医疗应用：除颤器厚膜脉冲电阻

医疗设备正在走出医院的范围，服务于不断增长的社区和家庭医疗保健市场。新兴经济体的增长使人口更加富裕，因此人们更健康，寿命更长。然而，日益增长的成本压力与对医疗设备的需求不断增长并行。

特别是，分析师指出，需要更快、更低功耗、更高精度和更智能的电子设备。电子产品含量增长较高的特定细分市场包括诊断、患者监护和治疗设备，预计 2010 年至 2017 年间将以每年 9% 的速度增长。

便携式和消费类医疗设备的增长率最高。2016年，全球医疗保健设备和用品市场总额将达到4428亿美元，比2011年增长29.1%。2 数字系统不断提高的计算能力在很大程度上刺激了这一发展。

然而，由于人体本质上是模拟的，因此高度可靠的无源元件在诊断、成像、患者监护、仪器以及药物输送和配药应用等系统中始终发挥着重要作用。在设计中，每个有源 IC 大约需要 20 个无源元件。

法规和医疗保健环境的独特特征给选择电阻器等无源元件的设计人员带来了特殊的注意负担。医疗应用可分为三个代表性领域，每个领域都为电子设计人员提供了一组不同的限制。

第一个区域，接触，包括与身体有电气连接的所有设备。例如，这些设备提供用于除颤的高能脉冲，检测用于心电图 （ECG） 或脑电图 （EEG） 的生物生成信号，并测量用于呼吸或体积描记监测的身体阻抗。

成像包括 X 射线、MRI 和超声波技术，所有这些技术都对电阻元件有其特殊要求，特别是能够在非常高的电压和磁场下工作。最后，医疗仪器和分析包括静脉滴注 （IVD） 和实验室仪器，其中准确性、可重复性和稳定性至关重要。

为了减少除颤延迟时间并提高心脏骤停的存活率，卫生服务提供者越来越多地转向扩大除颤机会的策略，以增加紧急医疗服务。在一些国家，自动体外除颤器 （AED） 提供给警察、急救志愿者，甚至普通公众。

虽然自动体外除颤器（AED）对减小组件和成本提出了额外的挑战，但所有除颤器都需要稳定且可重复的充电电压测量，这决定了输送给患者的电能量。除颤器充电电路使用高压电阻器，其中高阻值电阻器通常在 5 MΩ 至 50 MΩ 范围内，低阻值电阻器为电压反馈提供电位分压器。

这种高压电阻器的关键特性是线性度（以电压系数或VCR表示）、温度系数（TCR）和电压应力下的长期稳定性。厚膜电阻器最适合这种应用。其温度特性通常呈“U”形，其限值由 TCR 表示，通常为 ±25 至 ±100 ppm/°C（图 1）。通过选择尽可能高的欧姆值（降低自发热）以及设计避免靠近发热组件的布局，可以减少TCR误差。

1. 厚膜电阻器的温度系数通常呈经典的“U”形。为了尽量减少电阻的较大变化，应根据电阻器的特性将工作温度控制在预定的最小和最大水平内。通过将电阻器工作在额定电压的最大 75% 下，可以最好地保持作为工作电压函数的长期稳定性。在尺寸限制范围内选择高欧姆值，并将电阻器放置在远离其他热源的位置，可以对线性度和稳定性产生积极影响。

1. 相比之下，电压特性仅具有负梯度，其限值由VCR表示，通常在–1至–5 ppm/V之间。 高压电阻器使用特殊的设计技术来最小化VCR，但这需要根据产品尺寸进行权衡。随着梯度在高电压下增加，只有在高达全额定电压的 75% 下运行电阻器才能减少 VCR 误差。设计人员需要选择同时具有低VCR和高额定电压的电阻器。此外，如果标称VCR是已知的，则补偿相对简单。

环境稳定性描述了在给定载荷和环境条件下不可逆电阻变化的极限。最苛刻的条件是高湿度，但一些设备使用特殊配方的高密度环氧树脂材料，在 95% 相对湿度和 40ºC 下 56 天后，典型电阻变化小于 0.25%。

脉冲保护

对于任何直接连接的监护仪（如心电图、呼吸和体积描记监护仪）来说，暴露于除颤脉冲都是一个问题。特别是，必须防止损坏此类设备的敏感输入级。

此外，更重要的是避免将除颤能量从患者身上转移，这是通过向监护仪输入电路增加电阻来实现的。这通常采用内置于引线组中的耐脉冲电阻器的形式。可以在显示器本身内提供二级保护。

保护电阻接收到的总除颤能量的百分比取决于其欧姆值，因此设计人员需要选择与监控功能要求一致的最高值。设计人员还需要考虑为应用选择的实际测试电路。此外，还为医疗设备定义了特定的电磁兼容性 （EMC） 标准 IEC601。IEC601 要求设计人员考虑引线组中的引线数量。

保护电阻的额定能量应在 1K 时的 25 J 左右，降至 10K 时的 2.5 J。当今的碳成分和高浪涌金属釉料设备支持这种性能水平。提供二次保护的PCB安装（印刷电路板）电阻器使用耐脉冲厚膜产品。保证脉冲性能的电阻器采用特殊材料和调节技术。双面电阻器在单个芯片中提供两个并联电阻元件，在不影响尺寸优势的情况下提供两倍的能量容量。

