Af de fire almindelige typer temperatursensorer - termoelementer, modstandstemperaturanordninger, termistorer og temperaturføler ICS - temperatur sensor ICS er en god mulighed for kontaktbaserede medicinske og sundhedsmæssige designs. Primært kræver de ikke linearisering, de tilbyder god støjimmunitet og er relativt nemme at integrere i bærbare og bærbare sundhedsydelser. For kontaktløs sensing kan infrarøde termometre anvendes.
Nøgleparametre er størrelse, strømforbrug og termisk følsomhed. Det sidste er vigtigt for klinisk nøjagtighed, fordi selv forbigående effekt (μW) kan opvarme sensoren og forårsage unøjagtige aflæsninger. En anden overvejelse er typen af interface (digital eller analog), som vil bestemme tilhørende komponenter, såsom mikrocontrolleren.
Klinisk-grade nøjagtighed
Møde klinisk nøjagtighed, pr. ASTM E112 (standard testmetoder til bestemmelse af gennemsnitlig kornstørrelse), starter med den relevante sensor. Maxim Integrated's MAX30208 Digitale temperatursensorer har for eksempel ± 0,1 ° C Nøjagtighed fra + 30 ° C til + 50 ° C og ± 0,15 ° C Nøjagtighed fra 0 ° C til 70 ° C. (Maxim integreret blev erhvervet af analoge enheder i august 2021.) Apparaterne måler 2x2x0.75mm og er i en tynd 10pin LGA-pakke (Figur 1). ICS'en opererer fra en forsyningsspænding på 1,7V-3,6V og forbruger mindre end 67 μA i drift og 0,5 μA i standby.
Det er vigtigt, at sensorens egen temperatur ikke påvirker måleaflæsningen af en bærbar enhed. Sensor IC'ens varme, der rejser fra PCB gennem pakken, fører til sensoren dør og kan påvirke nøjagtigheden. I en temperatursensor IC udføres denne varme gennem en metal termisk pude på undersiden af emballagen, hvilket resulterer i parasitisk opvarmning. Dette kan forårsage termisk ledning ind og ud af andre stifter, der forstyrrer temperaturmålinger.
Der er en række teknikker til at modvirke parasitisk opvarmning. Tynde spor kan bruges til at minimere termisk ledningsevne væk fra sensor IC. Designere kan måle temperaturen øverst på pakken, så langt væk som muligt fra IC-stifterne, snarere end at bruge termisk pad. Dette er tilfældet for MAX30208CLB + og andre MAX30208 digitale temperatursensorer.
En anden mulighed er at placere andre elektroniske komponenter så langt væk fra sensorelementet som muligt for at minimere deres indvirkning på temperaturmåling.
Termiske design overvejelser.
For at sikre termisk isolering fra varmekilder i bærbare enheder skal der være en god termisk sti mellem temperaturfølerelementet og brugerens hud. Placeringen under pakken gør det udfordrende for PCB'en at rute metalbaner fra kontaktpunktet med kroppen.
Systemet skal være udformet således, at sensoren er så tæt som muligt på målstemperaturen, der skal måles. Brug af MAX30208 sensorer, bærbare designs og medicinske patches kan bruge flex eller semi-stive PCB'er. MAX30208 digitale temperatursensorer kan tilsluttes direkte til en mikrocontroller ved hjælp af et fladt fleksibelt kabel eller et fladt printerkabel.
Det er vigtigt at placere temperatursensor IC på flexsiden af PCB'en, hvilket reducerer den termiske modstand mellem overfladen af huden og sensoren. Designere bør også minimere tykkelsen af Flex Board for effektiv bøjning og bedre kontakt.
Digitale temperatursensorer er typisk bundet til microcontrollere via en I2C serielt interface. Maxims MAX30208CLB +, anvender for eksempel en 32-ord først ind først ud til at skabe en temperaturføler setup register med op til 32 temperaturmålinger, der hver omfatter to bytes. Dette giver en microcontroller til søvn i længere perioder for at spare strøm (figur 2). Memory-kortlagt registre tillader også følere til at tilbyde høj og lav tærskel digital temperatur alarmer.
