Integrer hurtigt klinisk-klasse temperaturmåling i bærbar og medicinske wearable designs

I kølvandet på global bekymring over COVID-19 udfordres designere af bærbare og wearable enheder til temperaturmåling til at reducere enhedens størrelse, omkostninger og strømforbrug samtidig med at de skal forbedre nøjagtighed, følsomhed og pålidelighed. For at hjælpe med at imødegå udfordringen forbedres sensorer ikke kun i ydelse, men også i den generelle brugervenlighed for at forenkle design- og integrationsprocessen.

Denne artikel vil diskutere de grundlæggende typer temperatursensorer, før vi fokuserer på digitale IC-sensorer og de kernefunktioner, som designere skal være på udkig efter. Det introducerer eksempler på digital temperatursensor fra ams og Maxim Integratedsamt et infrarødt termometer fra Melexis Technologies NV som et eksempel på kontaktløs temperaturmåling. Det vil også vise, hvordan disse enheder kan imødekomme behovene i næste generation af systemer, og beskrive relaterede evalueringskort og probe-kits, samt hvordan de kan bruges til at hjælpe designere i gang.

Valg af temperatursensor

Blandt de fire almindelige typer temperatursensorer kan designere vælge temperaturmåling, termoelementer, RTD'er (resistance temperature devices), termistorer og temperatursensor-IC'er; temperatursensor-IC'er er en god mulighed for kontaktbaseret medicinsk og sundhedsmæssig design. Dette skyldes hovedsageligt, at de ikke kræver linearisering, tilbyder god støjimmunitet og er relativt lette at integrere i bærbare og wearable sundhedsudstyr. Til kontaktløs måling kan infrarøde termometre bruges.

Nøgleparametre, som designere skal overveje, især til wearable applikationer, uanset om det bæres rundt om håndleddet, indlejret i tøj eller en klistret medicinsk patch inkluderer størrelse, strømforbrug og termisk følsomhed. Følsomhed er vigtig, fordi selv kortvarig effekt i størrelsesordenen mikrowatt (µW), når man designer til klinisk-klasse, kan opvarme sensoren og forårsage unøjagtige aflæsninger. En anden overvejelse inkluderer typen af interface (digital eller analog), da dette vil bestemme kravene til tilknyttede komponenter, såsom en mikrocontroller.

Sådan opnås nøjagtighed til klinisk-klasse

At møde nøjagtighed af klinisk-klasse pr. ASTM E112 starter med valg af den passende sensor. Maxim Integrated's MAX30208 digitale temperatursensorer har f.eks. ±0,1 °C nøjagtighed fra +30 °C til +50 °C og ±0,15 °C nøjagtighed fra 0 °C til +70 °C. Enhederne måler 2 x 2 x 0,75 millimeter (mm) og leveres i en tynd LGA-pakke med 10 ben (figur 1). IC'erne kører med en forsyningsspænding i intervallet fra 1,7 til 3,6 volt og forbruger mindre end 67 mikroamps (µA) i drift samt 0,5 µA i standby.

Figur 1: MAX30208 digitale temperatursensorer tilbyder klinisk klasse måling af nøjagtighed på ±0,1 °C til batteridrevne enheder som smartwatches og medicinske patches. (Billedkilde: Maxim Integrated)

Som nævnt er en kritisk udfordring ved udformning efter nøjagtighed i klinisk-klasse at sikre, at sensorens egen temperatur ikke påvirker måling af en wearable enhed.

Varme fra Sensor-IC'er, der bevæger sig fra PC-kortet gennem ledere og føres til sensordysen, kan påvirke nøjagtigheden af temperaturmålingerne. I en temperatursensor-IC ledes denne varme gennem en termisk metalpude placeret på undersiden af kredsen, hvilket resulterer i parasitisk opvarmning. Dette kan igen forårsage termisk ledning ind og ud af andre ben. Uundgåeligt forstyrrer dette temperaturmålingerne.

For at imødegå parasitisk opvarmning kan designere anvende en række teknikker, der starter med brugen af tynde baner for at minimere den termiske ledningsevne væk fra en sensor-IC. I stedet for at bruge den termiske metalpude på undersiden af pakken, kan designere måle temperaturen øverst på kredsen, så langt væk som muligt fra IC-benene. I enheder som MAX30208CLB+ og andre MAX30208 digitale temperatursensorer foretages temperaturmåling øverst på kredsen.

