發布日期：2022-04-17 點擊率：27
隨著全球對 COVID-19 的關注，用于溫度感測的便攜式和可穿戴設備的設計人員面臨著減小器件尺寸、降低成本和功耗的挑戰，同時他們還必須提高精度、靈敏度和可靠性。為了幫助應對挑戰，不僅在性能方面，而且在整體易用性方面，傳感器也在不斷提高以簡化設計和集成過程。
本文將先討論溫度傳感器的基本類型，然后再重點介紹數字 IC 傳感器以及設計人員應關注的核心功能。本文將介紹 ams 和 Maxim Integrated 推出的數字溫度傳感器實例，并以 Melexis Technologies NV 推出的紅外溫度計為例，介紹非接觸式溫度傳感。此外，本文還將展示這些器件如何滿足下一代系統的需求，并介紹相關的評估板和探頭套件，以及如何利用它們來幫助設計人員入門。
以下四種常見的溫度傳感器類型可供設計人員選擇以用于溫度感測：熱電偶、電阻式溫度器件 (RTD)、熱敏電阻和溫度傳感器 IC；其中，溫度傳感器 IC 是接觸式醫療和保健設計的不錯選擇。這主要是因為它們不需要線性化，具有良好的抗噪能力，并且比較容易集成到便攜式和可穿戴醫療設備中。對于非接觸式感測，可以使用紅外溫度計。
設計人員需要考慮的關鍵參數，特別是對于可穿戴應用（無論是腕戴式設備、智能服裝，還是醫用貼片），包括尺寸、功耗和熱靈敏度。靈敏度很重要，因為進行臨床級精度設計時，即使是微瓦 (μW) 級的瞬時功率也會使傳感器發熱，導致讀數不準確。另一個考慮因素是接口類型（數字或模擬），因為這決定了微控制器等相關元器件的要求。
要達到 ASTM E112 規定的臨床級精度，首先要選擇合適的傳感器。例如，Maxim Integrated 的 MAX30208 數字溫度傳感器，在 +30℃ 至 +50℃ 范圍內具有 ±0.1℃ 的精度，在 0℃ 至 +70℃ 范圍內具有 ±0.15℃ 的精度。這些器件的尺寸為 2 x 2 x 0.75 mm，并采用薄型 10 引腳 LGA 封裝（圖 1）。IC 的工作電源電壓范圍為 1.7 V 至 3.6 V，工作時消耗的電流不到 67 μA，待機時消耗的電流為 0.5 μA。
圖 1：MAX30208 數字溫度傳感器為智能手表和醫用貼片等電池供電設備提供 ±0.1℃ 的臨床級測量精度。（圖片來源：Maxim Integrated）
如前所述，在進行臨床級精度設計時，一項關鍵挑戰是確保傳感器自身的溫度不會影響可穿戴設備的測量讀數。
傳感器 IC 的熱量通過封裝引線從印刷電路板傳遞至傳感器芯片，會影響溫度讀數的精度。在溫度傳感器 IC 中，這些熱量通過位于封裝底側的金屬導熱墊傳導，從而導致寄生熱損耗。相應地，還可能會導致熱量傳入其他引腳或由其傳出。因此，這勢必會對溫度測量造成干擾。
為了消除寄生熱損耗，設計人員可以采用多種技術，首先是使用細印制線，將從傳感器 IC 傳出熱量的導熱率降至最低。此外，設計人員也可以不在封裝底側使用導熱墊，而是在封裝頂部測量溫度，盡可能遠離 IC 引腳。MAX30208CLB+ 和其他 MAX30208 數字溫度傳感器就是在封裝頂部測量溫度。
另一種緩解技術是將其他電子元器件盡可能遠離感測元件放置——因為這些元器件會給溫度監測系統帶來熱量，以最大限度減少它們對溫度測量數據的影響。
在確保與熱源熱隔離的同時，設計人員還必須保證溫度感測元件與用戶皮膚之間有良好的熱通路。封裝下方的位置使得印刷電路板與身體接觸點之間金屬走線的布設具有挑戰性。
