用于可靠CGM激活的超低功耗TMR开关

连续血糖监测仪通过提供实时血糖趋势洞察，无需频繁进行指尖采血测试，从而改变了糖尿病管理方式。随着这些设备不断缩小并更紧密地与人体结合，设计人员面临着越来越大的压力：既要延长电池寿命、消除机械故障点，又要确保设备在整个佩戴周期内可靠运行。

CGM 中最关键且对功耗最敏感的功能之一是设备激活。系统必须在精确的时机，从存储或运输状态转换到主动监测状态，同时不能依赖可能损害密封性或长期可靠性的机械按钮或开口。为了应对这一挑战，许多 CGM 设计正转向采用基于隧道磁阻技术的超低功耗磁开关。

通过实现纳安级待机电流的密封、非接触式激活，TMR 开关使 CGM 能够在现实世界的贴身条件下保持节能、紧凑和坚固。本文重点介绍基于 TMR 的磁开关目前如何用于支持可靠的 CGM 激活，并阐述其灵敏度、效率和小尺寸的独特组合为何使其非常适合下一代连续血糖监测系统。

CGM 系统的构成

现代 CGM 由三个主要部分组成：

• • 传感器：植入皮下的细丝，用于测量组织间液中的葡萄糖水平。
• • 发射器模块：贴敷在皮肤上，为传感器供电并通过无线方式将数据传送到智能手机或胰岛素泵。
• • 粘性贴片：将传感器/发射器组件固定在身体上，典型佩戴周期为 7-14 天。

这些模块共同与云分析和移动应用程序交互，以跟踪血糖水平、趋势和警报。为了保持临床可靠性，设备必须在变化的温度、湿度和机械应力下连续运行——这些条件对每个电子元件都提出了极高的要求。

磁感应在 CGM 设计中的定位

磁感应在连续血糖监测仪的设计中扮演着关键且日益重要的角色。磁开关并非取代核心传感或运动检测功能，而是通常用于支持设备状态管理，实现对 CGM 生命周期中特定事件的可靠、低功耗检测。

在当今的 CGM 架构中，磁感应最常用于设备激活或布防。集成在包装、敷贴器或粘性载体中的小磁铁，可以在设备从其托盘中取出或贴到身体上时触发磁开关。这种方法实现了非接触式、密封的激活机制，消除了机械按钮及其相关的可靠性风险。

除了激活之外，根据原始设备制造商的机械和电气架构，磁感应有时也会被考虑用于额外的二进制状态检测功能，例如确认子组件是否正确配合，或检测设备相对于已知参考位置的大致位置变化。在这些情况下，磁开关并非用作精密测量设备，而是作为低功耗数字指示器，用于确认是否已满足预定义的物理条件。

由于 CGM 已经依赖多种冗余指示器，包括敷贴器机械结构、粘合系统和电气诊断，磁感应通常在不会增加系统复杂性或功耗的前提下被部署以增加价值。隧道磁阻等超低功耗技术特别适合此角色，因为它们允许设计人员添加基于事件的检测功能，而不会实质性地影响电池寿命。

免责声明：连续血糖监测仪的设计方法因制造商和设备代次而异。本文描述的传感和激活方法既代表当前常用的技术，也列举了架构上可行的其他方案，具体选择取决于机械设计、法规策略和系统级权衡。除基本激活之外的磁感应功能的采用（例如对齐确认或辅助状态检测），取决于各个 OEM 的具体要求、验证方法和风险管理考量。

CGM 设备中的工程挑战

设计工程师必须应对一系列复杂的权衡，以实现紧凑且始终在线的性能：

• • 能效：设备依靠微安级电池运行数天。每纳安培的漏电流都至关重要。
• • 小型化：元件必须适配毫米级尺寸的 PCB，并且通常需要集成在柔性基板上。
• • 可靠性：持续暴露在汗液、温度循环和运动中，要求采用非接触式、固态运行的设计。
• • 法规遵从性：所有元件都必须满足 IEC 60601、ISO 13485 和 FDA 21 CFR 820 对安全性和可靠性的要求。

