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如何在健康監(jiān)測(cè)可穿戴設(shè)備中使用高精度數(shù)字溫度傳感器

發(fā)布時(shí)間:2022-8-11 11:58    發(fā)布者:eechina
來(lái)源:Digi-Key
作者:Jeff Shepard

精確數(shù)字溫度測(cè)量在各種應(yīng)用中非常重要,具體應(yīng)用如可穿戴設(shè)備、醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備、健康和健身追蹤器、冷鏈和環(huán)境監(jiān)測(cè)以及工業(yè)計(jì)算系統(tǒng)。雖然應(yīng)用廣泛,但高精度數(shù)字溫度測(cè)量的實(shí)現(xiàn)經(jīng)常涉及溫度傳感器的校準(zhǔn)或線性化,并需要更高的功耗,這對(duì)具有多種采集模式的緊湊型超低功耗應(yīng)用來(lái)說(shuō)是個(gè)問題。設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)也會(huì)迅速增加,造成成本超支和進(jìn)度延遲。

讓問題復(fù)雜化的是,有些應(yīng)用涉及多個(gè)溫度傳感器共享一條通信總線。此外,一些生產(chǎn)測(cè)試裝置需要根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所 (NIST) 進(jìn)行校準(zhǔn),而驗(yàn)證設(shè)備又需要由 ISO/IEC-17025 認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)。忽然間,是不是看似簡(jiǎn)單的功能變得既令人生畏又代價(jià)高昂。

本文簡(jiǎn)要介紹了移動(dòng)和電池供電型健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用中對(duì)高精度溫度測(cè)量的要求。然后,它介紹了 ams OSRAM 的一種低功耗、高精度數(shù)字溫度傳感器 IC,它不需要校準(zhǔn)或線性化。文章最后提供了一些集成建議、一塊評(píng)估板和一個(gè)帶有藍(lán)牙功能的演示套件,配套有 APP,可以修改傳感器設(shè)置并觀察對(duì)功耗的影響。

高精度溫度監(jiān)測(cè)的要求

在健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用中,精度是必須的。在制造過程中,數(shù)字溫度傳感器在性能上會(huì)出現(xiàn)部件間差異,這需要加以解決。廠家進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn)很昂貴,而且使用未經(jīng)校準(zhǔn)的傳感器會(huì)增加實(shí)現(xiàn)所需精度的成本,因此設(shè)計(jì)者應(yīng)該考慮使用經(jīng)過完全校準(zhǔn)和線性化的傳感器。當(dāng)然,重要的是要確保傳感器制造商使用可按照 NIST 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行追溯的校準(zhǔn)儀器。使用校準(zhǔn)可追溯的儀器可以確保設(shè)備按照基本 NIST 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行閉鏈管理,鏈條中每個(gè)環(huán)節(jié)的不確定性都會(huì)被識(shí)別和記錄下來(lái),從而在設(shè)備制造商的質(zhì)量保證體系中加以解決。

測(cè)試和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的主要標(biāo)準(zhǔn)是 ISO/IEC 17025“關(guān)于測(cè)試和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力的一般要求”。ISO/IEC 17025 基于專門針對(duì)校準(zhǔn)和測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)原則,用于其認(rèn)證,并為制定持續(xù)改進(jìn)計(jì)劃提供基礎(chǔ)。

支持 NIST 可追溯生產(chǎn)測(cè)試的數(shù)字溫度傳感器

為了滿足許多設(shè)計(jì)和認(rèn)證要求,設(shè)計(jì)人員可以使用 ams OSRAM 的 AS6211 數(shù)字溫度傳感器,該傳感器的精度達(dá) ±0.09°C,并且無(wú)需校準(zhǔn)或線性化。AS6211 旨在用于醫(yī)療保健設(shè)備、可穿戴設(shè)備和其他需要高性能熱信息的應(yīng)用,其生產(chǎn)測(cè)試是由獲得 ISO/IEC-17025 認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)室根據(jù) NIST 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)的。經(jīng)過校準(zhǔn)的生產(chǎn)測(cè)試加快了獲得歐盟對(duì)醫(yī)用溫度計(jì)要求的 EN 12470-3 認(rèn)證的進(jìn)度。