En anden afhjælpningsteknik er at placere andre elektroniske komponenter, som kan bidrage med varme til temperaturovervågningssystemet, så langt væk fra følerelementet som muligt for at minimere deres indflydelse på temperaturmåledataene.

Termiske designovervejelser mellem system og bruger

Mens de sikrer termisk isolering fra varmekilder, skal designere også garantere en god termisk bane mellem det temperaturmålende element og brugerens hud. Placeringen under kredsen gør det udfordrende for PC-kortet at forbinde metalbaner fra kontaktpunktet med kroppen.

Så først og fremmest bør systemet designes således, at sensoren er så tæt som muligt på måltemperaturen. For det andet, som MAX30208-sensorer, kan wearable design og medicinske patches bruge flex- eller halvstive PC-kort. MAX30208 digitale temperatursensorer kan tilsluttes direkte til en mikrocontroller ved hjælp af et fladt fleksibelt kabel (FFC) eller et fladt printerkabel (FPC).

Når du bruger disse kabler, er det vigtigt at placere temperatursensor-IC'en på flexsiden af PC-kortet, hvilket reducerer den termiske modstand mellem hudens overflade og sensoren. Desuden skal designere minimere tykkelsen på flexkortet så meget som muligt; et tyndere kort kan bøje mere effektivt og give bedre kontakt.

Digitale temperatursensorer er typisk forbundet til mikrocontrollere via et I²C seriel interface. Dette er tilfældet med Maxims MAX30208CLB+, der også bruger en FIFO til temperaturdata, hvilket tillader en mikrocontroller at være i dvale i længere perioder for at spare strøm.

Figur 2: MAX30208 digitale temperatursensorer er målrettet mod medicinske termometre og wearable krops temperaturmonitorer. (Billedkilde: Maxim Integrated)

MAX30208CLB+ digital temperatursensor bruger en 32-orders FIFO til at oprette et register til temperatursensor opsætning, der tilbyder op til 32 temperaturmålinger, der hver omfatter to byte. Disse registre giver også sensorer mulighed for at tilbyde digitale temperaturalarmer med høje og lave tærskler.

Der er også to I/O-ben (GPIO) til generelle formål: GPIO1 kan konfigureres til at udløse en temperaturkonvertering, mens GPIO0 kan konfigureres til at generere en afbrydelse for valgbare status bits.

Fabrikskalibrerede temperatursensorer

Mange digitale temperatursensorer er nu fabrikskalibreret, hvilket eliminerer behovet for at blive kalibreret i marken eller genkalibreret en gang om året, som det er tilfældet for mange ældre temperatursensorer. Fabrikskalibrering omgår desuden behovet for at udvikle software, der lineariserer output, samt simulerer og finjusterer kredsløbet. Det eliminerer også behovet for en række præcisionskomponenter og minimerer risikoen for impedansfejl.

F.eks. AS621x familie af temperatursensorer fra ams er fabrikskalibreret og leveres med integreret linearisering (figur 3). Det har også otte I²C-adresser for at give designere mulighed for at overvåge temperaturen ved otte forskellige potentielle hot spots ved hjælp af en enkelt bus.

Figur 3: AS621x-sensorer leverer et komplet digitalt temperatursystem med fabrikskalibrering. (Billedkilde: ams)

Den serielle grænseflade med otte I²C-adresser gør det også nemmere at prototype og verifikation af design for udviklere af sundhedsrelaterede overvågningssystemer.

For at hjælpe med at matche sensorerne til deres specifikke applikationskrav er AS621x-sensorerne tilgængelige i tre versioner med nøjagtighed: ±0,2 °C, ±0,4 °C og ±0,8 °C. For sundhedsrelaterede overvågningssystemer er nøjagtighed inden for ±0,2 °C tilstrækkelig, hvilket gør AS6212-AWLT-L en passende mulighed. Alle AS621x-enheder har 16-bit opløsning til at detektere små variationer i temperatur over deres fulde driftstemperaturområde fra -40 °C til +125 °C.

AS621x måler 1,5 mm² og leveres i en WLCSP-pakke (wafer-niveau-chip-skala-package) for at gøre det lettere at integrere i sundhedsudstyr. Det drives af en forsyningsspænding på 1,71 volt og forbruger 6 µA under drift og 0,1 µA i standby-tilstand. Den lille monteringsflade og det lave strømforbrug gør temperatursensorer som AS6212-AWLT-L specielt velegnede til batteridrevne mobile- og wearable applikationer.

