近年来，随着精密电子设备种类的日益增多，设备间的电磁干扰也越来越复杂，尤其在医疗器械行业更为突出。医疗器械电磁兼容检测工作就显得尤为重要。在产品电磁兼容设计过程中，电磁屏蔽技术作为一种隔离方法得到了广泛运用。如何科学并且有效地利用电磁屏蔽技术提高医疗器械的抗干扰能力是本研究的重点。为了对电磁屏蔽技术有更加系统的理解，本研究对电磁屏蔽、屏蔽材料、屏蔽措施以及电磁屏蔽技术对电磁兼容试验的影响进行了深入的探究。

1  电磁屏蔽

1.1  电磁屏蔽的作用

有源医疗器械在工作时自身会向外辐射电磁波，对附近的其他带电医疗器械产生干扰。如果所处空间中有许多有源医疗器械，这些医疗器械同时工作时就会产生各种复杂的干扰，导致医疗器械本身受到影响。例如医院手术室用到的高频电刀分析仪和多参数监护设备，高频电刀分析仪工作时会产生强烈的电磁波，监护设备就会有故障的风险，现象为报错或停止工作等，所以在做多参数监护设备电磁兼容试验时要考虑高频电外科干扰。电磁干扰的能量被归结为两种传输方式，一种是辐射性耦合，另一种是传导性耦合。为了满足电磁兼容试验要求，对于传导性耦合所产生的电磁干扰通常会采用滤波技术来抑制，而抑制辐射性耦合的措施就要用到电磁屏蔽技术。

电磁屏蔽是利用金属制成的壳或板等屏蔽体，使其外部电磁场强度低于允许值的一种措施 ^[1]；或用金属屏蔽材料将电磁敏感电路封闭起来，使其内部电磁场强度低于允许值的一种措施 ^[1]。其作用是切断电磁波的传播途径，或减弱电磁波能量，进而消除干扰。在各种解决电磁干扰的手段中，电磁屏蔽是最直接的，也是最有效的。

在设计中要达到所需的屏蔽效果，就要先确定辐射源，找到辐射频率，然后根据条件选择恰当的屏蔽材料，设计屏蔽壳体。

1.2  电磁屏蔽的分类

按屏蔽机理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽 ^[2]。

1.2.1  电场屏蔽

电场屏蔽主要是为了防止电子元器件或设备间的电容耦合 ^[3]，可分为静电屏蔽和交变电场屏蔽，静电屏蔽的利用范围相对较广。为了内部元器件免受干扰，或者防止内部元器件干扰空间内其他医疗器械，会采取金属屏蔽层封装的方法。如果封装的内部没有带电部分，这个腔体内部没有电场，就能起到隔绝外部静电的作用。如果腔体内部有带电部分，为了腔体内外的静电平衡，通常要对这个腔体表面进行接地处理，这样就能起到静电屏蔽的作用。不难看出，实现静电屏蔽要满足两个主要条件：（1）完整的屏蔽腔体；（2）腔体的接地处理，如图 1 所示。在实际应用中，屏蔽要与接地结合才能更好地发挥作用。

图 1 接地屏蔽导体

1.2.2  磁场屏蔽

变化的磁场会产生电流；同理，变化的电流也会产生磁场。电流信号发生变化通常就会产生磁场干扰，但并不是所有医疗器械都对磁场干扰敏感，除了一些特定医疗器械，例如核磁共振成像系统、脑电图仪、心脏起搏器等，这些医疗器械均具有显示患者生理信号或者显示精密图像的功能。有成像功能的医疗器械受到干扰后电子束会发生偏转，造成图像失真。当外界干扰的频率与医疗器械频率不同时，图像会发生滚动；当外界干扰的频率与医疗器械频率相同时，图像会发生扭曲异变。

磁场屏蔽是通过把磁力线封闭在屏蔽体内，从而阻挡内部磁场向外扩散或外界磁场干扰进入，为屏蔽体内外的磁场提供低磁阻的通路来分流磁场 ^[3]，如图 2 所示。磁场屏蔽可以很好地抑制噪声源和敏感医疗器械之间由于磁场耦合所产生的干扰。

图 2 磁场屏蔽原理图

1.2.3  电磁屏蔽

电磁屏蔽就是利用屏蔽壳体阻止电磁场的空间传播。电磁波在接触导体表面时会发生反射，导致进入导体的电磁波发生衰减，这种现象被称为反射衰减。屏蔽层的特性阻抗与电磁波频率是影响其反射衰减的重要因素，屏蔽层特性阻抗和空气阻抗相差越大反射越强，电磁波频率越低反射越强 ^[2]。导体内部电磁波在穿出导体时又会发生反射，这种空气和屏蔽层发生多次反射就会形成感应涡流，进而削弱了电磁场，这个现象被称为吸收衰减，它受屏蔽层厚度和电磁波频率影响，如图 3 所示。

