為滿足可植入醫(yī)療設(shè)備對(duì)更小型混合元件的需求,人們不斷改進(jìn)微控制器(MCU)——或?qū)S眉呻娐罚ˋSIC)——及電源系統(tǒng)的混合布局與封裝技術(shù)。無(wú)源元件在大規(guī)模制造設(shè)施內(nèi)生產(chǎn),并通過優(yōu)異的工藝控制來(lái)減小不同批次間的差異。相對(duì)于商用元件,醫(yī)療元件要求在更小的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的可靠性和性能水平。在元器件制造方法上,可以采取多種方案縮小混合元件和電路板占用的空間,同時(shí)提高可靠性。
電容器選型標(biāo)準(zhǔn)
每種電容器技術(shù)都有自身獨(dú)特的屬性,在針對(duì)最終應(yīng)用進(jìn)行產(chǎn)品選型時(shí)應(yīng)將這些屬性視為具體參考標(biāo)準(zhǔn)的一部分。
圖1
醫(yī)療設(shè)備用固體鉭電容器的外殼尺寸為0402(0.045in×0.026in×0.024in),其低高度有助于節(jié)省空間。此外,還有1210 T外殼尺寸(0.138in×0.11in×0.063in)的可靠、大容量固鉭電容器。
圖2
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磁性元件選型標(biāo)準(zhǔn)
大多數(shù)磁性元件都是為適配特定醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用的有限空間、由醫(yī)療設(shè)備制造商和磁性元件公司的工程師合作而定制設(shè)計(jì)的。針對(duì)可植入設(shè)備定制的磁性元件一般由骨架式變壓器、環(huán)形線圈變壓器、模壓電感器以及具有獨(dú)特性能和形狀的天線構(gòu)成。此外,可以采用各種各樣的磁芯材料和形狀優(yōu)化性能,以滿足不同應(yīng)用的需求。
在討論了尺寸、價(jià)格和性能的權(quán)衡后,即可將目標(biāo)鎖定在與空間要求相匹配的最具成本效益和性能最佳的元件上。設(shè)計(jì)工作一經(jīng)完成,即可制定嚴(yán)格的制造流程、控制及測(cè)試程序,從而確保產(chǎn)品在尺寸和磁性能方面達(dá)到最高的質(zhì)量水平并實(shí)現(xiàn)最佳的可靠性。小型設(shè)計(jì)通常需要進(jìn)行3D CAD仿真,以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的元件布局和原型設(shè)計(jì)。
在定制磁性元件的制造過程中,會(huì)用到各種各樣專用空心線圈、骨架及環(huán)形線圈繞制設(shè)備。這種設(shè)備具有嚴(yán)格受控的關(guān)鍵電氣性能要求。關(guān)鍵尺寸的測(cè)量會(huì)使用光學(xué)測(cè)量?jī)x器等檢驗(yàn)設(shè)備。定制設(shè)計(jì)的測(cè)試臺(tái)和夾具可以監(jiān)控和測(cè)試電氣參數(shù)。利用這些自動(dòng)測(cè)試臺(tái)可進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,從而確保設(shè)計(jì)的可制造性。
不同醫(yī)療設(shè)備所使用的磁性元件尺寸和形狀大不相同,依據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景而定。0402小尺寸電感器(0.040in×0.020in)用于遙測(cè)/通信應(yīng)用。這些電感器可以是打線式的,采用陶瓷芯制成,最大電感值可達(dá)150nH。
圖3
電阻器選型標(biāo)準(zhǔn)
標(biāo)準(zhǔn)的薄膜和厚膜表面貼裝電阻器的外殼尺寸在0402~2512之間。電阻器選型標(biāo)準(zhǔn)包括脈沖處理能力、工作電壓、工作溫度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。打線式電阻器的尺寸范圍為0.015in×0.015in×0.010in(額定功率為125mW)至0.055in×0.055in×0.010in(最大電阻值為30MΩ;工作電壓為100V)。
圖4
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高可靠性測(cè)試
對(duì)醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用來(lái)說,避免無(wú)源元件的災(zāi)難性失效和漂移失效是頭等注意事項(xiàng)。歸根結(jié)底,產(chǎn)品可靠性預(yù)測(cè)是建立在供應(yīng)商測(cè)試數(shù)據(jù)和醫(yī)療設(shè)備制造商規(guī)定的、在定義時(shí)間范圍內(nèi)的應(yīng)用工作溫度的基礎(chǔ)上的。無(wú)源元件供應(yīng)商的工藝控制是實(shí)現(xiàn)高可靠性的一項(xiàng)重要因素。通過在額定或更高電壓下抬高溫度,進(jìn)行規(guī)定時(shí)長(zhǎng)的壽命測(cè)試,可以確定無(wú)源元件的可靠性,并保證元器件可以用于重要醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用。無(wú)源元件測(cè)試是基于客戶要求和美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)(MIL)規(guī)范(若適用)進(jìn)行的。
無(wú)源元件的可靠性預(yù)測(cè)可使用基于MIL-217手冊(cè)或IEC863的在線建模程序來(lái)進(jìn)行。以下是供應(yīng)商可靠性模擬示例:
圖5
下表顯示了基于固鉭電容器韋伯(Weibull)測(cè)試的失效率預(yù)測(cè)。
圖6
可將試驗(yàn)得到的電阻器性能與MIL-PRF-55342限值進(jìn)行對(duì)比,如下表所示。
圖7
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