Sådan bruges digitale temperatursensorer med høj nøjagtighed i wearables til sundhedsovervågning

Nøjagtige digitale temperaturmålinger er vigtige i en række applikationer, herunder wearables, medicinske overvågningsenheder, sundheds- og fitness-trackere, kølekæde- og miljøovervågning samt industrielle computersystemer. Selv om de anvendes i vid udstrækning, indebærer implementeringen af meget nøjagtige digitale temperaturmålinger ofte kalibrering eller linearisering af temperatursensorer samt et højere strømforbrug, hvilket kan være et problem for kompakte applikationer med ultra lavt strømforbrug og flere opsamlingstilstande. Designudfordringerne kan hurtigt vokse, hvilket kan medføre omkostningsoverskridelser og forsinkede tidsplaner.

For at komplicere sagen er der i nogle applikationer flere temperatursensorer, der deler en enkelt kommunikationsbus. Desuden skal nogle produktionstestopsætninger kalibreres i henhold til U.S. National Institute of Standards and Technology (NIST), mens verifikationsudstyr skal kalibreres af et ISO/IEC-17025-akkrediteret laboratorium. Pludselig bliver det, der syntes at være en simpel funktion, både uoverskueligt og dyrt.

I denne artikel beskrives kort kravene til temperaturmålinger med høj nøjagtighed i mobile og batteridrevne applikationer til sundhedsovervågning. Derefter introduceres en digital temperatursensor-IC med lavt strømforbrug og høj nøjagtighed fra ams OSRAM, som ikke kræver kalibrering eller linearisering. Den afsluttes med integrationsanbefalinger, et evalueringskort og et Bluetooth-aktiveret demokit med en tilhørende app, der gør det muligt at ændre sensorindstillingerne og observere virkningen på strømforbruget.

Krav til temperaturovervågning med høj nøjagtighed

Nøjagtighed er obligatorisk i applikationer til sundhedsovervågning. Som de er fremstillet, udviser digitale temperatursensorer variationer i ydeevne fra del til del, som skal behandles. Da intern kalibrering er dyrt, og da brugen af ukalibrerede sensorer øger omkostningerne ved at opnå den ønskede nøjagtighed, bør designere overveje sensorer, der er fuldt kalibrerede og lineariserede. Det er dog vigtigt at sikre, at sensorproducenten anvender kalibreringsinstrumenter, der kan spores til NIST-standarder. Ved at anvende instrumenter med sporbar kalibrering sikres en ubrudt kæde tilbage til de grundlæggende NIST-standarder, hvor usikkerhederne i hvert led i kæden identificeres og dokumenteres, så de kan behandles i udstyrsproducentens kvalitetssikringssystem.

Den primære standard for prøvnings- og kalibreringslaboratorier er ISO/IEC 17025 "Generelle krav til prøvnings- og kalibreringslaboratoriers kompetence". ISO/IEC 17025 er baseret på tekniske principper, der specifikt fokuserer på kalibrerings- og prøvningslaboratorier, og anvendes til akkreditering af disse og danner grundlag for udvikling af planer for løbende forbedringer.

Digital temperatursensor med NIST-sporbar produktionstest

For at opfylde de mange design- og certificeringskrav kan designere henvende sig til den digitale AS6211-temperatursensor fra ams OSRAM, der giver en nøjagtighed på op til ±0,09 °C og ikke kræver kalibrering eller linearisering. AS6211 er designet til brug i sundhedsudstyr, wearables og andre applikationer, der kræver højtydende termiske oplysninger, og produktionstesten af AS6211 er kalibreret af et ISO/IEC-17025 akkrediteret laboratorium i henhold til NIST-standarder. Den kalibrerede produktionstestning fremskynder processen med at opnå certificering i henhold til EN 12470-3, som er et krav til medicinske termometre i Den Europæiske Union.

AS6211 er en komplet digital temperatursensor i en WLCSP-pakke (Wafer Level Chip Scale Package) på 1,5 x 1,0 mm med seks ben, klar til systemintegration. Et eksempel på et varenummer, som kan bestilles er AS6221-AWLT-S, hvilken leveres i partier på 500 stk. tape & reel. AS6211's målinger leveres via en standard I²C-interface, og den understøtter otte I²C-adresser, hvilket eliminerer bekymringer om buskonflikter i designs med flere sensorer.

