面向下一代 CGM 的低功耗磁傳感策略
作者：Marco Doms 博士
TMR 傳感器業務拓展高級經理, Littelfuse, Inc.
連續血糖監測儀（CGM）通過提供實時血糖讀數，使患者無需頻繁進行指尖采血測試，從而重塑了糖尿病管理。這些緊湊、可穿戴的設備不僅提高了生活質量，還使臨床醫生能夠基于準確、連續的數據流調整治療方案。
這一創新背后隱藏著復雜的工程挑戰。設計人員必須開發一款能夠在微功率預算下安全可靠運行、適應緊湊的佩戴式外形尺寸，并在所有條件下保持精確傳感精度的設備。每個組件——無論是模擬、數字、電源管理還是保護類——都必須為長期可靠性和患者舒適度做出貢獻。在許多設計中，哪怕是微安級的泄漏或單個機械故障點，都可能限制設備壽命或損害可靠性。
CGM 在互聯醫療中的作用
CGM 是現代糖尿病護理的核心。它們通過置于皮下的傳感器測量組織間液中的葡萄糖濃度，并將讀數無線傳輸到智能手機、胰島素泵或基于云的管理系統。
圖1：互聯給藥系統示例
CGM 的益處已得到充分證實：減少血糖變異性、改善 HbA1c 水平、減少低血糖發作。隨著技術的成熟，CGM 現在被用于更廣泛的人群——包括 2 型糖尿病、妊娠期糖尿病甚至糖尿病前期患者——從而擴大了其在預防醫學和慢性病護理中的相關性。
從工程角度看，這些設備體現了醫療系統向著互聯、始終在線方向發展的更廣泛趨勢，其中安全性、數據完整性和能效同樣至關重要。
系統架構與設計約束
典型的 CGM 系統包括：
葡萄糖傳感器和模擬前端（AFE）：放大并調理來自生物傳感器的微伏級信號。
微控制器（MCU）：處理數據、運行算法，并通過低功耗藍牙?或專有協議管理無線通信。
電源管理電路：調節來自小型可充電或一次性電池的能量。
無線接口：將讀數傳輸到配套設備或云平臺。
溫度傳感、保護和啟動電路：保障安全運行并支持用戶交互。
圖2：簡化的 CGM 系統框圖
這些模塊必須在單次充電后連續運行 7～14 天，同時承受運動、汗液、溫度波動和靜電放電（ESD）的影響。組件尺寸、熱行為和功率效率決定了患者的舒適度和產品的可用性。
CGM 設計特有的工程挑戰
超低功耗。每微安的泄漏電流都會縮短電池壽命。組件必須具有可忽略的靜態電流。
小型化。貼片式和植入式 CGM 僅允許數毫米的 PCB 空間，因此需要小封裝、高性能的器件。
電氣安全與隔離。必須快速隔離電路故障，以保護患者和設備完整性。
環境適應性。耐汗、抗振和耐濕性確保在整個佩戴周期內穩定運行。
法規合規性。設計必須滿足 IEC 60601、ISO 13485 和 21 CFR 820 對安全性、質量和電磁兼容性能的要求。
滿足這些要求需要精心的組件選擇和系統級集成。
用于密封、非接觸操作的磁啟動
上電和復位功能在可穿戴設備中至關重要。傳統的機械按鈕會引入污染途徑、隨時間磨損，并使防水設計復雜化。啟動電路在保質期內將能耗降至最低，確保設備在 24 個月后仍可安全操作。磁啟動提供了一種非接觸式替代方案，可增強耐用性和衛生性。
現有三種磁開關技術：干簧管、霍爾效應傳感器和隧道磁阻（TMR）開關。它們在功耗、靈敏度和尺寸方面各有權衡。實際上，關鍵區別在于待機電流，TMR 工作在納安級別，而典型的霍爾效應器件為毫安級別。
表1：傳感技術比較
TMR 傳感器為 CGM 應用提供了高性能特性的高效組合：納安至微安的功率水平、緊湊的 LGA 封裝以及支持靈活磁體放置的全極檢測。
例如，Littelfuse TMR 磁開關可檢測低至 9 高斯的磁通量變化，在低速模式下僅消耗 160 nA。其非接觸操作可實現諸如設備貼膚時自動開機或移除包裝時啟動等功能。由于無移動部件，TMR 開關不受振動和濕氣影響，可提供數百億次開關周期的使用壽命。
圖3：TMR 磁開關通過密封外殼實現非接觸啟動（示例：Littelfuse TMR LGA4 開關 LF21173TMR）