Et generelt formål input / output pin kan konfigureres til at udløse en temperatur konvertering og en anden konfigureret til at generere et interrupt til valgbare statusbit.
Fabrikskalibrering
Mange digitale temperaturfølere er fra fabrikken kalibreret, eliminerer behovet for rekalibrering en gang om året, som det er tilfældet for mange arv temperaturfølere. Dette omgår behovet for at udvikle software til at linearisere produktionen, samt simulere og finjustere kredsløbet. Derudover er det eliminerer behovet for flere præcision komponenter og minimerer risikoen for impedans mismatch.
Den AS621x familie af temperatursensorer fra ams er fabrikken kalibreret og har integreret linearisering (figur 3). Det har også otte I2C adresser til overvågning af temperaturen på otte potentielle brændpunkter via en enkelt bus. Det serielle interface og flere I2C adresser gør prototyping og design verifikation lettere.
Versioner nøjagtighed på ± 0,2 ° C, ± 0,4 ° C og ± 0,8 ° C er tilgængelige. For sundhedsrelaterede overvågningssystemer, nøjagtighed på ± 0,2 ° C er tilstrækkelig (den AS6212-AWLT-L). Alle AS621x enheder har 16bit opløsning til at detektere små variationer i temperatur over -40 ° C til + 125 ° C driftsområde.
Den AS621x måler 1,5mm2 og leveres i en wafer-niveau chip skala pakke. Forsyningsspændingen er 1.71V med 6μA forbrug under drift og 0.1μA i standby, hvilket gør AS6212-AWLT-L særligt velegnede til batteridrevne applikationer.
Kontaktløs temperaturfølere
Infrarøde termometre udføre kontaktløse temperaturmålinger af omgivelsestemperatur og temperaturen af en genstand.
Sådanne termometre påvise nogen energi over 0 Kelvin (absolut nul), der udsendes af en genstand foran apparatet. Detektoren omdanner energien til et elektrisk signal og sender det til en processor til at fortolke og vise dataene efter kompensere for variationer, der skyldes omgivelsernes temperatur.
Et eksempel er MLX90614ESF-BCH-000-TU infrarødt termometer fra Melexis. Den omfatter en infrarød termosøjle detektorchip og et signal conditioning chip integreret i en TO-39 pakke (figur 4). Der er også en støjsvag forstærker, 17-bit analog til digital konverter og digital signalprocessor til nøjagtighed og opløsning.
De infrarøde termometre er fabrikken kalibreret til et temperaturområde fra -40 ° C til 85 ° C (omgivelsestemperatur) og -70 ° C til 382,2 ° C i objekt temperatur. Standard nøjagtighed er 0,5 ° C ved stuetemperatur.
Sensoren er fabrikskalibreret med en digital SMBus output og har en opløsning på 0,02 ° C. Alternativt kan designere konfigurere 10bit pulsbreddemodulation (PWM) digital udgang med en opløsning på 0,14 ° C.
udviklingsstøtte
De MAX30208 sensorer understøttes af MAX30208EVSYS # evalueringssystemet, som omfatter en flex PCB at holde MAX30208 temperaturføler IC (figur 5). Den MAX32630FTHR microcontroller bord og MAX30208 interfacekortet er forbundet via headere. Evalueringen hardware kan tilsluttes til en pc med det medfølgende USB-kabel. Systemet vil derefter automatisk installere de nødvendige enhedsdrivere klar til EV kit software, der skal downloades.
Til måling af legemstemperatur på flere steder, kan MAX30208 temperatur IC'er tilsluttes via I2C adresser i en daisy-chain arrangement til et enkelt batteri og vært microcontroller. Hver temperatursensor polles af mikrocontrolleren regelmæssigt for at skabe en profil af både lokale og hel-legemstemperatur.
Udviklere kan bruge Mikroe-1362 Irthermo Click Board fra Mikroelektronika til brug sammen med MLX90614 infrarød sensor.Dette links MLX90614ESF-AAA-enkeltzone-infrarød termometermodul til mikrocontrollerbrættet via enten Mikrobus I2C-linjen eller PWM-linjen (Figur 6).
5V-kortet kalibreres for -40 ° C til 85 ° C omgivelsestemperatur og -70 ° C til + 380 ° C objekttemperaturområder.