图 3 电磁屏蔽原理图

2  屏蔽材料

2.1  屏蔽材料的作用

屏蔽材料的主要作用是使医疗器械内部的电磁干扰不超出自身内部区域，并且外部电磁干扰也不能进入医疗器械内部，或者进入内部的干扰会发生极大衰减。电磁屏蔽技术的进一步发展促使了屏蔽材料的不断更新，不再局限于单层金属板材质，屏蔽效能也在不断提高。选择屏蔽材料时，要根据其特性确定可使用的场合。

2.2  屏蔽材料的分类

根据电磁屏蔽材料的组成可以将其分为 3 类：金属屏蔽材料、表面导电型屏蔽材料及填充复合型屏蔽材料 ^[4]。

2.2.1  金属屏蔽材料

金属屏蔽材料由具有良好导电率和导磁率的金属组成，可以选择铍铜、铝、不锈钢等金属材料。其中还有一种材料叫坡莫合金，它具有较高的磁导率，与其他金属材料比较，其对低频率区域屏蔽效果较好。但金属屏蔽材料均具有加工性差、价格昂贵、密度大、易腐蚀以及屏蔽波段不易变换等缺点 ^[5]。

2.2.2  表面导电型屏蔽材料

表面导电型屏蔽材料是指在医疗器械外表面或内表面贴覆金属层或者喷涂金属涂料，从而达到屏蔽效果。贴覆金属层一般包括贴金属铝箔、电镀等方法，这种方法虽然有导电性良好的优点，但在使用中容易脱落，耐久性较差。喷涂金属涂料根据涂料掺合物的不同，可分为银系、碳系、铜系、镍系等。银系涂层导电性高，但价格昂贵，限制了其使用范围；碳系涂层抗化学腐蚀、成本较低，但导电性较差 ^[4]；铜系涂层价格较低，导电性也好，但易氧化；镍粉涂层价格适中，性质稳定，目前用途也最广泛。

2.2.3  填充复合型屏蔽材料

填充型复合屏蔽材料是采用高电绝缘性的人造橡胶、高导电性的填料和其他助剂，经混合后制成颗粒状，经注射成型、挤压成型或压塑成型而制成^[5]。目前，填充复合型屏蔽材料已引起业界的广泛注意，与传统的表面导电型屏蔽材料相比，其具有成本低、快速成型、稳定性高等特点，常用的是导电橡胶、导电复合剂等，因为其中包含了诸如银之类的金属，使得它具有很好的导电性能和延展性。在将来，这种屏蔽材料将是一个发展趋势。

3  案例分析

电磁屏蔽材料的运用以及屏蔽壳体的科学设计对电磁兼容试验尤为重要。很多企业在自行研发的产品中乱用屏蔽措施或者干脆不加屏蔽，容易导致在医疗器械电磁兼容测试中出现不符合现象，轻则损坏个别元器件，严重则会发生安全危险，延误产品注册。对于电磁兼容试验不符合项目，厂商首先应仔细分析不符合原因，然后根据产品的特点提出可行的整改措施。

本研究对医疗器械电磁兼容试验中比较容易出现问题的辐射发射试验和静电放电抗扰度试验进行案例分析。

3.1  案例 1： 电磁屏蔽技术在电磁兼容辐射发射试验整改中的应用

辐射发射试验是测量医疗器械工作期间向其周围空间发射的电磁波是否符合标准要求（电场辐射为 30 MHz ~ 1 GHz），并根据 GB 4824 - 2019《工业、科学和医疗设备 射频骚扰特性 限值和测量方法》 ^[6]标准确定试验方法以及测试限值。

在测试某医疗器械电磁兼容辐射发射试验中，测试结果超标，超标频谱图如图 4 所示，试验是在 3 m 法电波暗室中进行，被测医疗器械属于 1 组A 类 ^[6] 医疗器械。

图 4 辐射发射超标频谱图

为了找出辐射超标原因，我们拔去了所有外接电缆，辐射发射没有明显变化。该产品内部采用了屏蔽材料导电橡胶作为屏蔽壳体与内部保护模块的连接，具有密封作用以及屏蔽高频辐射的效果。既然做了屏蔽处理，辐射还是超标，初步判定为导电橡胶搭接问题。导电橡胶与壳体搭接不理想，厚度不够，使两者之间存在缝隙并导致阻抗不连续。当搭结点之间有共模电流流过时，由于其阻抗较大，会产生压降，压降驱动成为天线的缝隙 ^[7]，这就导致了辐射超标。

整改措施可以考虑采用加厚的导电橡胶来代替原有的导电橡胶，加大导电橡胶和屏蔽壳体的搭接压力，使两者连接更加紧密，更好地防止内部辐射向外发散；也可以垫高内部模块，如图 5 所示，达到屏蔽的目的。

图 5 垫高内部电路板

本次整改采用更换加厚的导电橡胶，整改后测试结果如图 6 所示，测试通过。

图 6 整改后的辐射发射频谱图

综上所述，使用屏蔽衬垫或者导电橡胶等屏蔽材料时，要注意接触面的缝隙，这个缝隙就会成为辐射“天线”，使辐射超标；在设计时要保证表面有良好的接触，而且还要保证一定的压缩量 ^[7]，但不能过分地挤压，否则会造成绝缘层的变形，降低其弹性，缩短其使用年限。

