang Môn, Quảng Đông, sản xuất các bộ phát hai bước sóng và bộ thu photodiode được thiết kế như các cặp tương thích cho các đầu dò đo độ bão hòa oxy.

Do đó, sự kết hợp bước sóng là một quyết định đo lường, không phải sở thích thiết kế:

Hai hệ quả theo sau. Cặp đôi phải giữ nguyên cặp. Thay đổi một bước sóng mà không tái xác định hiệu chuẩn sẽ làm vô hiệu hóa việc đo lường, vì vậy một đầu dò được xây dựng với sự kết hợp 660nm/940nm không thể thay thế cho thiết kế 660nm/905nm. Độ nhất quán của lô hàng quan trọng hơn hiệu suất tuyệt đối. Bởi vì độ bão hòa được tính toán từ tỷ lệ, những thay đổi nhỏ ở bất kỳ bước sóng nào cũng tạo ra một lỗi tỷ lệ trong kết quả; một nhà cung cấp có các bộ phát trôi dạt giữa các lô hàng sẽ sản xuất các đầu dò cần phải hiệu chuẩn lại giữa các lô hàng.

Bộ phát: Hai chip, Một gói

Một bộ phát SpO₂ hai bước sóng tích hợp cả hai chip trong một thân duy nhất thay vì kết hợp hai đèn riêng biệt trên bảng mạch. Hai loại gói là tiêu chuẩn.

Tích hợp cả hai chip trong một gói không chỉ đơn thuần là sự tiện lợi. Nó cố định khoảng cách trung tâm và hướng của hai chip phát sáng tại nhà máy, điều này giúp cho hai kênh chiếu sáng cùng một thể tích mô qua cùng một đường quang học. Trong thiết kế hai đèn riêng biệt, hình học đó được xác định bởi độ chính xác đặt hàng của khách hàng và có thể thay đổi giữa các đơn vị; trong một gói tích hợp, nó là một thuộc tính được kiểm soát của bộ phận.

Biến thể SMD mang lại một lợi ích bổ sung cho sản xuất đầu dò số lượng lớn: một thiết bị gắn bề mặt 2 chân có thể được đặt bởi cùng một dây chuyền tự động như photodiode, vì vậy toàn bộ cặp quang học được định vị bởi một máy với một bộ dấu hiệu.

Bộ thu: Phù hợp với cặp, không được chọn độc lập

Photodiode trong thiết kế SpO₂ được chỉ định dựa trên cặp bộ phát, và bốn thông số xác định sự phù hợp.

Phản ứng tuyến tính là yêu cầu thường bị bỏ qua nhất. Tính toán độ bão hòa là một tỷ lệ của các tỷ lệ, và nó giả định rằng dòng quang điện tỷ lệ với công suất quang nhận được trên toàn bộ phạm vi làm việc. Một bộ thu nén ở mức ánh sáng cao, hoặc trôi dạt ở mức thấp, làm biến dạng tỷ lệ — và lỗi kết quả là hệ thống, không ngẫu nhiên, vì vậy nó không trung bình ra qua các phép đo.

Các gói được sử dụng cho phía bộ thu theo loại đầu dò: bộ thu photodiode DIP vuông với cửa sổ nhạy sáng lớn và chân mạ vàng cho các đầu dò tái sử dụng, và bộ thu SMD vuông mini với pad mạ vàng cao cho các đầu dò dùng một lần và mô-đun đeo mỏng, nơi không gian PCB là rất quý giá.

Hình học quang học và thiết kế của đầu dò

Bộ phát và bộ thu phải được định vị sao cho đường đi của ánh sáng đi qua thể tích mô quan tâm, và hình học bị ràng buộc bởi vật lý chứ không phải bởi sở thích.

• Khoảng cách tách biệt. Quá gần, và ánh sáng đến bộ phát hiện mà không đi qua mô nhịp, giảm độ sâu điều chế mà thuật toán phụ thuộc vào. Quá xa, và tín hiệu giảm xuống dưới mức nhiễu của bộ thu.
• Căn chỉnh và chắn sáng. Kết nối quang học trực tiếp giữa bộ phát và bộ thu — ánh sáng vượt qua hoàn toàn mô — thêm một đường cơ bản không đổi mà không mang thông tin bão hòa và giảm độ điều chế có thể sử dụng. Thiết kế đầu dò sử dụng các rào cản không trong suốt giữa hai bên.
• Loại bỏ ánh sáng môi trường. Một thân bộ thu epoxy đen đã lọc chặn ánh sáng nhìn thấy trong nhà và ngoài trời, đó là lý do tại sao bộ thu đã lọc màu đen là sự lựa chọn tiêu chuẩn thay vì một cái trong suốt.

Cung cấp bộ phát và bộ thu như một cặp tương thích từ một nhà sản xuất là cách thực tế để kiểm soát điều này: các chip phát sáng có mối quan hệ đã biết với nhau, cửa sổ của bộ thu là một khu vực đã biết, và công việc đặt hàng của khách hàng được giảm xuống chỉ còn một nhiệm vụ căn chỉnh.