Temperatursensorer uden fysisk kontakt

I modsætning til temperatursensor-IC'er, der kræver fysisk kontakt, udfører infrarøde termometre målinger uden berøring. Disse kontaktløse sensorer måler to parametre: Omgivelsestemperatur og temperaturen på et objekt.

Sådanne termometre detekterer enhver energi over 0 Kelvin (absolut nul), der udsendes af en genstand foran enheden. Detektoren konverterer derefter energien til et elektrisk signal og overfører den til en processor for at tolke og vise dataene efter at have kompenseret for variationer forårsaget af antændelsestemperatur.

F.eks. MLX90614ESF-BCH-000-TU infrarødt termometer fra Melexis omfatter en infrarød termoelement detektorchip og en chip til signalbehandling integreret i en TO-39-pakke (figur 4). En forstærker med lav støj, 17-bit A/D-konverter (ADC) og digital signalprocessor (DSP) integreret i MLX90614 familie sikrer høj nøjagtighed og opløsning.

Figur 4: Infrarødt termometer MLX90614 har en standardnøjagtighed på 0,5 °C ved stuetemperatur. (Billedkilde: Melexis)

Infrarøde termometre MLX90614 er fabrikskalibreret for et temperaturområde fra -40 °C til +85 °C for antændelsestemperatur og -70 °C til +382,2 °C for objektets temperatur. De har en standardnøjagtighed på 0,5 °C ved stuetemperatur.

Disse kontaktløse temperatursensorer tilbyder to udgangstilstande: Pulsbreddemodulering (PWM) og SMBus via en TWI-interface (two-wire interface) eller I²C-link. Sensoren leveres fra fabrikken kalibreret med en digital SMBus-udgang og kan betjene hele temperaturområdet med en opløsning på 0,02 °C. På den anden side kan designere konfigurere 10-bit PWM digital output med en opløsning på 0,14 °C.

Udvikling med temperatursensorer

MAX30208 sensorserie understøttes af Maxim Integrated's MAX30208EVSYS # evalueringssystem, der inkluderer et flex PC-kort, der holder MAX30208-temperatursensoren IC (figur 5). Evalueringssystemet består af to kort: MAX32630FTHR-mikrocontrollerkort og MAX30208-interfacekortet, som er forbundet via et headerstik. Designere behøver kun at forbinde evalueringshardwaren til en PC ved hjælp af det medfølgende USB-kabel. Systemet installerer derefter automatisk de nødvendige drivere. Når disse er installeret skal EV Kit-software downloades.

Figur 5: Designere kan forbinde evalueringshardwaren til en PC ved hjælp af det medfølgende USB-kabel. De nødvendige drivere installeres automatisk. (Billedkilde: Maxim Integrated)

Det er også værd at nævne her, at en mobil eller wearable enhed kan måle kropstemperatur flere steder. F.eks. I et sportsbeklædning kan flere MAX30208 temperatur IC'er tilsluttes via I²C adresserer i en daisy-chain-ordning til et enkelt batteri og host-mikrocontroller. Her polles hver temperatursensor regelmæssigt af mikrocontrolleren for at skabe en profil af både lokal og hele kroppens temperatur.

For MLX90614 infrarød sensor kan udviklere af medicinsk udstyr komme i gang med kompakt MIKROE-1362 IrThermo Click board fra MikroElektronika. Dette forbinder MLX90614ESF-AAA enkel-zone infrarødt termometermodul til mikrocontrollerkortet via enten mikroBUS I²C-linje eller PWM-linje (figur 6).

Figur 6: MIKROE-1362 IrThermo Click Board kan bruges til at komme i gang med udvikling med Maxim Integrated's MLX9016 sensor. (Billedkilde: MikroElektronika)

MikroElektronika’s 5 volt kort er kalibreret for et temperaturområde fra -40 °C til +85 °C for antændelsestemperatur og -70 °C til +380°C for objektets temperatur.

Konklusion

Designere bliver udfordret til at gøre temperaturmåling på klinisk niveau mere tilgængelig for massemarkedet på trods af udfordringer som effekt, størrelse, omkostninger, pålidelighed og nøjagtighed. Kontakt- og kontaktløse sensorer, understøttet af evaluerings-kit, er nu tilgængelige for at hjælpe dem med at imødekomme dette behov, hurtigt og effektivt. Som vist har disse sensorer ikke kun de performanceegenskaber, der kræves til klinisk temperaturmåling, de leveres også med fabrikskalibrering og digitale grænseflader, der er nødvendige for at gøre dem lettere at integrere i næste generations design.