AS6211 是一個(gè)完整的數(shù)字溫度傳感器,采用六引腳、1.5 x 1.0 毫米 (mm) 的晶圓級(jí)芯片尺寸封裝 (WLCSP),可隨時(shí)用于系統(tǒng)集成。以可訂購(gòu)零件編號(hào) AS6221-AWLT-S 為例,它以 500 片為一卷的卷帶方式提供。AS6211 的測(cè)量是通過標(biāo)準(zhǔn) I2C 接口進(jìn)行的,支持 8 個(gè) I2C 地址,從而消除了多傳感器設(shè)計(jì)中總線沖突的擔(dān)憂。

高精度加低功率

AS6221 在 1.71 至 3.6 伏直流電壓全范圍內(nèi)提供高精度和低功耗,這對(duì)于由單電池供電的應(yīng)用特別重要。它包括一個(gè)敏感而精確的硅 (Si) 帶隙溫度傳感器,一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器,以及一個(gè)帶有相關(guān)寄存器和控制邏輯的數(shù)字信號(hào)處理器。集成的警報(bào)功能可以在一個(gè)特定的溫度閾值上觸發(fā)中斷,這個(gè)閾值是通過設(shè)置一個(gè)寄存器值來(lái)編程的。

AS6221 在進(jìn)行每秒四次測(cè)量時(shí),消耗為 6 微安 (μA),在待機(jī)模式下,功耗僅為 0.1 μA。使用集成報(bào)警功能時(shí),只有在達(dá)到溫度閾值時(shí)才喚醒應(yīng)用處理器,可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。

可穿戴設(shè)備集成選擇

在可穿戴應(yīng)用中,傳感器和皮膚之間的熱連接越好,溫度測(cè)量就越準(zhǔn)確。設(shè)計(jì)人員有幾種選擇來(lái)優(yōu)化熱連接。一種方法是在皮膚和傳感器之間放一個(gè)導(dǎo)熱接片(圖 1)。為了獲得可靠的結(jié)果,導(dǎo)熱接片需要與任何外部熱源(如設(shè)備外殼)隔離,在導(dǎo)熱接片和 AS6211 之間應(yīng)使用熱敏膏或粘合劑。這種方法的好處是使用柔性印刷電路板 (PCB) 來(lái)承載 AS6221,讓傳感器的定位更加自由。


圖 1:柔性 PCB 和熱敏膠可在皮膚和傳感器之間用于提供低熱阻路徑。(圖片來(lái)源:ams OSRAM)

在受益于將傳感器放在主 PCB 上的設(shè)計(jì)中,可以使用接觸彈簧或?qū)釅|進(jìn)行熱連接。如果傳感器安裝在 PCB 的底部,可以用一個(gè)接觸彈簧在接片和 PCB 上與傳感器相連的熱過孔之間建立熱連接(圖 2)。這種方法可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)高性價(jià)比器件,支持更遠(yuǎn)的傳感器與皮膚距離,但它需要仔細(xì)考慮多種熱界面形式,才能實(shí)現(xiàn)高水平的靈敏度。


圖 2:當(dāng)傳感器安裝在 PCB 的底部時(shí),可以使用熱過孔和接觸彈簧來(lái)連接到接片。(圖片來(lái)源:ams OSRAM)

第三種選擇是使用導(dǎo)熱墊將接片連接到安裝在 PCB 頂部的傳感器上(圖 3)。與使用彈簧觸頭或柔性 PCB 相比,這種方法需要一個(gè)具有高導(dǎo)熱性的墊子和細(xì)致的機(jī)械設(shè)計(jì),以確保接片和傳感器之間的熱阻最小。這可以實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單的裝配,同時(shí)仍然提供高水平的性能。


圖 3:導(dǎo)熱墊可以將頂部安裝的傳感器連接到接片。這提供了更簡(jiǎn)單的組裝方式,同時(shí)仍保持了高性能。(圖片來(lái)源:ams OSRAM)

改善熱響應(yīng)時(shí)間

為了獲得快速的熱響應(yīng)時(shí)間,重要的是盡量減少對(duì)測(cè)量的外部影響,特別是直接與傳感器相鄰的 PCB 部分。有兩個(gè)可行的設(shè)計(jì)建議,一是使用切口來(lái)盡量減少 PCB 頂部傳感器附近的任何銅平面(圖 4,頂部),并通過使用傳感器下面的切口區(qū)域來(lái)減少 PCB 底部的熱負(fù)荷,以減少 PCB 的整體質(zhì)量(圖 4,底部)。


