Jan-Hein Broeders, Analog Devices Ltd.
העולם ללא אלקטרוניקה! קשה לדמיין זאת מאחר שהאלקטרוניקה מהווה חלק מחיי היום-יום שלנו במגמה לעשות את פעולותינו ודרך החיים שלנו יותר קלות ויותר נוחות. מלבד יישומים בתקשורת, ניווט ופנאי אנחנו עדים גם לתזוזה לעבר הטיפול הרפואי. באמצעות השילוב בחיי היום-יום שלנו קיימת הזדמנות גוברת לקראת טיפול ביתי. סוגים רבים של ציוד הופכים לזמינים במטרה לתמוך במטופלים בעלי מחלות כרוניות, למדוד את הפרמטרים החיוניים שלנו או להפיק אזעקה כאשר התרופה לא נלקחה או כאשר נוצר מצב המעורר דאגה. כל המדידות הללו צריכות להתחבר לעולם הממשי, בו לחיישנים יש תפקיד חשוב. ל-Analog Devices
() יש עבר ארוך במוצרי חישה ולאחרונה השיקה מד-תאוצה MEMs חדש לחלוטין בעל הספק נמוך במיוחד, המודד תנועה בשלושה צירים והוא אידיאלי עבור יישומי טיפול רפואי ביתי, הרגישים בד”כ לפיזור ההספק ומוזנים לעתים קרובות על-ידי סוללת-מטבע יחידה.
עם ה-ADxL362, נולד מד-תאוצה (Micro – Electro – Mechanical System) תלת-צירי בעל הספק זעיר. ל-ADI יש היסטוריה ארוכה בפיתוח וייצור מוצרי MEMs. ה-ADxL362 הוא פורץ-דרך בכך שהוא צורך פחות מ-2 מיקרו-אמפר בקצב נתוני מוצא של 100 הרץ.
איור 1 מציג את הדיאגרמה המלבנית של ה-ADxL362. ההתקן בנוי על חיישן MEMs תלת-ממדי ו-ASIC משולב, המזין את החיישן ומכין את האותות המגיעים מהחיישן. ההתקן מודד תאוצה דינמית הנובעת מתנועה אך הוא גם מסוגל לגלות תאוצה סטטית כגון הטייה או הלם. מאחר שכלול בו ממיר אנלוגי לדיגיטלי, נתוני המדידה יהיו זמינים בצורה דיגיטלית במוצא של הממשק SPI הטורי שלו.
מרכיב החישה של ההתקן הוא יחידה בעלת משטח עשוי פולי-סיליקון, המורכב על קפיצים ומסוגל לנוע בעזרת כוחות תאוצה בכל שלושת הצירים. סטיית המבנה נמדדת בעזרת קבלים, הבנויים מאצבעות קבועות ואצבעות נעות צמודות אל הגוף (ראה איור 2). התאוצה נוצרת עקב חוסר איזון של הקיבול, היוצר מוצא של חיישן כאשר האמפליטודה שלו יחסית לתאוצה. ADI משתמשת בפענוח רגיש למופע כדי לקבוע את האמפליטודה והקוטביות עבור התאוצה.
מדוע ה-ADxL362 הוא כל כך מעניין לגבי שוק הטיפול הרפואי הביתי?
בעוד אוכלוסיית העולם מתרבה ומזדקנת, אנחנו נעים במהירות אל מצב מאתגר. דרוש יותר טיפול רפואי שמספקי השירותים יכולים לתמוך בו ובמקביל עלות הטיפול הרפואי עולה מעריכית (אקספוננציאלית). התקני טיפול ביתי הם הצעד הראשון לקראת תמיכה באוכלוסייה בעלת המחלות הכרוניות או לשם סיוע לאנשים מבוגרים לשמור על עלויות נמוכות ככל האפשר. מאחר שמערכות רבות בתוך הבית ומסביב לו הן ניידות ורובן מוזנות על-ידי סוללות, פיזור ההספק הוא מפרט קריטי כדי למרב את משך חיי הסוללה. ה-ADxL362 יכול לסייע כאשר יש צורך למדוד תנועה או תזוזה ברמות ההספק הנמוכות ביותר האפשריות.