Høj nøjagtighed plus lav effekt

AS6221 leverer høj nøjagtighed med lavt strømforbrug i hele forsyningsområdet fra 1,71 til 3,6 volt DC, hvilket er særligt vigtigt i applikationer, der drives af en enkelt battericelle. Den omfatter en følsom og nøjagtig silicium (Si)-båndgabstemperatur sensorer, en analog-digital-konverter og en digital signalprocessor med tilhørende registre og styrelogik. Den integrerede alarmfunktion kan udløse en afbrydelse ved en bestemt temperaturgrænse kan programmeres ved at indstille en registerværdi.

AS6221 bruger 6 µA ved fire målinger pr. sekundt, og i standbytilstand er strømforbruget kun 0,1 µA. Brugen af den integrerede alarmfunktion til kun at vække applikationsprocessoren, når en temperaturtærskel er nået, kan reducere systemets strømforbrug endnu mere.

Muligheder for integration af wearables

I bærbare applikationer gælder det, at jo bedre den termiske forbindelse mellem sensoren og huden er mere nøjagtige temperaturmålinger. Designere har flere muligheder for at optimere den termiske forbindelse. En måde er at anbringe en termisk ledende stift mellem huden og sensoren (figur 1). For at opnå pålidelige resultater skal stiften isoleres fra eksterne kilder til termisk energi, f.eks. enhedens kabinet, og der skal anvendes en termisk pasta eller et klæbemiddel mellem stiften og AS6211. Denne fremgangsmåde har fordel af at bruge et fleksibelt (flex) PCB til at bære AS6221, hvilket giver større frihed til at placere sensoren.

Figur 1: Der kan bruges et flex PCB og termisk klæbemiddel til at skabe en vej med lav termisk impedans mellem huden og sensoren. (Billedkilde: ams OSRAM)

I konstruktioner, hvor det er en fordel at have sensoren på hovedprintet, kan den termiske forbindelse foretages ved hjælp af en kontaktfjeder eller en termisk pude. Hvis sensoren er monteret på bunden af printpladen, kan der bruges en kontaktfjeder til at skabe en termisk forbindelse mellem kontaktbene og termiske vias på printpladen, der er forbundet til sensoren (figur 2). Denne fremgangsmåde kan resultere i en omkostningseffektiv enhed, der understøtter længere afstande mellem sensoren og huden, men det kræver nøje overvejelse af de forskellige termiske grænseflader for at opnå høj følsomhed.

Figur 2: Når sensoren er monteret på bunden af et printkort, kan der bruges termiske vias og en kontaktfjeder til at forbinde til kontaktstiften. (Billedkilde: ams OSRAM)

En tredje mulighed er at bruge en termisk pude til at forbinde stiften med en sensor, der er monteret på toppen af printkortet (figur 3). Sammenlignet med brugen af en fjederkontakt eller et flex PCB kræver denne fremgangsmåde en pude med høj termisk ledningsevne og omhyggelig mekanisk konstruktion for at sikre minimal termisk impedans mellem kontaktstiften og sensoren. Dette kan resultere i en enklere samling, samtidig med at der stadig opnås en høj ydeevne.

Figur 3: En termisk pude kan forbinde en topmonteret sensor med kontaktstiften. Det gør det nemmere at samle, samtidig med at det stadig giver høj ydeevne. (Billedkilde: ams OSRAM)

Forbedring af den termiske responstid

For at opnå hurtige termiske responstider er det vigtigt at minimere de eksterne påvirkninger af målingen, især af den del af PCB'et, der støder direkte op til sensoren. To mulige designforslag er at bruge udskæringer for at minimere kobberplader i nærheden af sensoren på toppen af PCB'et (Figur 4, øverst) og at reducere den termiske belastning fra bunden af PCB'et ved at bruge et udskæringsområde under sensoren for at reducere den samlede PCB-masse (Figur 4, nederst).