圖 4:PCB 頂部和底部的切口可以最大限度地減少傳感器周圍的 PCB 質(zhì)量,并提高其響應(yīng)時(shí)間。(圖片來(lái)源:ams OSRAM)

除了最大程度減少 PCB 影響外,其他有助于提高測(cè)量速度和性能的技術(shù)包括:

· 最大限度地?cái)U(kuò)大與皮膚的接觸面積,以增加傳感器的可用熱量。
· 使用薄銅印制線,盡量減少電源和地平面的尺寸。
· 使用盡可能小的電池和其他部件,如顯示器,以實(shí)現(xiàn)設(shè)備性能要求。
· 設(shè)計(jì)封裝將 PCB 上的傳感器與周圍的元件和外部環(huán)境進(jìn)行熱隔離。

環(huán)境溫度檢測(cè)

在使用多個(gè)溫度傳感器時(shí),還需要考慮其他因素,例如在同時(shí)使用皮膚溫度和周圍環(huán)境溫度的設(shè)計(jì)中。每次測(cè)量都應(yīng)使用單獨(dú)的傳感器。器件的熱設(shè)計(jì)應(yīng)使兩個(gè)傳感器之間的熱阻最大化(圖 5)。較高中間熱阻在傳感器之間提供了更好的隔離,確保測(cè)量不會(huì)相互干擾。器件封裝應(yīng)使用具有低導(dǎo)熱性的材料制作,并在兩個(gè)傳感器部分之間插入熱隔離柵。


圖 5:為了準(zhǔn)確檢測(cè)環(huán)境溫度,皮膚和環(huán)境溫度傳感器之間應(yīng)該有很高的熱阻。(圖片來(lái)源:ams OSRAM)

評(píng)估套件促進(jìn)了 AS6221 的開發(fā)

為了加快應(yīng)用開發(fā)和上市速度,ams OSRAM 為設(shè)計(jì)人員提供了評(píng)估套件和演示套件。AS62xx 評(píng)估套件可用于快速設(shè)置 AS6221 數(shù)字溫度傳感器,實(shí)現(xiàn)對(duì)其能力的快速評(píng)估。這個(gè)評(píng)估套件直接連接到一個(gè)外部微控制器 (MCU),可以用來(lái)訪問溫度測(cè)量值。


圖 6:AS62xx 評(píng)估套件可用于設(shè)置和評(píng)估 AS6221。(圖片來(lái)源:ams OSRAM)

用于 AS6221 的演示套件

一旦完成基本評(píng)估,設(shè)計(jì)人員就可以使用 AS6221演示套件作為應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)。該演示套件包括一個(gè) AS6221 溫度按鈕和一個(gè) CR2023 紐扣電池。從 App Store 或 Google Play Store 下載配套的 APP,支持一次連接多達(dá)三個(gè)傳感器按鈕(圖 7)。該 APP 通過藍(lán)牙與傳感器按鈕進(jìn)行通信,使得修改所有傳感器設(shè)置成為可能(包括測(cè)量頻率),并可以觀察對(duì)耗電量的影響。該 APP 可以記錄測(cè)量序列,從而能夠?qū)Ω鞣N溫度傳感器設(shè)置的性能進(jìn)行比較。設(shè)計(jì)人員還可以使用演示套件來(lái)試驗(yàn)警報(bào)模式,了解如何利用它來(lái)提高解決方案的性能。


圖 7:AS6221 演示套件可作為 AS6221 的溫度傳感器應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)。(圖片來(lái)源:ams OSRAM)

結(jié)語(yǔ)

醫(yī)療保健、健身和其他可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)高精度的數(shù)字溫度傳感系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的過程,涉及設(shè)計(jì)、測(cè)試和認(rèn)證方方面面。為了簡(jiǎn)化流程,降低成本,并更快地進(jìn)入市場(chǎng),設(shè)計(jì)者可以使用高度集成的低功耗、高精度傳感器。

如上所述,AS6221 就是這樣一個(gè)器件。它不需要校準(zhǔn)或線性化,生產(chǎn)測(cè)試設(shè)備由 ISO/IEC-17025 認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)室按照 NIST 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了校準(zhǔn),加快了醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)和審批過程。
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