ההתקן תומך במצב מדידה, בו הוא קורא ברציפות נתוני תאוצה מכל שלושת הצירים. רוחב-הפס ונתוני המוצא ניתנים לבחירה מ-12,5 הרץ עד 400 הרץ. עבור קצבי נתוני המוצא הגבוהים ביותר של 400 הרץ, צריכת ההספק האופיינית של השבב היא פחות מ-3 מיקרו-אמפר במתח הזנה של 2 וולט. לדוגמה: מנטר פעילות. התקן זה הוא אקטיבי רוב הזמן כדי למדוד לדוגמה פעילות מאנשים מחלימים או מבוגרים. סנכרון מצב הגוף עם הפעילות היום-יומית עשוי לסייע. במקרה של תנועות חסרות, או בעת גילוי מצב הגוף שאיננו תואם את הקריאה הצפויה, ניתן לקבוע חיבור קולי או וידאו אל אחות באמצעות מערכת אזעקת אחות אוטומטית, או שניתן להפעיל אזעקה חיצונית.
יישום אחר עשוי להיות מערכת המבצעת השכמה אוטומטית כאשר היא מגלה תנועה. לדוגמה תרמומטר, מד לחץ-דם או מכשיר שמיעה. עבור מערכות אלו ניתן להשתמש במד-תאוצה לשם השכמה והפעלה אוטומטית של המערכת כאשר נוגעים בה או מזיזים אותה. היא יכולה גם להדריך את המשתמש בעזרת צלילים או קולות כיצד להפעיל את ההתקן. ל-ADxL362 צריכת הספק במצב ההשכמה הנבחר של 300 ננו-אמפר במתח הזנה של 2 וולט. צריכת הספק נמוכה זו מושגת על-ידי הקטנת מספר המדידות של התנועה עד כדי 6 לשנייה. אם מגלים תנועה, מד-התאוצה יכול להגיב בצורה עצמאית במספר דרכים, דוגמת המיתוג למצב רציף של רוחב-פס מלא, הפקה של הפסקה של המיקרו-בקר או על-ידי יקיצה של חלקים אחרים של האלקטרוניקה במערכת. איור 2 מציג דוגמה בה ה-ADxL362 מפעיל מתג הספק לשם הזנה של מעגלים אחרים.
ביחד עם גילוי הפעילות, ניתן לבחור גם רמות-סף אחדות כמו גם זמן ההפעלה. אם לדוגמה לא נוגעים בהתקן, קיים כוח סטטי של 1g המופעל על-ידי כוח המשיכה. ניתן לקבוע תיחול לכך שאם כוח המשיכה של 1g פוחת למשך תקופת זמן מסוימת (אותה ניתן לתכנת), אפשר לעורר את המערכת. דבר זה פועל בשני הכיוונים כך שניתן לנצלו כדי להזין או לנתק את ההספק מהמערכת. הפונקציות המתוארות לעיל ניתנות לחיבור אל שני ביטים של מצב פרטני, בהתאמה “ער” ו-“ישן”. ניתן למפות ביטים אלה לפינים מפסיקים חיצוניים שניתן להשתמש בהם כממשק למיקרו-בקר של המערכת.
במצב הכן פיזור ההספק הוא הנמוך ביותר ברמה של 10 ננו-אמפר. במצב זה, כל תפקוד החיישן מנותק וה-ADxL362 לא יהיה מסוגל להפיק כל הפסקה.
