De los cuatro tipos comunes de sensores de temperatura: termopares, dispositivos de temperatura de resistencia, termistores y sensores de temperatura ICS: el ICS del sensor de temperatura es una buena opción para los diseños médicos y de atención médica basados en contacto. Principalmente, no requieren linealización, ofrecen una buena inmunidad de ruido y son relativamente fáciles de integrar en dispositivos de atención médica portátiles y portátiles. Para detección sin contacto, se pueden usar termómetros infrarrojos.
Los parámetros clave son el tamaño, el consumo de energía y la sensibilidad térmica. La última es importante para la precisión de grado clínico porque incluso la potencia transitoria (μW) puede calentar el sensor y causar lecturas inexactas. Otra consideración es el tipo de interfaz (digital o analógica), que determinará los componentes asociados, como el microcontrolador.
Precisión de grado clínico
Reunión de la precisión de grado clínico, por ASTM E112 (métodos de prueba estándar para determinar el tamaño de grano promedio), comienza con el sensor apropiado. Los sensores de temperatura digital MAX30208 de MAXIM integrados, por ejemplo, la característica ± 0.1 ° C Precisión de + 30 ° C a + 50 ° C y ± 0.15 ° C Precisión de 0 ° C a 70 ° C. (Maxim Integrated fue adquirido por dispositivos analógicos en agosto de 2021). Los dispositivos miden 2x2x0.75mm y están en un paquete delgado 10PIN LGA (Figura 1). El ICS funciona de una tensión de suministro de 1.7V-3.6V y consume menos de 67μA en funcionamiento y 0.5μA en espera.
Es importante que la temperatura propia del sensor no influya en la lectura de medición de un dispositivo portátil. El calor del sensor IC, que viaja desde la PCB a través del paquete, conduce a la matriz del sensor y puede afectar la precisión. En un sensor de temperatura IC, este calor se realiza a través de una almohadilla térmica metálica en la parte inferior del paquete, lo que resulta en calentamiento parásito. Esto puede causar una conducción térmica dentro y fuera de otros pasadores, interfiriendo con las mediciones de temperatura.
Hay una serie de técnicas para contrarrestar el calentamiento parásito. Se pueden usar trazas finas para minimizar la conductividad térmica alejada del sensor IC. Los diseñadores pueden medir la temperatura en la parte superior del paquete, lo más lejos posible de los pasadores IC, en lugar de usar la almohadilla térmica. Este es el caso del MAX30208clb + y otros sensores de temperatura digital MAX30208.
Otra opción es colocar otros componentes electrónicos tan alejados del elemento de detección como sea posible para minimizar su impacto en la medición de la temperatura.
Consideraciones de diseño térmico
Para garantizar el aislamiento térmico de las fuentes de calor en dispositivos portátiles, debe haber una buena ruta térmica entre el elemento de detección de temperatura y la piel del usuario. La ubicación debajo del paquete hace que sea difícil para el PCB enrutar las pistas metálicas desde el punto de contacto con el cuerpo.
El sistema debe diseñarse de modo que el sensor esté lo más cerca posible de la temperatura objetivo a medir. Usando los sensores MAX30208, los diseños portátiles y los parches médicos pueden usar PCB flex o semirrígidos. Los sensores de temperatura digital MAX30208 se pueden conectar directamente a un microcontrolador utilizando un cable plano flexible o un cable de impresora plana.
Es esencial colocar el sensor de temperatura IC en el lado flexible de la PCB, lo que reduce la resistencia térmica entre la superficie de la piel y el sensor. Los diseñadores también deben minimizar el grosor de la placa flexible para una flexión eficiente y un mejor contacto.
Los sensores de temperatura digital normalmente están vinculados a microcontroladores a través de una interfaz serie I2C. El MAX30208clb +, por ejemplo, utiliza una primera palabra de 32 palabras en primer lugar para crear un registro de configuración de sensor de temperatura que ofrece hasta 32 lecturas de temperatura, cada una que comprende dos bytes. Esto permite que un microcontrolador se produzca durante períodos prolongados para conservar la potencia (Figura 2). Los registros asignados a la memoria también permiten que los sensores ofrezcan alarmas de temperatura digital de umbral alto y bajo.
Se puede configurar un PIN de entrada / salida de propósito general para activar una conversión de temperatura y otra configurada para generar una interrupción para bits de estado seleccionables.