通過消除機械接口，工程師降低了機械故障風險、改善了密封性并延長了電池壽命——所有這些對于患者佩戴的電子產品都至關重要。這種方法使 TMR 開關特別適用于那些在存儲和使用期間都需要保持啟動功能，同時又不影響系統整體功率預算的設計。
溫度監測與患者安全
溫度傳感在 CGM 設計中扮演多重角色：
電子安全監測：檢測來自電路故障或電池老化的異常熱量積聚。
患者保護：防止表面溫度過高刺激或灼傷皮膚。
傳感器補償：調整影響葡萄糖讀數的溫度依賴性酶促反應。
緊湊型 NTC 熱敏電阻，例如 Littelfuse 0803-KR、0603-RB 和 1206-LR 系列，在 1.6 × 0.8 × 1.0 mm 的小封裝內提供 ±5% 的精度。工程師通常使用多個熱敏電阻——一個靠近生物傳感器用于反應補償，另一個靠近電池或電源管理電路用于熱安全監測。
精確的熱反饋不僅能保護用戶，還能提高測量精度，直接有助于臨床可靠性。
溫度傳感器的數量、位置和作用因 CGM 架構而異，但設計人員通常會將安全監測用的溫度傳感與測量補償用的溫度傳感區分開來。
集成保護與傳感以實現可靠運行
有效的 CGM 設計應將保護、傳感和啟動元件整合為一個協同運行的系統。如此集成帶來了幾個關鍵優勢：
通過超低泄漏保護和傳感組件，延長電池壽命。
通過消除移動部件和暴露觸點，提高機械可靠性。
使用符合醫療標準的預認證組件，從而簡化認證。
通過一致、無故障的性能，增強用戶信心。
遵循這些設計原則，工程師可以專注于優化算法、連接性和患者體驗功能，而不是排查硬件故障。
法規與合規性考量
每款 CGM 都必須滿足嚴格的國際標準，以確保安全性和性能。以下列出了與電子子系統最相關的標準。
表2：適用于 CGM 合規性的相關國際標準
選擇已備有符合上述標準的文檔的電子組件，可簡化風險管理工作并加快法規審查進度。
CGM 與可穿戴設計的未來趨勢
隨著可穿戴醫療設備的應用擴展，設計人員正致力于減小設備尺寸、延長使用壽命、實現多傳感器集成以及云連接分析。每一次演進都更加凸顯能效和電氣安全的重要性。
新興方向包括：
集成多參數傳感器（葡萄糖、乳酸、溫度和水合狀態）。
使用能量采集或感應充電技術來延長工作壽命。
實現高級保護監控，例如內置 ESD 或保險絲狀態診斷。
開發生物相容性柔性電子器件，以進一步提高患者舒適度。
那些能夠提供醫療領域專業設計支持、并擁有經過驗證的保護產品組合的組件供應商，將在加速這些創新中發揮關鍵作用。
結論
連續血糖監測儀體現了生物醫學科學與先進電子技術的融合。為了在可穿戴形態下實現可靠、始終在線的運行，工程師必須在每個設計層面仔細權衡功率、保護和傳感之間的相互作用。
通過集成用于非接觸啟動的 TMR 磁開關、用于安全和補償的 NTC 熱敏電阻、用于瞬態保護的低漏電流 ESD/TVS 二極管以及用于故障隔離的微型醫療級保險絲，開發人員可以滿足現代醫療設備嚴格的性能和安全性要求。
關于作者
Marco Doms 博士
Marco 曾攻讀電氣工程專業，并獲得 MEMS 方向博士學位。在 2022 年加入 Littelfuse 之前，他曾擔任另外兩家傳感器公司的研發負責人。Marco 在位置傳感器（尤其是xMR）以及管理研發和創新團隊（從芯片到系統級）方面擁有豐富經驗。在 Littelfuse，他曾擔任創新經理，領導 EBU 高級開發團隊，并引入了創新/創意管理流程。在目前的職位上，Marco 負責多個平臺，這些平臺面向需要額外內部及客戶協調的全新產品或產品特性。
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Littelfuse 公司（NASDAQ：LFUS）是一家為安全高效的電能傳輸提供多元化先進解決方案的領導企業。憑借覆蓋超過 20 個國家的業務和約 16,000 名全球員工，我們與客戶合作，設計和交付創新、可靠的解決方案。服務于超過 100,000 家最終客戶，我們的產品每天應用于世界各地的各種工業、運輸和電子終端市場。詳情請訪問：Littelfuse.com。