בחירת קצב הנתונים במוצא ותחומי מדידה שונים
ה-ADxL362 מודד תנועה ומספק מדידות אלו בקצבי נתונים שונים. בתלוי ברוחב-הפס של האות הדרוש ופיזור ההספק המוצר, ניתן לתכנת את קצב הנתונים במוצא (output data rate – ODR) מ-12,5 הרץ עד 400 הרץ. על-ידי בחירה של קצב נתונים מסוים, הקוטב הפנימי של מסנן המעביר נמוכים (anti-aliasing filter) מתמתג אוטומטית ל-1/4 או 1/2 של ה-ODR בהתבסס על מחצית רוחב-הפס כדי להבטיח את דגימת Nyquist ולחזות את ה-aliasing. צריכת הזרם של ה-ADxL362 מתואמת ל-ODR ולמתח ההזנה. איור 3 מראה את צריכת הזרם בתלות ב-ODR ומתח ההזנה.
ל-ADxL362 יש תחומי מדידה מיתכנתים של ±2g, ±4g ו±8g. מאחר שהתאוצה מומרת תמיד על-ידי ממיר 12, הרגישות מכוילת בתחום ה-g. רמת ה-LSB בתחום ה-g הנמוך ביותר של ±2g היא 1mg, כאשר היא עולה ליניארית עד 4mg בתחום של ±8g. ההיסט המוחלט עבור צירי ה-X וה-Y הוא 35mg ועבור ציר ה-Z הוא 50mg. לאחר שההתקן תוכנת לקראת תחום מדידות מסוים, כאשר התאוצה עוברת את התחום הזה החלק רק ישמיע צליל ולא יינזק.
למרות שהחיישן פותח כדי למדוד בעיקר כוחות g נמוכים, הוא לחלוטין חסין כנגד כוחות גדולים והלמים. מאחר שמסת המרכיב הנע היא מאוד קלה, היא עומדת בכוחות g עד 5000g מבלי להינזק. כוחות אלה נראים חזקים, אולם כאשר השבב מולחם בהתקן בעל מסה כלשהי, כוחות ה-g עשויים לעלות במהירות במקרה של נפילה. במיוחד, ביישומים דוגמת גלאי נפילה, זהו היבט חשוב ביותר.
גילוי נפילה חופשית הוא תכונה מובנית נוספת הנתמכת על-ידי ה-ADxL362. בשעה שחפץ נמצא בנפילה חופשית אמיתית, התאוצה בכל הצירים היא קרובה ל-0. עם זאת, גילוי נפילה חופשית מושג על-ידי ניטור המוצאים של כל הצירים, שאמורים להיות קרובים ל-0g למשך תקופת זמן מסוימת. כאשר מגלים נפילה חופשית, ניתן ליצור הפסק לשם ניתוק המערכת, מתן אזעקה או קריאה למשטרה.
רעש נמוך יותר או פחות הספק?
יישומים מסוימים אכן דורשים גילוי תנועה מבלי להיות מדויקות מאוד, בשעה שיישומים אחרים מקפידים יותר על הדיוק, כמו mg ברמת LSB ורעש. בהתאם לדרישות, ה-ADxL362 מציע את האופציה להפחית את הרעש על-ידי העלאה קטנה בצריכת הזרם. ביצועי הרעש בפעולה רגילה הם בד”כ 7LSB ברוחב-פס של 100 הרץ. עבור רוב היישומים רמה רגילה זו היא מתאימה, אולם כאשר דרוש רעש טוב יותר, יש שני סוגי פעולה נוספים זמינים אשר יפחיתו את רמת הרעש תמורת צריכת הספק גבוהה יותר.
טבלה 1a מראה את העלייה בזרם שקט ביחס לשיפור ברעש. דבר זה תלוי גם במתח ההזנה, כמוצג בטבלה 1b. עלייה ב-Vcc גורמת גם לצריכת זרם גבוהה יותר אולם מקנה שיפור נוסף בביצועי הרעש.
בדיקה עצמית בחיישן טמפרטורה
האמינות ביישומים רפואיים היא גורם חשוב. ביישומים אחדים, בדיקה עצמית היא פעולה הכרחית, בשעה שיישומים אחרים מתייחסים לכך רק כגורם רצוי. ה-ADxL362 כולל תכונה של בדיקה עצמית הבודקת בצורה יעילה את המערכת המכנית והאלקטרונית בו-זמנית.
