合作者:
Leen-Pieter Deurloo|马丁·萨斯博士.|Marnik弗吉尼亚州
今天的电子产品会产生强电磁干扰(EMI),可能会影响电磁兼容性(EMC),从而影响设备性能。具有集成导电性的聚合物化合物提供了解决EMI和静电放电挑战的潜在解决方案。这些热塑性材料为电子产品提供了最佳水平的电磁屏蔽,同时为设计复杂的几何形状提供了极大的自由度,并通过避免二次操作简化了加工过程。
导电热塑性化合物可用于汽车中的电子应用(例如,高级驾驶辅助系统或ADAS);电信,包括5G网络;消费电子产品;工业解决方案(如机器人、配电);以及医疗保健(例如,无线诊断可穿戴设备)。
联网医疗设备
在一定程度上,由于需要降低成本,世界各地的医疗保健系统目前正在经历治疗急性和慢性疾病患者的范式转变。他们越来越多地将医疗服务从医院转移到门诊和家庭。这种转变要求医疗设备制造商将数据采集和无线连接功能集成到其产品中,以实现远程患者监测,并最终以更低的治疗成本改善结果。这是互联设备的承诺。
当然,联网医疗设备在按照设计使用时必须是安全的,包括与其他疗法结合使用,以及在一系列不同的环境中使用。需要与患者直接接触的设备——即使是简单的皮肤接触——也必须具有生物相容性。它们必须在不干扰或损害基本免疫功能或不引起过敏或毒性反应的情况下发挥作用。
EMI的挑战
连接设备的制造商面临着额外的安全挑战——产生的无线电信号的主要内容流受到干扰,这可能会对设备的性能和准确性产生不利影响。这种情况是由电磁干扰(也称为射频干扰,或RFI)现象引起的。它指的是电子设备相互靠近,以负面方式相互影响的趋势,如产生信号噪声。自古列尔莫·马可尼(Guglielmo Marconi)大约150年前的工作以来,电磁干扰就一直影响着基于无线电的通信。直到今天,这仍然是电子、包装和合规工程师面临的挑战。
电磁干扰的传播机理主要有三种:传导、反应耦合和辐射。本文的重点是射频光谱中的辐射:一种非电离类型的辐射。
电磁兼容性标准和测试的目的是确保电气设备能够在最小程度的干扰下安全地在彼此附近运行。屏蔽,将设备与周围环境和其他设备的信号隔离,通常用于满足管理EMI的EMC要求。简单地说,屏蔽包括在设备内的敏感组件周围创建一种法拉第笼,通常由金属外壳或类似的解决方案制成。
然而,屏蔽可能是一个复杂的问题,因为大多数连接的医疗设备直接与无线基础设施交互,或通过智能手机或平板电脑等消费设备间接交互。它们依赖于一系列具有不同信号功率级别的射频波段,并在一系列通信模式下运行,主要使用短程无线技术。用于连接设备(包括医疗设备)并与之交互的流行通信协议是近场通信(NFC)、蓝牙(BT)、WiFi (WLAN)和ZigBee,以及这些设备的低功耗版本。它们在无许可证的无线电频谱波段工作,如工业科学和医疗(ISM)和短程设备(SRD)。每一种都需要屏蔽电磁干扰。图1显示了常见无线设备的功率性能。
图1:预计会干扰医疗保健环境的常见无线设备的典型射频功率性能。
一般来说,EMI在频率超过30 MHz时变得显著,具有以电场强度为单位的典型辐射发射水平。医疗保健相关和消费电子设备的电磁兼容标准根据其预期使用环境将相应的设备分为若干类别。它们还定义了宽频率范围内辐射EMI的抗扰程度和极限。图2总结了这些限制与某些无线技术的辐射功率水平的比较。
图2:基于EN 55011:2016、EN 55032:2015和IEC EN 60601-1-2:2015的电磁兼容性辐射辐射限值(以dB为单位),以及辐射射频功率等级的无线技术示例。所选的具有固有导电性的热塑性化合物的屏蔽效果范围被突出。
屏蔽效果(SE)是指材料作为屏障抵御内部或外部EMI,并提供保护免受其他电气设备的破坏性信号的能力。它由材料的整体电导率水平、零件的壁厚和目标频率范围决定。屏蔽效果通常通过特定频率范围的矢量网络分析仪(VNA)的专用设置来测量,并通过测量散射参数来确定。
电磁干扰屏蔽可用的热塑性等级SE范围为33dB到100dB。该SE范围对应于在30MHz至10GHz频率范围内,壁厚为1.2 mm及以上,屏蔽超过99.9%的信号功率。材料的EMI屏蔽能力通常根据ASTM D 4935标准进行测量。
新的电磁干扰屏蔽策略