Quy tắc quy trình SMT quyết định năng suất đầu dò

Đối với các cụm SpO₂ gắn bề mặt, thông số quy trình là một phần của thông số thành phần. Bốn quy tắc xác định xem một lô sản xuất có tạo ra các đầu dò hoạt động hay không.

1. Kiểm soát nhiệt độ đỉnh tái chảy. Nhiệt độ đỉnh khuyến nghị ≤260 °C với thời gian tiếp xúc nhiệt độ cao khoảng 10 giây. Vượt quá điều này sẽ làm hỏng chip và tạo ra một đầu dò vượt qua kiểm tra hình thức nhưng thất bại về quang học.
2. Xác định cực trước khi đặt. Các ký hiệu trên mặt sau xác định cực dương và cực âm. Một bộ phát hoặc bộ thu kết nối ngược không hoạt động, và lỗi này không thể nhìn thấy sau khi tái chảy.
3. Căn chỉnh đường đi quang học. Bộ thu phải được định vị sao cho khu vực được chiếu sáng của bộ phát hoàn toàn phủ kín cửa sổ nhạy sáng. Việc phủ kín một phần làm giảm diện tích hiệu quả và do đó tín hiệu, và đây là một vấn đề đặt hàng chứ không phải vấn đề thành phần.
4. Xử lý chống ẩm. Các bộ phận gắn bề mặt được cung cấp trong băng keo chống ẩm chân không. Khuyến nghị lắp đặt trong vòng 24 giờ sau khi mở; lưu trữ lâu hơn nên giữ kín và chống ẩm. Độ ẩm hấp thụ gây ra hiện tượng tách lớp và nứt trong quá trình tái chảy — một lỗi xuất hiện sau khi lắp ráp, không phải trước đó.

Hai kiểm soát sản xuất bổ sung đáng được đề cập cho sản xuất cấp y tế. Điều kiện đóng gói không bụi ngăn ngừa ô nhiễm hạt trên các bề mặt quang học, điều này làm tán xạ ánh sáng và giảm tín hiệu. Kiểm tra đầy đủ dòng quang điện, dòng tối và phản ứng quang phổ trên mỗi lô hàng là điều chuyển đổi thông số vật liệu thành đảm bảo tính nhất quán có thể giao hàng, và đó là lý do tại sao khách hàng y tế yêu cầu dữ liệu thử nghiệm thay vì chỉ một chứng chỉ.

Danh sách kiểm tra thông số cặp quang SpO₂

1. Cặp bước sóng được nêu là 660nm và 905nm, với độ dung sai của từng kênh.
2. Yêu cầu nhất quán về phân loại được nêu rõ, vì tính toán tỷ lệ chuyển đổi độ trôi bước sóng thành lỗi đo lường.
3. Gói bộ phát được chọn cho loại đầu dò — DIP cho các đầu dò tái sử dụng, SMD cho các thiết kế dùng một lần và nhỏ gọn.
4. Phạm vi quang phổ của bộ thu được xác nhận bao gồm cả hai kênh — 400–1100nm — với thân đã lọc màu đen để loại bỏ ánh sáng môi trường.
5. Dòng tối được chỉ định là cực thấp với độ thiên và điều kiện nhiệt độ của nó.
6. Phạm vi phản ứng tuyến tính được nêu rõ, vì thuật toán tỷ lệ giả định điều đó.
7. Khu vực nhạy sáng được nêu rõ và phù hợp với khu vực được chiếu sáng tại hình học làm việc.
8. Bộ phát và bộ thu được cung cấp như một cặp tương thích để cố định khoảng cách quang học trung tâm.
9. Giới hạn SMT được chỉ định — nhiệt độ đỉnh tái chảy ≤260 °C, thời gian tiếp xúc ≤10 s, đánh dấu cực, và khoảng thời gian lắp đặt 24 giờ từ băng keo chân không.
10. Dữ liệu thử nghiệm lô hàng được đồng ý cho dòng quang điện, dòng tối và phản ứng quang phổ, cộng với tuân thủ RoHS và không chứa chì cho xuất khẩu.

Các cặp quang học giữ hiệu chuẩn của chúng

Trong đo độ bão hòa oxy bằng xung, sự lựa chọn thành phần không thể tách rời khỏi việc đo lường: cặp bước sóng được cố định bởi vật lý, gói cố định hình học, và quy trình cố định năng suất. Chỉ định bộ phát và bộ thu cùng nhau, với độ dung sai và giới hạn quy trình được nêu rõ, là điều tạo ra một đầu dò đo lường giống nhau trên đơn vị đầu tiên và đơn vị thứ một nghìn.

Gửi cho chúng tôi loại đầu dò của bạn, hình học mục tiêu và thể tích, và chúng tôi sẽ trả lại thông số bộ phát và bộ thu tương thích với các bước sóng, tùy chọn gói, dòng tối và dữ liệu tính tuyến tính, cùng với yêu cầu xử lý SMT được xác nhận — cùng với mẫu cặp để đánh giá quang học.