כאשר הבדיקה העצמית היא פעילה, מפעילים כוח אלקטרו-סטטי כדי להניע את מרכיב החישה המכני בצורה דומה לחיבור התאוצה. כוח אלקטרו-סטטי זה יצור שינוי במוצא בכל שלושת הצירים. בהתאם לצורכי היישום והמשתמש, בדיקה עצמית זו תבוצע בצורה סדירה במהלך הפעולה הרגילה, או לדוגמה כל פעם שמפעילים את המערכת.
חיישן טמפרטורה מובנה משולב במטרה למדוד את טמפרטורת הפעולה של ה-ADxL362. ניתן להשתמש בו גם כייחוס לשם פיצוי על השגיאות המופיעות בשל שינוי הטמפרטורה.
איזה שווקים ויישומים אמורים לשרת?
מלבד מתג השכמה בתנועה, ה-ADxL362 איננו מערכת בפני עצמה, כך שהוא דורש מיקרו-בקר כדי לבנות את היישום הסופי. במקרה של יישום פדומטר (pedometer), יש לרשום את נתוני התנועה ובמקרה של גילוי נפילה, יש צורך לשגר אות אזעקה במהירות האפשרית. כדי לתמוך בפעולות אלה, ה-ADxL362 יכול לפעול ללא דבק עם ה-ADuCRF101, מעבד מבוסס Cortex M3 עם רדיו sub 1Ghz משולב. למעבד יש אופני הספק שונים כדי לחסוך הספק לפי דרישה. פסיקה מה-ADxL362 עשויה לעורר את המעבד לשם קריאה ואגירה של נתונים מהחיישנים FIFO. כאשר ה-ADxL362 הכולל את ה-ADuCRF101 משמש במערכת לגילוי נפילות, גילוי נפילה חופשית עשוי ליצור פסיקה ולשגר אזעקה בעזרת הרדיו המשולב ISM. מערכת הדגמה מלאה תוכננה והיא זמינה עם חיישנים שונים כדי לתמוך ביישומים אלה. בנוסף לחיישני תנועה, גם חיישני קול, טמפרטורה וקצב-לב משולבים לשם איסוף נתונים.
איור 4 מראה דיאגרמה מלבנית של פלטפורמת ההערכה הזמינה בעלת חיבור אלחוטי בין החיישן והמארח. כאשר דרוש שידור לטווחים ארוכים, רדיו בלוטות (Bluetooth) בעל אנרגיה נמוכה עשוי להוות בחירה טובה. מאחר שלרוב האנשים יש טלפון נייד, ניתן להשתמש בכך כרכזת להורדת נתונים או לשליחת אזעקה לרופא או לספק שירותי בריאות כלשהו.
עם היכולת של שילוב נוסף על סיליקון ברמות הספק שעדיין פוחתים, ישנם הרבה יישומים בהם ניתן לשלב אלקטרוניקה לצורכי ערך מוסף. כך לדוגמה מחלקי תרופות, מנטרי CPR וחיישני הלם כדי להגן על ציוד יקר בפני תביעות אחריות. כבלי חשמל או סוללות גדולות יכלו להגביל בעבר את השימוש או להפוך אותו לפחות מושך, אולם עם הניצול של גיאומטריות עדינות יותר ותהליכי פיזור הספק נמוכים יותר, נולדו הרבה יותר יישומים. עם רמות הספק דוגמת ה-ADxL362, ניתן להשתמש כיום במוצרי MEMs בהתקנים מושתלים כדי לתמוך לדוגמה בקוצבי-לב או ב-Implanted Cardioverter Defibrillators (). המשפחה תורחב עם שני מוצרים נוספים, האחד בגורם צורה קטן יותר עבור יישומים בעלי ממדים קריטיים, והתקן נוסף בעל מבוא נוסף ל-ADC, שניתן להשתמש בו לממשוק חיישנים נוספים במערכת. בשילוב עם Energy Harvesting Technology, אנחנו קרובים מאוד למערכות עצמאיות אמיתיות אשר ישפרו את חיינו היום-יומיים.