这些挑战使得低功耗固态磁开关成为传统机械或霍尔效应解决方案的理想替代方案。

隧道磁阻技术简介

TMR 传感器通过测量磁隧道结中电阻的变化来检测磁场。MTJ 是超薄结构，电子在由绝缘层隔开的两个磁性层之间发生隧穿。当暴露于磁场时，结电阻会发生可预测的变化，从而使设备能够感应到即使非常微弱的磁场。

与霍尔效应传感器相比，TMR 具有多项优势：

• • 更高灵敏度：可检测低至 9 高斯的磁通密度
• • 超低电流消耗：典型工作电流低至 160 nA
• • 卓越的热稳定性：在 CGM 的整个工作范围内保持精度
• • 更宽电压范围：在 1.8 V 至 5.5 V 范围内可靠运行
• • 紧凑的几何尺寸：可直接放置在共形贴片或微型外壳下方
• • 更高带宽：实现对磁事件的更快响应

如 Littelfuse TMR 开关产品简介所示，TMR 技术有效替代了霍尔效应传感器，在可穿戴设备、药物输送设备和物联网医疗系统等应用中提供了更高的灵敏度、更宽的电压范围和更高的效率。

TMR 在 CGM 设备中的应用：功能、特性和优势

激活与用户交互

激活是连续血糖监测仪中磁感应最成熟、应用最广泛的功能。由于 CGM 需要连续佩戴并与身体紧密接触以可靠运行，设计人员通常会避免使用机械按钮，因为按钮会破坏外壳的完整性，增加湿气侵入的风险，或因磨损和污染而随时间性能下降。

TMR 开关通过密封外壳检测小磁铁的靠近或远离，实现非接触式激活。这种方法允许设备在定义的运行状态之间转换（例如存储、运输和主动使用），而无需在发射器模块本身上设置任何物理用户界面。因此，外壳设计得以简化，密封性得到改善，长期机械可靠性也得到增强。

在许多 CGM 架构中，集成在包装、敷贴器或粘性环中的磁铁与 PCB 上的 TMR 开关相互作用。当设备从其托盘中取出或贴到身体上时，由此产生的磁场变化触发开关，启动受控的上电序列。此事件可用于启动传感器预热、开始校准程序或启用无线通信，确保 CGM 仅在正确部署后才开始工作。

由于 TMR 开关以纳安级待机电流运行，此激活功能可以始终保持待命状态，而不会实质性地影响电池寿命。其固态结构也消除了触点弹跳和机械变异性，确保了跨生产批次和整个设备生命周期的可重复、确定性的激活行为。

从系统角度看，采用 TMR 开关的磁激活为管理 CGM 中的用户交互提供了一种稳健、节能的方法——支持密封设计，减少故障模式，并与可穿戴医疗设备的可靠性和卫生要求高度契合。

激活是当今磁感应在 CGM 中的首要且经过验证的应用。 在特定的贴身医疗设备中，类似的磁感应原理也可能支持额外的状态确认功能，但这更适合被视为潜在的扩展应用，而非 CGM 的既定用例。

其他潜在应用

除了激活之外，超低功耗 TMR 开关可能在未来一代的贴身医疗设备（包括胰岛素泵、可穿戴药物输送系统和其他贴身佩戴的电子产品）中支持额外的基于事件的状态确认功能。例如，确认可重复使用模块和一次性模块之间的正确组装或对齐，或使用简单的磁阈值检测大致的佩戴状态。这些应用并非 CGM 特有，目前也未广泛部署；然而，它们说明了随着设备架构的不断发展，TMR 的纳安级功耗和密封、非接触式操作如何能在资源受限的可穿戴平台上实现附加功能。

技术对比

为 CGM 选择激活和状态检测方法

在设计连续血糖监测仪的激活和状态检测功能时，工程师通常会评估机械开关、霍尔效应传感器和隧道磁阻开关。每种方法在功耗、可靠性和集成复杂性方面各有优劣。

• • 机械开关简单且无需待机电流，但会破坏外壳的完整性，可能损害密封性和长期可靠性。重复使用、暴露于湿气和颗粒污染物都可能在 CGM 佩戴周期内导致其性能下降。
• • 霍尔效应传感器提供固态运行和连续磁场测量，适用于需要线性或矢量感应的应用。然而，其毫安级的电流消耗和较大的封装尺寸在始终开启、受电池限制的 CGM 设计中可能难以承受。
• • TMR 开关提供了一种针对基于事件检测进行优化的中间方案。它们具备纳安级到微安级的电流消耗、高磁灵敏度以及紧凑的 LGA-4 等表面贴装封装。虽然 TMR 开关不提供连续的位置或方向数据，但它们非常适合非接触式激活和对齐确认这类二进制功能，且不会显著影响电池寿命。