3.2  案例 2： 电磁屏蔽技术在静电放电抗扰度试验中的应用

依据 GB/T 17626.2-2018《电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验》^[8]，静电放电抗扰度试验可分为接触放电和空气放电。某医疗器械在做电磁兼容试验中的静电放电抗扰度测试中，进行接触放电时，作用点在金属开关按钮，作用电压为 +6 kV，医疗器械出现工作中断、复位现象。依据 YY 0505-2012《医用电气设备 第1-2 部分：安全通用要求并列标准电磁兼容要求和试验》^[9] 中的条款 36.202.1 j 符合性准则，出现这种现象是不符合的。在打开该医疗器械后，看到内部走线混乱，存在线路搭接，内部没有做屏蔽处理（图 7），绝缘外壳和内部电路板间隔比较近，分析原因，应该是静电通过金属按钮进入医疗器械内部直接影响内部电路导致复位现象。

图 7 静电整改前内部图

静电放电是一种高能量、宽频谱的电磁骚扰 ^[7]。其干扰被测设备的途径主要有两种：一种是直接瞬态大电流的接触，造成内部电路的损坏；另一种是空间的耦合。由于静电上升沿时间很短，频谱范围广，路径中一些长导线就能形成影响医疗器械正常工作的耦合。

静电放电抗扰度本身是一种以共模为主的抗扰度测试，最终电流会流向接地板。因此我们从两个方面整改：一种是缩短静电流经的路径，静电接触点与医疗器械中保护接地点的路径距离要保证尽量短；第二种就是对敏感部件加装屏蔽壳体，阻碍静电进入。本次整改使用的是第二种方法。

该医疗器械属于Ⅰ类医疗器械 ^[10]，带有保护接地插脚，静电没有直接从大地流走而是一部分影响了内部电路，所以可设计一个屏蔽壳体包裹内部电路，但由于线缆和内部散热的问题，屏蔽壳不能是全封闭的，为了保证电的连续性，开孔要尽量小，屏蔽壳体外壳要与大地连接，接地路径尽量短，可使静电快速泄放，就不会进入内部，达到了屏蔽效果。整改后如图 8 所示，再次测试后试验通过。

图 8 静电整改后内部图

综上所述，静电干扰是对瞬时宽频率的干扰，为了防止静电干扰要注意静电途径的路径，若路径环绕灵敏元器件则会造成此元器件受到较大的静电干扰，要使静电快速流走就必须要有屏蔽与接地。在屏蔽防护方面，首先要重视防护罩的延展性，其次要重视防护罩的搭接和接地。

4  小结

本研究主要是对电磁屏蔽技术进行了简单的介绍和探讨，通过案例分析了如何更有效地利用屏蔽材料和屏蔽壳体。本研究所述屏蔽体是理想的屏蔽体，但是在实际应用中，屏蔽体还会有通风口、电缆口、裂缝等，未来需对这些开孔要求继续深入研究。

电磁屏蔽技术在电磁兼容检测方面用处非常广泛，不仅在辐射发射和静电放电抗扰度试验中发挥作用，而且在其他电磁兼容试验中也会起到防护作用。为了更好地利用电磁屏蔽技术，我们通常会把电磁屏蔽与接地、滤波技术等同时使用，综合运用各种整改方法会有更显著的效果。

【参考文献】

［1］姚淳，郭祥玉 . 电磁屏蔽技术探讨 [J]. 电源技术应用，2005（4）：44-49.

［2］王晓东，李峰 . 医用电气设备电磁兼容设计中屏蔽方法研究 [J]. 中国科技纵横，2016（4）：188-189

［3］李雪，刘泰康，姜云 . 电磁屏蔽技术分析 [J]. 电子工艺技术，2007，28（1）：49-51

［4］陈影 . 电磁 屏蔽材料的研 究 进展 [J]. 黑龙江 造纸，2015，43（2）：33-35，37

［5］刘卫东 . 电磁屏蔽原理与电磁屏蔽材料 [J]. 消费导刊，2014（8）：199-200

［6］国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会 . GB 4824-2019 工业、科学和医疗设备 射频骚扰特性限值和测量方法 [S]. 北京： 中国标准出版社，2019.

［7］郑军奇 . EMC 电磁兼容设计与测试案例分析 [M]. 北京：电子工业出版社，2020.

［8］国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会 . GB/T 17626.2-2018 电磁 兼 容 试 验 和 测量技术静电放电抗扰度试验 [S]. 北京： 中国标准出版社，2018.

［9］国家食品药品监督管理局 . YY 0505-2012 医用电气设备 医用电气设备 第1-2 部分：安全通用要求并列标准电磁兼容要求和试验 [S]. 北京：中国标准出版社，2012.

［10］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会 . GB 9706.1-2007医用电气设备 第1部分：基本安全和基本性能的通用要求 [S]. 北京：中国标准出版社，2008.

内容来源于《医疗装备》杂志，如需转载请注明出处。