Dei quattro tipi comuni di sensori di temperatura - termocoppie, dispositivi di temperatura di resistenza, termistori e impronti di temperatura ICS - IC del sensore di temperatura sono una buona opzione per i progetti medici e sanitari basati sul contatto. Principalmente, non richiedono la linearizzazione, offrono una buona immunità al rumore e sono relativamente facili da integrare in dispositivi sanitari portatili e indossabili. Per il rilevamento senza contatto, possono essere utilizzati termometri a infrarossi.
I parametri chiave sono dimensioni, consumo energetico e sensibilità termica. L'ultimo è importante per la precisione di grado clinico perché anche la potenza transitoria (μW) può riscaldare il sensore e causare letture inaccurate. Un'altra considerazione è il tipo di interfaccia (digitale o analogico), che determinerà i componenti associati, come il microcontrollore.
Precisione clinica
Assemblare accuratezza del grado clinico, per ASTM E112 (metodi di prova standard per la determinazione della dimensione media del grano), inizia con il sensore appropriato. Sensori di temperatura digitale MAX30208 di Maxim Integrated, ad esempio, funzionalità ± 0,1 ° C Precisione da + 30 ° C a + 50 ° C e ± 0,15 ° C Precisione da 0 ° C a 70 ° C. (Maxim Integrated è stato acquisito da dispositivi analogici nell'agosto del 2021.) I dispositivi misurano 2x2x0.75mm e sono in un sottile pacchetto LGA 10pin (figura 1). Le IC funzionano da una tensione di alimentazione di 1,7 V-3,6 V e consumare meno di 67 μA in funzione e 0,5 μA in standby.
È importante che la temperatura del sensore non influenza la lettura della misurazione di un dispositivo indossabile. Il calore del sensore IC, che viaggia dal PCB attraverso il pacchetto, conduce al muore del sensore e può influenzare la precisione. In un sensore di temperatura IC, questo calore viene condotto attraverso un blocco termico metallico sulla parte inferiore del pacchetto, con conseguente riscaldamento parassita. Ciò può causare la conduzione termica e fuori dagli altri perni, interferire con le misurazioni della temperatura.
Ci sono una serie di tecniche per contrastare il riscaldamento parassitario. Le tracce sottili possono essere utilizzate per ridurre al minimo la conducibilità termica lontano dal sensore IC. I progettisti possono misurare la temperatura nella parte superiore del pacchetto, il più lontano possibile dai perni IC, anziché utilizzare il tampone termico. Questo è il caso per il MAX30208CLB + e altri sensori di temperatura digitale MAX30208.
Un'altra opzione è quella di posizionare altri componenti elettronici il più lontano possibile dall'elemento di rilevamento possibile per minimizzare il loro impatto sulla misurazione della temperatura.
Considerazioni di progettazione termica
Per garantire l'isolamento termico da fonti di calore in dispositivi indossabili, deve esserci un buon percorso termico tra l'elemento di rilevamento della temperatura e la pelle dell'utente. La posizione sotto il pacchetto lo rende impegnativo per il PCB per instradare le tracce metalliche dal punto di contatto con il corpo.
Il sistema deve essere progettato in modo che il sensore sia il più vicino possibile alla temperatura di destinazione da misurare. Usando i sensori MAX30208, i disegni indossabili e le patch mediche possono utilizzare PCB flex o semirigidi. I sensori di temperatura digitale MAX30208 possono essere collegati direttamente a un microcontrollore utilizzando un cavo flessibile piatto o un cavo stampante piatto.
È essenziale posizionare il sensore della temperatura IC sul lato flessibile del PCB, che riduce la resistenza termica tra la superficie della pelle e il sensore. I progettisti dovrebbero anche minimizzare lo spessore della scheda Flex per flessibilità efficiente e un contatto migliore.
I sensori di temperatura digitale sono tipicamente collegati a microcontrollori tramite un'interfaccia seriale I2C. Maxim's MAX30208CLB +, ad esempio, utilizza prima una parola di 32 parole per creare un registro di configurazione del sensore di temperatura che offre fino a 32 letture della temperatura, ciascuna comprendente due byte. Ciò consente a un microcontroller di dormire per periodi prolungati per risparmiare energia (figura 2). I registri mappati a memoria consentono inoltre ai sensori di offrire allarmi di temperatura digitale ad alta e bassa soglia.
Un perno di ingresso / uscita generico può essere configurato per attivare una conversione della temperatura e un altro configurato per generare un interrupt per i bit di stato selezionabili.