来源：Littelfuse

对于 CGM 和类似的可穿戴医疗设备，TMR 开关在用于补充而非替代系统架构中已有的电气诊断和机械保护措施时，效果最佳。

Littelfuse TMR 开关系列和 LGA-4 封装

Littelfuse LF21173TMR 和 LF21177TMR 是旗舰级全极 TMR 开关，专为 CGM 等微型电池供电系统设计。这些器件将 TMR 和 CMOS 电路集成在一个紧凑的 LGA-4 表面贴装封装内，提供了出色的灵敏度和效率。

主要特性：

• • 超低功耗：典型电源电流仅 160 nA
• • 高磁灵敏度：工作阈值 9-30 高斯
• • 宽电压范围：1.8 V 至 5.5 V，便于灵活集成
• • 快速响应时间：亚毫秒级切换，实现实时检测
• • 全极操作：可检测南、北两个磁极，简化磁铁放置
• • 紧凑的 1.5 mm × 1.5 mm 占板面积：封装高度仅约 0.4-0.5 mm，支持极薄的发射器模块、多层柔性电路和低矮型贴身设计
• • 工作温度范围：-40 °C 至 +85 °C

根据 Littelfuse TMR 开关技术简报，LGA-4 封装在保持与低功耗逻辑电路的推挽输出兼容性的同时，显著减少了占板高度和面积。

这种微型尺寸与纳安级效率的完美结合，使得 LGA-4 系列成为医疗可穿戴设备的理想选择，尤其是在空间、散热和患者舒适度至关重要的应用中。

TMR 在 CGM 中的系统级优势

当集成到 CGM 中时，TMR 技术提供了几个切实的优势：

• • 延长电池寿命：超低待机电流有助于最大化设备更换间隔。
• • 改善卫生和可靠性：非接触式激活消除了机械磨损点和污染风险。
• • 紧凑的设计自由度：小封装尺寸支持纤薄、符合人体工程学的外壳和柔性 PCB。
• • 精确的检测和对齐：高磁灵敏度确保即使使用弱磁铁或发生微小位移也能精确检测。
• • 减少维护：固态运行在整个设备寿命期间无需校准或调整。

这些优势共同简化了制造过程并改善了患者体验——这是医疗可穿戴设计中的两个核心优先事项。

在互联药物输送系统中的更广泛作用

相同的 TMR 感应原理可扩展应用于 CGM 之外的自动注射器、胰岛素泵和可穿戴药物输送系统。

在这些应用中，TMR 开关可以检测推杆位置、剂量拨盘或药筒啮合，从而在更广泛的互联医疗保健生态系统中，与温度传感器和保护器件形成互补。

随着互联医疗系统的不断发展，并集成了云连接、移动应用和实时分析，像 TMR 这样低功耗、高可靠性和高精度的传感技术的重要性将持续增长。

结论

连续血糖监测仪象征着个性化医疗的未来：微型化、互联化、并以患者为中心。要实现这一未来，就需要高效且可靠的传感技术。

隧道磁阻传感器，例如 Littelfuse LF21173TMR 和 LF21177TMR，满足了现代 CGM 对低功耗、高灵敏度和小型化设计的需求。其 LGA-4 封装在实现最小占板面积的同时，支持激活、方向识别和佩戴状态监测，且所有这些功能均不依赖任何机械部件。通过将这些优势与成熟的电路保护和温度监测策略相结合，工程师可以设计出既符合法规标准，又能提升患者舒适度和依从性的 CGM。

随着互联医疗设备变得越来越智能和自主，TMR 传感技术将继续发挥其关键作用，成为连接精密工程与以人为本的医疗设计的桥梁。

（点击阅读原文可转至原文链接）