Trong số bốn loại cảm biến nhiệt độ phổ biến - cặp nhiệt điện, thiết bị nhiệt độ điện trở, nhiệt điện trở và cảm biến nhiệt độ ICS - ICS cảm biến nhiệt độ là một lựa chọn tốt cho các thiết kế y tế và chăm sóc sức khỏe dựa trên liên hệ. Chủ yếu, chúng không cần tiết lộ, chúng cung cấp khả năng miễn dịch tiếng ồn tốt và tương đối dễ dàng để tích hợp vào các thiết bị chăm sóc sức khỏe di động và có thể đeo được. Đối với cảm biến không tiếp xúc, nhiệt kế hồng ngoại có thể được sử dụng.
Các thông số chính là kích thước, tiêu thụ điện năng và độ nhạy nhiệt. Điều cuối cùng là quan trọng đối với độ chính xác của lâm sàng vì ngay cả công suất thoáng qua (μW) có thể làm nóng cảm biến và gây ra các bài đọc không chính xác. Một cân nhắc khác là loại giao diện (kỹ thuật số hoặc tương tự), sẽ xác định các thành phần liên quan, chẳng hạn như vi điều khiển.
Độ chính xác của lâm sàng
Gặp độ chính xác cấp lâm sàng, mỗi ASTM E112 (phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để xác định kích thước hạt trung bình), bắt đầu với cảm biến thích hợp. Các cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số Max30208 của Maxim tích hợp, ví dụ, tính năng độ chính xác ± 0,1 ° C từ + 30 ° C đến + 50 ° C và ± 0,15 ° C Độ chính xác từ 0 ° C đến 70 ° C. (Tích hợp Maxim được thu thập bởi các thiết bị tương tự vào tháng 8 năm 2021.) Các thiết bị đo 2x2x0,75mm và nằm trong gói LGA 10pin mỏng (Hình 1). Các IC hoạt động từ điện áp cung cấp 1,7V-3,6V và tiêu thụ ít hơn 67μA trong hoạt động và 0,5μA ở chế độ chờ.
Điều quan trọng là nhiệt độ của cảm biến của cảm biến không ảnh hưởng đến việc đọc số đo của một thiết bị đeo được. Nhiệt của IC cảm biến, di chuyển từ PCB qua gói, dẫn đến cảm biến chết và có thể ảnh hưởng đến độ chính xác. Trong IC cảm biến nhiệt độ, nhiệt này được tiến hành thông qua một miếng nhiệt kim loại ở mặt dưới của gói, dẫn đến sưởi ấm ký sinh. Điều này có thể gây ra sự dẫn nhiệt trong và ngoài các chân khác, can thiệp vào các phép đo nhiệt độ.
Có một số kỹ thuật để chống lại hệ thống sưởi ký sinh. Dấu vết mỏng có thể được sử dụng để giảm thiểu độ dẫn nhiệt tránh xa IC cảm biến. Các nhà thiết kế có thể đo nhiệt độ ở đầu gói, càng xa càng tốt từ các chân IC, thay vì sử dụng miếng đệm nhiệt. Đây là trường hợp cho cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số MAX302088CLB + và các cảm biến kỹ thuật số MAX30208 khác.
Một tùy chọn khác là đặt các linh kiện điện tử khác càng xa phần tử cảm biến càng tốt để giảm thiểu tác động của chúng đối với phép đo nhiệt độ.
Cân nhắc thiết kế nhiệt
Để đảm bảo cách ly nhiệt từ các nguồn nhiệt trong các thiết bị có thể đeo phải có đường dẫn nhiệt tốt giữa yếu tố cảm biến nhiệt độ và da của người dùng. Vị trí bên dưới gói làm cho nó thách thức cho PCB để định tuyến các đường ray kim loại từ điểm tiếp xúc với cơ thể.
Hệ thống phải được thiết kế để cảm biến càng gần càng tốt đến nhiệt độ mục tiêu cần đo. Sử dụng cảm biến MAX30208, thiết kế có thể đeo được và các bản vá y tế có thể sử dụng PCB Flex hoặc bán cứng. Các cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số MAX30208 có thể được kết nối trực tiếp với vi điều khiển bằng cáp linh hoạt phẳng hoặc cáp máy in phẳng.
Điều cần thiết là đặt IC cảm biến nhiệt độ ở phía Flex của PCB, giúp giảm khả năng chống nhiệt giữa bề mặt da và cảm biến. Các nhà thiết kế cũng nên giảm thiểu độ dày của bảng Flex để uốn cong hiệu quả và tiếp xúc tốt hơn.
Cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số thường được liên kết với vi điều khiển thông qua giao diện nối tiếp I2C. Ví dụ: ví dụ MAX30208CLB + Maxim sẽ sử dụng 32 từ đầu tiên để tạo Đăng ký thiết lập cảm biến nhiệt độ cung cấp tối đa 32 bài đọc nhiệt độ, mỗi lần bao gồm hai byte. Điều này cho phép một bộ vi điều khiển ngủ trong thời gian dài để tiết kiệm năng lượng (Hình 2). Các thanh ghi ánh xạ bộ nhớ cũng cho phép các cảm biến cung cấp các báo động nhiệt độ kỹ thuật số ngưỡng cao và thấp.
Có thể cấu hình pin đầu vào / đầu ra mục đích chung để kích hoạt chuyển đổi nhiệt độ và một cấu hình khác để tạo ngắt cho các bit trạng thái có thể chọn.