传统的EMI屏蔽方法依赖于金属外壳,通常由铝合金制成。这种方法目前在相关行业中占了一半以上。然而,连接设备日益小型化和工程复杂性,以及使其更轻、更少侵入性的要求,都带来了挑战,并突出了设计局限性。由于重量成为一个更大的考虑因素,即使是最轻的铝合金也可能有问题,更不用说昂贵了。一个关键因素是模具成本:与注塑模具相比,压铸铝模具的寿命显著缩短(约缩短10倍)。此外,这些设备的灵敏度不断提高,加上设计空间的缩小,可能使它们更容易受到干扰。因此,需要其他解决方案来适应这些不断变化的需求。
一些制造商已经探索了提供屏蔽的替代方法,例如在塑料上应用金属涂层或导电涂料或使用真空沉积。虽然这些方法是可以接受的,但它们可能不如金属外壳有效,并且依赖于二次加工。次要步骤增加了系统成本和复杂性,并可能通过排放挥发性物质增加产品的整体环境足迹。此外,并不是所有的热塑性塑料都能承受这种处理。
另一种创新的解决方案是使用热塑性化合物,无需金属涂层等二次处理即可提供EMI屏蔽。这种化合物作为嵌入的树脂和模塑部件的固有特性提供了强大的EMI屏蔽性能。它们将导电金属纤维渗透到整个部件中,可以防止表面划伤或刻痕影响屏蔽性能,就像涂料一样。
导电纤维在成型部件中的最佳分散对最大的屏蔽性能至关重要。图3a显示了纤维分散不良;图3b显示了优化后的纤维分散度与树脂浓度的关系。
图3a:扫描电子显微镜(SEM)分析表明,导电纤维在成型零件(PC树脂)中的分散性较差。
图3b:扫描电镜分析表明,导电纤维在成型零件(PC树脂)中分散良好。
除了简化屏蔽性能,导电热塑性化合物还提供了额外的好处,如图4所示。通过避免二次加工的需要,如油漆和金属化,这些化合物为制造商提供了相当大的设计自由度。例如,它们可以包含复杂的3D形状,这会干扰有效的油漆应用。
图4
使用复杂几何图形的能力使设计师能够进一步专注于患者护理,而不是受限于金属和涂层的要求。由于热塑性化合物提供了更大的灵活性,设计人员可以优化易用性、舒适性和便利性。此外,这些轻质化合物可以提高设备的便携性和人体工程学,为患者和临床医生。此外,塑料允许制造商使用高速、大批量的成型工艺,可以降低生产成本。
确保患者安全
患者安全是医疗器械监管机构最关心的问题。通过精确可靠的设备操作优化安全性是EMI屏蔽的目标之一。然而,还有另一个安全方面:生物相容性。设备工程师和原材料规格师可能会要求树脂进行一系列测试,以确定其可提取物是否可能对人体造成潜在伤害。虽然生物相容性最终取决于最终的设备,但树脂供应商可以帮助设备制造商在开发的早期阶段确定树脂的适用性,通过评估完整测试电池的最相关部分,如溶血、细胞毒性、热原性或物理化学评估。
扩大行业需求
在可预见的未来,对互联医疗设备的需求将继续快速增长。根据魔多的情报在美国,联网医疗设备市场在2019年的价值为230亿美元,预计到2025年将达到770亿美元。推动这一增长的原因是,迫切需要限制不断上升的医疗成本,以及测量健康参数和执行监测功能的技术进步。连接设备越多,产生干扰的可能性就越大,这意味着对有效屏蔽技术和材料的需求就会越大。
在这样的动态环境中,具有固有EMI屏蔽特性的热塑性化合物可以为设备制造商提供具有成本效益的传统金属外壳、涂料和油漆的替代品。特殊的屏蔽化合物还可以增强设计自由度,并实现减重。创造安全、生物兼容、更可持续、更轻便、设计更创新的设备的能力,有助于提高患者和临床医生对它们的接受度。反过来,患者采用这种设备支持远程诊断、监测和治疗。
作者简介:
Leen-Pieter Deurloo是沙特基础工业公司欧洲特种业务的业务发展经理。他负责为医疗保健、电信和大众运输领域的客户提供高性能化合物和共聚物解决方案。他在塑料行业拥有超过35年的技术和商业经验,目前正在为石油化工行业的应用指定导电材料。Leen拥有荷兰HMLS Breda化学学士学位。
马丁·萨斯博士他是SABIC特种业务的首席科学家,管理高性能聚合物电气应用的项目和活动。他拥有15年的经验,包括担任汽车行业传感器开发的研发首席工程师,以及汽车、医疗保健和消费电子产品嵌入式系统和MEMS传感器的系统应用工程师。Martin拥有斯洛伐克斯洛伐克技术大学机械工程硕士学位和应用物理学博士学位。
Marnik弗吉尼亚州是沙特基础工业公司欧洲特种业务的业务发展经理。他帮助推动跨国医疗保健oem的医疗设备平台创新。他在应用程序开发和商业角色方面有20多年的经验,专注于为医疗保健行业的客户提供支持。Marnik拥有比利时鲁汶大学工业科学硕士学位。