Calibración de fábrica
Muchos sensores de temperatura digital están calibrados en fábrica, eliminando la necesidad de recalibración una vez al año, como es el caso de muchos sensores de temperatura heredada. Esto pasa por alto la necesidad de desarrollar software para linealizar la salida, así como simular y ajustar el circuito. Además, elimina la necesidad de múltiples componentes de precisión y minimiza el riesgo de desajustes de impedancia.
La familia AS621X de los sensores de temperatura de AMS está calibrada de fábrica y tiene linealización integrada (Figura 3). También tiene ocho direcciones I2C para monitoreo de temperatura en ocho potenciales puntos calientes a través de un solo autobús. La interfaz serial y las múltiples direcciones I2C facilitan la creación de prototipos y diseño de diseño.
Las versiones precisas a ± 0.2 ° C, ± 0.4 ° C y ± 0.8 ° C están disponibles. Para los sistemas de monitoreo relacionados con la salud, la precisión dentro de ± 0.2 ° C es suficiente (el AS6212-AWLT-L). Todos los dispositivos AS621x tienen una resolución de 16 bits para detectar pequeñas variaciones en la temperatura a través del rango de operación de -40 ° C a + 125 ° C.
El AS621x mide 1.5mm2 y viene en un paquete de escala de chip de nivel de obleas. El voltaje de suministro es de 1.71V con 6 μA de consumo durante la operación y 0.1μA en espera, lo que hace que el AS6212-AWT-L sea particularmente adecuado para las aplicaciones con batería.
Sensores de temperatura sin contacto
Los termómetros infrarrojos realizan mediciones de temperatura de no contacto de la temperatura ambiente y la temperatura de un objeto.
Dichos termómetros detectan cualquier energía por encima de 0 kelvin (cero absoluto) emitido por un objeto en frente del dispositivo. El detector convierte la energía en una señal eléctrica y la pasa a un procesador para interpretar y mostrar los datos después de compensar las variaciones causadas por la temperatura ambiente.
Un ejemplo es el termómetro infrarrojo MLX90614ESF-BCH-000-TU de Melexis. Comprende un chip de detector de termopilas infrarrojas y un chip de acondicionamiento de señal integrado en un paquete a TO-39 (Figura 4). También hay un amplificador de bajo nivel de ruido, análogo de 17 bits con convertidor digital y procesador de señales digitales para la precisión y la resolución.
Los termómetros infrarrojos se calibran de fábrica para un rango de temperatura de -40 ° C a 85 ° C (ambiental) y -70 ° C a 382.2 ° C para la temperatura del objeto. La precisión estándar es de 0.5 ° C a temperatura ambiente.
El sensor está calibrado de fábrica con una salida DIGITAL SMBUS y tiene una resolución de 0.02 ° C. Alternativamente, los diseñadores pueden configurar la salida digital de la modulación de ancho de pulso de 10 bits (PWM) con una resolución de 0.14 ° C.
Apoyo al desarrollo
Los sensores MAX30208 son compatibles con el sistema de evaluación MAX30208EVSYS #, que incluye un PCB FLEX para mantener el Sensor de temperatura MAX30208 IC (Figura 5). La placa de microcontrolador MAX32630FTHR y la placa de interfaz MAX30208 están conectadas a través de encabezados. El hardware de evaluación se puede conectar a una PC utilizando el cable USB proporcionado. El sistema instalará automáticamente los controladores de dispositivo necesarios listos para que se descargue el software del kit EV.
Para medir la temperatura corporal en múltiples ubicaciones, los IC3 de la temperatura MAX30208 se pueden conectar a través de direcciones I2C en una disposición de cadena de margaritas a una sola batería y un microcontrolador del host. Cada sensor de temperatura está encuestado por el microcontrolador regularmente para crear un perfil de la temperatura local y de todo el cuerpo.
Los desarrolladores pueden usar el tablero de clic IRTHERMO Mikroe-1362 de Mikroelektronika para usar con el sensor infrarrojo MLX90614.Esto vincula el módulo de termómetro infrarrojo de una sola zona MLX90614ESF-AAA a la placa de microcontrolador a través de la línea MIKROBUS I2C o la línea PWM (Figura 6).
La placa de 5V se calibra por -40 ° C a 85 ° C temperatura ambiente y -70 ° C a + 380 ° C Rangos de temperatura de objeto.