Calibrazione della fabbrica
Molti sensori di temperatura digitale sono calibrati in fabbrica, eliminando la necessità di ricalibrazione una volta all'anno, come nel caso di molti sensori di temperatura legacy. Questo aggira la necessità di sviluppare software per lineare l'uscita, oltre a simulare e sintonizzare il circuito. Inoltre, elimina la necessità di più componenti di precisione e riduce al minimo il rischio di disallineamenti di impedenza.
La famiglia AS621X di sensori di temperatura di AMS è calibrata in fabbrica e ha integrato linearizzazione (figura 3). Ha anche otto indirizzi I2C per il monitoraggio della temperatura a otto potenziali punti caldi tramite un singolo autobus. L'interfaccia seriale e gli indirizzi I2C multipli rendono più facile la prototipazione e la verifica del design.
Sono disponibili versioni accurate a ± 0,2 ° C, ± 0,4 ° C e ± 0,8 ° C sono disponibili. Per i sistemi di monitoraggio relativi alla salute, la precisione entro ± 0,2 ° C è sufficiente (AS6212-AWLT-L). Tutti i dispositivi AS621X hanno una risoluzione a 16 bit per rilevare piccole variazioni di temperatura rispetto al campo operativo da -40 ° C a + 125 ° C.
AS621X Misura 1,5mm2 e viene fornita in un pacchetto di scala di chip di livello wafer. La tensione di alimentazione è di 1,71 V con consumo 6μA durante il funzionamento e 0,1 mA in standby, rendendo l'AS6212-AWLT-L particolarmente adatto alle applicazioni a batteria.
Sensori di temperatura contactless.
I termometri a infrarossi eseguono misurazioni della temperatura non a contatto della temperatura ambiente e della temperatura di un oggetto.
Tali termometri rilevano qualsiasi energia sopra 0 kelvin (assoluta zero) emessa da un oggetto davanti al dispositivo. Il rilevatore converte l'energia in un segnale elettrico e lo passa a un processore per interpretare e visualizzare i dati dopo aver compensato le variazioni causate dalla temperatura ambiente.
Un esempio è il termometro a infrarossi MLX90614ESF-BCH-000-TU di Melexis. Comprende un chip di rivelatore termopile a infrarossi e un chip di condizionamento del segnale integrato in un pacchetto a 39 (figura 4). C'è anche un amplificatore a basso rumore, analogico a 17 bit per il convertitore digitale e il processore digitale del segnale per accuratezza e risoluzione.
I termometri a infrarossi sono calibrati in fabbrica per un intervallo di temperatura da -40 ° C a 85 ° C (ambiente) e da -70 ° C a 382.2 ° C per la temperatura dell'oggetto. La precisione standard è di 0,5 ° C a temperatura ambiente.
Il sensore è calibrato in fabbrica con un'uscita SMBU digitale e ha una risoluzione di 0,02 ° C. In alternativa, i progettisti possono configurare l'uscita digitale della modulazione della larghezza della larghezza a 10 bit (PWM) con una risoluzione di 0,14 ° C.
Supporto per lo sviluppo
I sensori MAX30208 sono supportati dal sistema di valutazione MAX30208EVSYS #, che include un PCB flessibile per contenere il sensore di temperatura MAX30208 (Figura 5). La scheda microcontroller MAX32630FTHT e la scheda di interfaccia MAX30208 sono collegate tramite intestazioni. L'hardware di valutazione può essere collegato a un PC utilizzando il cavo USB fornito. Il sistema installerà automaticamente i driver del dispositivo necessari pronti per il download del software KIT EV.
Per la misurazione della temperatura corporea a più posizioni, la temperatura mass30208 può essere collegata tramite indirizzi I2C in una disposizione a catena a margherita a una singola batteria e microcontrollore host. Ogni sensore di temperatura viene posizionato regolarmente dal microcontrollore per creare un profilo di temperatura locale e integrale.
Gli sviluppatori possono utilizzare la scheda Fare clic su MIKROE-1362 Fare clic su Mikroelektronika da utilizzare con il sensore a infrarossi MLX90614.Questo collega il modulo termometro a infrarossi a infrarossi MLX90614ESF-AAA alla scheda microcontrollore tramite la linea MIKROBUS I2C o la linea PWM (figura 6).
La scheda 5V è calibrata per -40 ° C a 85 ° C Temperatura ambiente e -70 ° C a + 380 ° C Gamme di temperatura dell'oggetto.
