医疗电子半导体发展

在过去的几十年里,医疗技术越来越先进,促使医疗保健行业在当前时代经历了根本性的变革。在电子元件上普遍使用创新的半导体,迅速为开发能够有效诊断和管理各种疾病的高度先进的医疗仪器打开了大门。

导言

半导体,无论是无机的还是有机的,都是多用途材料,能够根据其化学结构、温度、曝光和掺杂剂的存在等几个因素来控制导电。半导体通常用于制造医疗设备,以精确调节电流。

正在进行的逐步小型化电子组件的努力导致了小型、可穿戴或便携式医疗设备的发展,从而能够进行长期和细致的病人监测,在不牺牲医疗监督质量的情况下为大多数病人提供在家护理的便利。可穿戴的便携式设备、先进的成像系统和先进的传感器都是高度先进和复杂的医疗工具,是现代病人护理、诊断和治疗不可或缺的一部分。

半导体组件

"半导体"一词指的是仅具有部分导体性质的材料,它介于导体和绝缘体之间,根据所应用的电刺激来导电。半导体,通常由硅制成,但现在比以往任何时候都多由碳化硅和氮化钡组成,真正代表了现代电子的基础。

最常见的半导体材料包括硅、铈和砷化镓。铵是有史以来最早使用的半导体材料之一,但自20世纪50年代以来,它逐渐被弃用,转而使用硅,这是继碳之后地球上最丰富的元素。砷化镓也是一种广泛存在的半导体,但它有几个局限性,因为它比上述硅更难以大规模生产,而且涉及使用剧毒化学品。

石墨烯有可能超越硅的流行,但大规模的商业化可能仍需要很多时间。硅和碳的化合物碳化硅目前在电力电子学领域很突出,因为它与硅相比具有许多优势。它是超过1200伏的高压应用的最佳选择,广泛应用于电动车、快速充电系统、可再生能源和工业应用。

半导体材料具有相当独特的电气特性,使操作员能够精确地控制电流的流动。半导体具有很高的定制潜力,可以根据不同的规格和应用要求进行导电;它们在价格和可用性方面有所不同,从丰富和经济的硅元素到昂贵的稀土元素,对于太阳能电池、晶体管、传感器和电动汽车电路的正确运行至关重要。

现代世界的存在归功于半导体,随着现有材料达到其物理极限,新材料也准备好取代它们。半导体是大多数现代医疗设备的核心(见图1)。有p型和n型半导体,当暴露于光、热或其他形式的势能时,它们可以导电。当电流通过时,半导体器件就会被激活,使电子能在原子间自由流动。

在医疗电子学中使用半导体的一些常见例子包括成像设备,如X射线、CT和MRI机器中的传感器、起搏器和胰岛素泵等治疗工具、实验室血液和DNA分析仪、植入式和仿生假体等。半导体使电子工业发生了革命性的变化,几乎所有的电子设备和电路都有半导体,这是由于它们具有很强的适应性,并且能够在非常特殊的条件下转换和放大电子信号。

一般而言,半导体在某些特性发生变化时,会成为绝缘体,能够控制通过它们的电流流动。在最重要的半导体元件中,人们不能忽视二极管,这是第一个以半导体为基础的电子器件。它具有不对称性,对一个方向的水流有很高的阻力,对相反方向的阻力很低。

另一个广泛使用的半导体电子元件是晶体管,这是电子世界的一个革命性元素。它既可以作为开关,也可以作为电信号的放大器,由三层不同层次的半导体材料组成,掺杂在一起,创造出具有不同电气特性的区域。通过对基座施加小电流,可以控制在收集器和发射器之间流动的大得多的电流。

一个现代集成电路可以容纳数十亿个晶体管。另一个相当流行的成分是MOSFET。它的特点是使用电场来控制两个不同的端子之间的电流流动。 莫斯费茨 与其他类型的晶体管相比,提供了许多优点,如高输入阻抗、高开关速度和低电阻(rDS(on)),这些特点很容易使它们成为各种医疗应用的最佳。

医疗应用

如今,由于其精确的控制、处理、存储和功率管理能力,半导体发现自己处于大多数医疗设备的核心。虽然旧的医疗工具大多依靠机械操作,但更先进的半导体设备大大提高了传统医疗设备的性能,大大降低了相关成本。

半导体是医院和医生办公室使用的各种医疗设备的组成部分(见图2)。医疗领域的应用包括从小型便携式设备到大型高功率固定式机器的设备,所有这些设备都必须确保最大的安全性和可靠性。几乎不可能列出包括半导体在内的所有医疗应用,因为每一种应用都有其特殊的规格;然而,它们都有一个共同的目标,即在诊断和最重要的疾病的有效治疗方面变得越来越复杂。

它们被大量应用于监控若干重要参数水平的设备中,例如糖尿病患者血液中的葡萄糖量或心血管疾病患者的心率。即使是CT扫描仪、心电图仪或血压监测器的开发,也因使用最新的半导体而大大促进,从而确保了极高的性能和可靠性。由于它们的半导体组件,医疗应用,如成像和监测(包括在特别护理中),可穿戴医疗设备,外科设备,血糖血氧素,血压监测器和红外温度计,可以产生极端精确的结果。

新的发展包括围绕核医学和放射学的创新技术。使用特殊的半导体元件,确保了高质量的图像的产生,通常在三维和颜色。半导体核辐射探测器在许多领域被普遍用于高分辨率光谱分析,由于其优越性,在二维和三维X射线成像系统的开发中发挥了关键作用。半导体(硅或铈)探测器能够通过检测辐射来测量电荷粒子或光子的影响。它们与光电板非常相似。当电离辐射进入半导体时,它与之相互作用,激发电子并留下一个洞;然后,通过收集电子孔对,最终形成探测信号。半导体探测器用于辐射防护和放射性材料分析。

随着新的检测仪器和相关电子设备的日益发展,X射线图像采集越来越普遍,特别是在医学领域。新的研究倾向于使用同步加速光束,这种光束可以返回一个大的动态范围、高对比度,最重要的是,减少产生高质量图像所需的辐射剂量。在这种情况下,半导体探测器可以满足大多数用户的需求。

数字射线摄影是一个伟大的现实,提供了非常高的分辨率和对比。截至最近,科学家们正在开展几个项目,开发更先进的半导体探测器,因为硅和铈等常规半导体往往不能完全满足医疗成像用高能光子的技术要求。这种研究围绕着成本和材料的可获得性,然而,这些问题是持续不断地解决的。

结论

毫无疑问,半导体已经成为现代医学电子学中不可或缺的组成部分,加速了小型电子学的发展进程。 可穿的 ,以及可持续监测病人的便携式装置。这些部件广泛用于各种医疗应用,从成像系统、监测装置、治疗工具和实验室仪器,到假肢和植入物。

半导体被认为是医疗工业的革命性材料,证明自己是传统设备技术和性能增长的关键组成部分,同时降低成本,导致更精确和更可靠的结果。半导体技术的最新发展有望进一步扩大诊断和治疗能力,为医疗创新的新时代铺平道路。

半导体材料具有与导电性有关的特性,其未来取决于能否以类似硅或甚至更低的价格大规模生产具有类似性质的新材料。