Hiệu chuẩn nhà máy
Nhiều cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số được hiệu chỉnh tại nhà máy, loại bỏ nhu cầu hiệu chỉnh lại mỗi năm một lần, như trường hợp của nhiều cảm biến nhiệt độ cũ. Điều này bỏ qua sự cần thiết phải phát triển phần mềm để tuyến hàng hóa đầu ra, cũng như mô phỏng và tinh chỉnh mạch. Ngoài ra, nó giúp loại bỏ sự cần thiết của nhiều thành phần chính xác và giảm thiểu rủi ro không khớp trở kháng.
Gia đình cảm biến nhiệt độ AS621X từ AMS là nhà máy được hiệu chỉnh và đã tích hợp tuyến tính (Hình 3). Nó cũng có tám địa chỉ I2C để theo dõi nhiệt độ tại tám điểm nóng tiềm năng thông qua một bus duy nhất. Giao diện nối tiếp và nhiều địa chỉ I2C giúp tạo mẫu và xác minh thiết kế dễ dàng hơn.
Các phiên bản chính xác đến ± 0,2 ° C, ± 0,4 ° C và ± 0,8 ° C có sẵn. Đối với các hệ thống giám sát liên quan đến sức khỏe, độ chính xác trong phạm vi ± 0,2 ° C là đủ (AS6212-AWLT-L). Tất cả các thiết bị AS621X đều có độ phân giải 16 bit để phát hiện các biến thể nhỏ về nhiệt độ trên phạm vi hoạt động -40 ° C đến + 125 ° C.
AS621X có kích thước 1,5mm2 và đi kèm trong gói quy mô chip wafer. Điện áp cung cấp là 1,71V với mức tiêu thụ 6.000A trong quá trình vận hành và 0,1μA ở chế độ chờ, tạo ra AS6212-AWLT-L được đặc biệt phù hợp với các ứng dụng chạy bằng pin.
Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc
Nhiệt kế hồng ngoại thực hiện các phép đo nhiệt độ không tiếp xúc của nhiệt độ môi trường và nhiệt độ của một vật thể.
Nhiệt kế như vậy phát hiện bất kỳ năng lượng nào trên 0 Kelvin (Zero tuyệt đối) phát ra bởi một đối tượng trước thiết bị. Máy dò chuyển đổi năng lượng thành tín hiệu điện và chuyển nó đến bộ xử lý để giải thích và hiển thị dữ liệu sau khi bù cho các biến thể do nhiệt độ môi trường gây ra.
Một ví dụ là nhiệt kế hồng ngoại MLX90614ESF-BCH-000-TU từ Melexis. Nó bao gồm một chip phát hiện nhiệt điện hồng ngoại và chip điều hòa tín hiệu được tích hợp vào gói TO-39 (Hình 4). Ngoài ra còn có bộ khuếch đại tiếng ồn thấp, tương tự 17 bit đến bộ chuyển đổi kỹ thuật số và bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số cho độ chính xác và độ phân giải.
Nhiệt kế hồng ngoại được hiệu chỉnh tại nhà máy cho phạm vi nhiệt độ -40 ° C đến 85 ° C (môi trường xung quanh) và -70 ° C đến 382,2 ° C cho nhiệt độ đối tượng. Độ chính xác tiêu chuẩn là 0,5 ° C ở nhiệt độ phòng.
Cảm biến được hiệu chuẩn của nhà máy với đầu ra SMBUS kỹ thuật số và có độ phân giải 0,02 ° C. Ngoài ra, các nhà thiết kế có thể định cấu hình đầu ra kỹ thuật số điều chế độ rộng xung 10 bit (PWM) với độ phân giải 0,14 ° C.
Hỗ trợ phát triển
Các cảm biến Max30208 được hỗ trợ bởi hệ thống đánh giá MAX30208EVSYS #, bao gồm PCB Flex để giữ IC cảm biến nhiệt độ MAX30208 (Hình 5). Bảng điều khiển vi điều khiển MAX32630FTH và bảng giao diện MAX30208 được kết nối qua các tiêu đề. Phần cứng đánh giá có thể được kết nối với PC bằng cáp USB được cung cấp. Sau đó, hệ thống sẽ tự động cài đặt trình điều khiển thiết bị cần thiết đã sẵn sàng cho phần mềm EV Kit sẽ được tải xuống.
Để đo nhiệt độ cơ thể tại nhiều vị trí, IC nhiệt độ MAX30208 có thể được kết nối thông qua các địa chỉ I2C trong sự sắp xếp chuỗi daisy đến một bộ vi điều khiển pin và máy chủ duy nhất. Mỗi cảm biến nhiệt độ được thăm dò bởi vi điều khiển thường xuyên để tạo một hồ sơ của cả nhiệt độ cục bộ và toàn bộ cơ thể.
Các nhà phát triển có thể sử dụng bảng nhấp vào Mikroe-1362 Irthermo từ Mikroelektronika để sử dụng với cảm biến hồng ngoại MLX90614.Điều này liên kết mô-đun nhiệt kế hồng ngoại một vùng MLX90614ESF-AAA cho bảng vi điều khiển thông qua dòng Mikrobus I2C hoặc đường PWM (Hình 6).
Bảng 5V được hiệu chuẩn cho -40 ° C đến 85 ° C nhiệt độ môi trường xung quanh và -70 ° C đến + 380 ° C phạm vi nhiệt độ đối tượng.