ECG 高增益放大

EAK电阻器创新也有助于心电监护仪和分析仪器中的接触式医疗应用，这些应用需要灵敏的第一级来放大小信号。在这里，反馈电阻需要高欧姆值，额定值超出通常可用的范围。为了满足这些需求，现成的扁平芯片提供高达 50 GΩ 的电阻值，而玻璃密封电阻器则将能力扩展到 100 TΩ（1014 Ω）。

成像

成像应用包括 X 射线、超声波和 MRI 系统。这些应用中的每一个对电阻元件都有自己的要求。X 射线系统需要稳定且精确的高压电源，以提供 X 射线生成的加速电压，通常在 50 kV 至 100 kV 范围内。电路通常组装在充满油的腔室中，以减少布局上的间隙限制，从而实现紧凑的 X 射线头设计。

一种有效的设计方法是使用超高压厚膜电阻器，该电阻器选自可用的专用器件，可在充油组件的单个元件中提供高达 100 kV 的电压（图 2）。电线或螺钉端接选项允许堆叠到多个电阻器组件中，而无套管版本则消除了气穴的可能性。匹配组的可用性确保了精确的比率公差，并通过消除促进了具有极低 TCR 的设计。

1. 安装在充油外壳中的电阻器特别适用于成像应用，在这些应用中，电阻器的稳定性和线性度对于用于信号生成的超高压电路至关重要。

与 X 射线成像设计相比，超声探头需要能够在高频下工作并提供多通道电阻端接的终端网络。可以生产标准或定制球栅阵列 （BGA） 薄膜电阻网络，以满足高达 15 MHz 和 128 个通道的应用要求。

MRI扫描仪给设计人员带来了进一步的挑战，特别是需要控制电路在极强的磁场中工作。组件必须不含黑色金属合金和镍，这些材料通常用于大多数类型的轴向电阻器的端接帽或作为片式电阻器的防浸出屏障。对于这些要求，应寻求无电容通孔电阻器和无镍片式电阻器。

非磁性解决方案也可用于 MRI 扫描仪的电路保护。例如，最近开发的非磁性保险丝在250 V DC时提供995 mA的典型截止电流，额定直流电流为570 mA。该保险丝的残磁性小于 1.0008，采用表面贴装倒装芯片封装，可以定制不同的保险丝特性。

分析设备和仪器

精密电阻器具有各种实验室分析设备所需的严格公差、低温灵敏度和高稳定性（图 3）。带有电阻传感器的仪器（例如精密温度监控电路中的热敏电阻）的输入级由电阻桥组成，其值必须紧密匹配。由于重要的是值之间的比率而不是绝对值本身，因此 TCR 之间的最大差异（即跟踪 TCR）比绝对 TCR 更重要。

安装在充油外壳中的电阻器特别适用于成像应用，在这些应用中，电阻器的稳定性和线性度对于用于信号生成的超高压电路至关重要。

大多数通孔精密电阻器，都提供具有指定比率容差和跟踪 TCR 的匹配组，从而提供最佳的精度（图 3）。或者，在空间是一个主要考虑因素的情况下，具有多个元件的表面贴装器件 （SMD） 薄膜产品可以在紧凑的单组件解决方案中提供高精度。

在评估电阻器的长期稳定性时，设计人员应考虑多项环境测试。其中一些是生命早期因素，例如暴露于焊料热。其他如 TCR 是可逆的。然而，大多数都是长期因素。最佳做法是仅根据最能反映操作条件的数字进行设计。

保质期指标适用于负载可以忽略不计且环境良性的情况，但负载数据应应用于功耗是主要因素的情况。对于潮湿的环境，设计人员应专注于测量长期湿热系数。在所有这些测试中，大多数值变化都发生在测试期间，因为值将趋于稳定。

对设计人员来说，最有价值的数字是产品寿命结束时或计划重新校准之前电阻值的最大总误差（如果适用）。它被称为总偏移，它是根据适用的、统计上独立的短期和长期因素的平方和（RSS）的根计算得出的。

EAK厚膜技术扩展应用

为电阻器开发的厚膜技术最近在新的医疗仪器应用中崭露头角，测量测试样品的阻抗，而不是电流或电压。一个例子使用阻抗测量来确定化疗期间癌细胞被杀死的速率。

一个关键要求是材料的生物相容性。在这种情况下，使用印在陶瓷上的银/氯化银 （Ag/AgCl） 触点厚膜使研究人员能够确定不同化疗对个体患者肿瘤的有效性。研究结果将帮助他们开发针对特定癌症的定制治疗方法。

类似的技术也基于尺寸稳定的陶瓷基板上的Ag/AgCl接触，用于测量组织的阻抗，以提供更快、更可靠的癌症和癌前细胞的早期检测。与现有方法相比，这有望更好地进行宫颈癌筛查。

每年都会出现这样的新应用，这些应用正在利用电子设备来诊断疾病、监控医疗干预措施，并确保患者和医护人员的安全。电阻器的创新为设计人员提供了应对性能、成本和可用性等所有挑战所需的解决方案。