如何选择合适的电子材料制作医疗设备?

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随着世界许多地区生活水平的提高,人类的平均寿命正在稳步增长。寿命的延长是值得庆祝的事情。但是,更长的使用寿命也会带来挑战。根据世界卫生组织的数据,到2050年,全球六分之一的人将达到65岁或以上,几乎是2019年的两倍。


人口老龄化对医疗的需求更大,给卫生当局带来了越来越大的压力。医疗技术可以克服这些挑战,并以经济高效的方式向更多人提供更高质量的医疗保健。

如何选择合适的电子材料制作医疗设备?

当今的医疗保健提供者可以使用功能更强大,更可靠和更多样化的工具,以帮助诊断和治疗患者。还有一些非侵入性可穿戴设备,例如个人监视器,可以帮助患者测量其生命体征,例如心率,血压和血糖,并可以将结果记录并远程报告给护理协调员。当今最小的医疗设备包括可帮助维持生命和治疗慢性病的微型植入物,例如用于矫正听力损失的人工耳蜗,以及可帮助管理心律失常等心脏起搏器。


对电子的需求


连续几代的电子组件正变得越来越小,越来越节能,更加精确和灵敏,并且通过提供更易用的功能和增强的功能,有助于使当今的先进医疗设备出现并不断改进。


通常需要诸如可穿戴设备和可植入设备之类的医疗设备连续运行,这使低功耗成为必不可少的要求,并且具有极高的可靠性。另一方面,诸如扫描仪之类的设备通常必须处理高脉冲负载,而诸如紧急除颤器之类的其他设备必须长时间处于非活动状态,但准备好在需要时立即启动并完美运行。


为了确保诸如滤波和去耦电路中使用的电容器之类的组件的可靠性,医疗级设备等陶瓷电容器(MLCC)会在高压和高温下烧入。随后根据军用标准MIL-PRF-55681和MIL-PRF-123对它们进行了检查和测试。这些是行业中最苛刻的测试方法,可确保极高的可靠性(图1)。

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图1. KEMET M3医疗级MLCC已通过军事标准测试。


在面临极端尺寸限制的应用中,例如在最小的可穿戴和可植入设备中,可以选择钽电容器以实现高容积效率。为最大限度地提高固态钽和聚合物钽电容器的可靠性而开发的下一代技术,与先进的筛选和测试程序相结合,可以提供性能和寿命的极高保证。


关键的挑战是防止在制造过程中使用的有机化合物陷入高纯度钽阳极材料中。在烧结过程中,这些捕获的杂质使缺陷能够在阳极中形成,并沉淀出结晶的氧化钽,从而可能损坏介电材料。独特的有机润滑剂和清洗工艺可确保在烧结之前除去所有杂质,从而消除了潜在缺陷的可能性。


聚合物钽阴极技术使制造商能够生产出等效串联电阻低于电解钽类型的钽电容器,并且具有出色的浪涌能力,允许设计人员指定更小的电容器,以节省更多空间。在普通的聚合物钽电容器中,热应力和电压应力会导致阴极膜分层,特别是在高湿度环境中,导致电阻增加和器件故障。最新的聚合物阴极材料对应力和分层的抵抗力更强,并且更不易受潮。因此,它们在恶劣环境下显示出更一致的ESR,并具有出色的可靠性。


筛选与测试


测试击穿电压(BDV)是筛选钽电容器的有效方法。低BDV表示电介质中存在缺陷。但是,BDV测试具有破坏性,只能应用于任何批次的组件样品。无损模拟故障筛选(SBDS)可以评估100%的组件。


筛选之前,通过从每个生产批次中采样确定平均BDV。屏蔽时,电容器与电阻器串联,施加的电压等于平均BDV的1.3-1.5倍。SBDS可以分析电压与时间的充电曲线,从而可以推断出电介质的纯度,而又不会使器件遭受破坏性的过应力。


可以使用SBDS筛选高纯度F-Tech MnO2钽电容器,以提供极高的可靠性保证(图2)。作为制造过程的一部分,还可以将浪涌阶跃应力测试(SSST)应用于电容器样品,以验证阴极顶部涂层的完整性。需要良好的顶部涂层来保护电介质免受开机应力的影响。

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图2. KEMET T497 MnO2电容器采用F-Tech技术,部分型号提供SBDS。


最后,KEMET开发的聚合物电容器可靠性评估测试(PCRAT)建立了一种测试规范,该规范比以前应用于MnO 2钽器件的MIL-PRF-55365规范更适合于聚合物钽电容器。PCRAT使用优化的温度和电压加速技术来准确预测已安装零件的寿命。


除了确保可靠性外,最大限度地降低功耗是小型设备(例如电池供电的可穿戴显示器)设计人员的主要关注点。终生密封设计通常是优选的,以消除患者干预,无论出于任何原因,包括更换电池,以最大程度地减少测量错误或设备损坏的可能性。除了在可能的情况下选择低功率组件和技术以延长电池寿命外,还可以使不定期使用的设备(例如血压计或台式血糖仪)通过在不使用时掉电来节省功率。


热释电红外传感器使设备能够在用户接近时通过接近检测唤醒。这些传感器可以与透镜一起使用,也可以不与透镜一起使用,从而可以灵活地优化检测范围。图3中所示的传感器旨在通过固体塑料或玻璃材料(例如设备外壳)检测人的存在。该器件在微安级范围内消耗极低的工作电流,因此有助于降低总体功耗。

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图3. KEMET PL系列热释电传感器检测人体是否接近,以控制省电的省电模式。


期待


改进的组件制造和筛选过程在提供可靠性保证方面至关重要,设计师需要设计师继续提供新的医疗设备,以增强医疗保健并使之民主化。


应用于MLCC的MIL-PRF测试以及钽电容器的高纯度F-Tech制造,结合SBDS和PCRAT筛选,都是为确保最佳质量的组件在理想条件下进入供应链而开发的示例。此外,利用诸如KEMET的K-SIM仿真器之类的设计工具来计算目标应用中的器件寿命,可帮助设计人员选择最合适的器件技术,电容和额定电压来满足他们的要求。


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