Figur 4: Udskæringer i toppen og bunden af printkortet kan minimere printkortets masse omkring sensoren og forbedre dennes responstid. (Billedkilde: ams OSRAM)

Ud over at minimere PCB-effekter er der andre teknikker, der kan bidrage til at forbedre målehastigheden og ydeevnen:

• Maximering af kontaktområdet med huden for at øge den varme, der er tilgængelig for sensoren.
• Brug af tynde kobberbaner og minimering af størrelsen af strøm- og jordplader.
• Brug af batterier og andre komponenter, f.eks. skærme, der er så små som muligt for at opfylde kravene til enhedens ydeevne.
• Udformning af pakken for at isolere sensoren på PCB'et termisk fra de omgivende komponenter og det ydre miljø.

Registrering af omgivelsestemperatur

Der skal tages yderligere hensyn, når der anvendes flere temperatursensorer, f.eks. i konstruktioner, der bruger både hudtemperaturen og temperaturen i det omgivende miljø. Der skal anvendes en separat sensor til hver måling. Enhedens termiske design skal maksimere den termiske impedans mellem de to sensorer (figur 5). En højere mellemliggende termisk impedans giver en bedre isolation mellem sensorerne og sikrer, at målingerne ikke forstyrrer hinanden. Enhedspakken bør fremstilles af materialer med lav varmeledningsevne, og der bør indsættes en termisk isolationsbarriere mellem de to sensordele.

Figur 5: For at opnå nøjagtig registrering af omgivelsestemperaturen skal der være en høj termisk modstand mellem huden og omgivelses temperatursensorerne. (Billedkilde: ams OSRAM)

Evalueringskit kickstarter udviklingen af AS6221

For at fremskynde applikationsudviklingen og markedsføringstiden tilbyder ams OSRAM designere både et evalueringskit og et demokit. AS62xx evalueringskit kan bruges til hurtigt at opsætte den digitale AS6221-temperatursensor, hvilket giver mulighed for en hurtig evaluering af dennes egenskaber. Dette evalueringskit kan tilsluttes direkte til en ekstern mikrocontroller (MCU), som kan bruges til at få adgang til temperaturmålinger.

Figur 6: AS62xx evalueringskittet kan bruges til at opsætte og evaluere AS6221. (Billedkilde: ams OSRAM)

Demokit til AS6221

Når den grundlæggende evaluering er afsluttet, kan designerne bruge AS6221-demokittet som platform til udvikling af applikationer. Demokittet indeholder en AS6221 temperaturknap og et CR2023-møntbatteri. Ved at downloade den tilhørende app fra App Store eller Google Play Store kan du oprette forbindelse til op til tre sensorknapper på én gang (Figur 7). Appen kommunikerer med sensorknapperne via Bluetooth, hvilket gør det muligt at ændre alle sensorindstillingerne, herunder målefrekvensen, og observere effekten på strømforbruget. Appen kan registrere målesekvenser og dermed sammenligne forskellige temperatursensorers ydeevne med forskellige indstillinger. Designere kan også bruge demokittet til at eksperimentere med alarmtilstanden og lære, hvordan den kan bruges til at forbedre løsningens ydeevne.

Figur 7: AS6221-demokittet tjener som en udviklingsplatform for AS6221-temperatursensorapplikation. (Billedkilde: ams OSRAM)

Konklusion

Design af digitale temperaturfølesystemer med høj nøjagtighed til sundhedspleje, fitness og andre wearables er en kompleks proces med hensyn til design, test og certificering. For at forenkle processen, sænke omkostningerne og komme hurtigere på markedet kan designerne bruge højt integrerede sensorer med lavt strømforbrug og høj nøjagtighed.

Som vist er AS6221 en sådan enhed. Det kræver ikke kalibrering eller linearisering, og produktionstestudstyret er kalibreret i henhold til NIST-standarder af et ISO/IEC-17025-akkrediteret laboratorium, hvilket fremskynder design- og godkendelsesprocessen for medicinsk udstyr.

Anbefalet læsning

1. Forbedre batteriets levetid i wearables gennem effektiv tidsregistrering i inaktive tilstand
2. Brug justerbare LDO'er med lavt lækageindhold til at forlænge batteriets levetid i bærbare designs
3. Øg nøjagtigheden af fitness-trackere ved hjælp af trykfsensor med høj nøjagtighed