因此，首要事項是，系統的設計應使傳感器盡可能靠近待測溫的目標。其次，通過 MAX30208 傳感器的支持，可穿戴設計和醫用貼片可以使用柔性或半剛性印刷電路板。MAX30208 數字溫度傳感器可以使用扁平柔性電纜 (FFC) 或扁平打印機電纜 (FPC) 直接連接至微控制器。
使用這些電纜時，必須將溫度傳感器 IC 放在印刷電路板的柔性側，以便減小皮膚表面與傳感器之間的熱阻。另外，設計人員應最大限度減小柔性電路板的厚度；較薄的電路板可以更有效地彎曲并實現更好的接觸。
數字溫度傳感器通常通過 I2C 串行接口連接到微控制器。Maxim 的 MAX30208CLB+ 就屬于這種情況，它還使用 FIFO 來存儲溫度數據，允許微控制器長時間休眠以省電。
圖 2：MAX30208 數字溫度傳感器適用于醫用溫度計和可穿戴式體溫監測器。（圖片來源：Maxim Integrated）
MAX30208CLB+ 數字溫度傳感器使用 32 字 FIFO 構建溫度傳感器設置寄存器，可提供多達 32 個溫度讀數，每個讀數占用兩個字節。此外，這些存儲器映射寄存器還允許傳感器提供高低閾值數字溫度報警。
該傳感器還有兩個通用 I/O (GPIO) 引腳：GPIO1 可配置為觸發溫度轉換，而 GPIO0 可配置為生成可選狀態位的中斷。
現在，許多數字溫度傳感器經過工廠校準，無需像許多傳統溫度傳感器那樣，要在現場校準或每年重新校準一次。此外，因為經過工廠校準，所以無需開發軟件以使輸出線性化以及模擬和微調電路，也不必使用眾多精密元器件，并將阻抗不匹配的風險降至最低。
例如，ams 的 AS621x 溫度傳感器系列經過工廠校準，并配備集成的線性化功能（圖 3）。它還具有八個 I2C 地址，允許設計人員使用單一總線監測八個不同潛在熱點的溫度。
圖 3：AS621x 傳感器提供了經過工廠校準的完整數字溫度系統。（圖片來源：ams）
對于健康相關監測系統的開發人員來說，具有八個 I2C 地址的串行接口也使原型開發和設計驗證更輕松。
為了幫助傳感器符合特定應用要求，AS621x 傳感器提供了三種精度版本：±0.2℃、±0.4℃ 和 ±0.8℃。對于健康相關的監測系統，±0.2℃ 內的精度已足夠，這使 AS6212-AWLT-L 成為合適的選擇。所有 AS621x 器件均具有 16 位分辨率，可在其 -40℃ 至 +125℃ 的整個工作溫度范圍內檢測微小的溫度變化。
AS621x 的尺寸為 1.5 mm2，采用晶圓級芯片尺寸封裝 (WLCSP)，可以更輕松地集成到醫療保健設備中。它的工作電源電壓為 1.71 V，工作時消耗的電流為 6 μA，待機模式下為 0.1 μA。AS6212-AWLT-L 等溫度傳感器體積小、功耗低，特別適合電池供電的移動和可穿戴設備應用。
與需要一定物理接觸的溫度傳感器 IC 不同，紅外溫度計用于執行非接觸式溫度測量。這些非接觸式傳感器測量兩個參數：環境溫度和測溫對象溫度。
此類溫度計可檢測設備前方測溫對象輻射的 0 K（絕對零度）以上的任何熱能。然后，檢測器將熱能轉化為電信號并傳遞給處理器；處理器對環境溫度引起的溫度變化進行補償后，再解讀和顯示數據。
例如，Melexis 的 MLX90614ESF-BCH-000-TU 紅外溫度計包括熱電堆紅外檢測器芯片和集成在 TO-39 封裝中的信號調理芯片（圖 4）。MLX90614 系列集成了低噪聲放大器、17 位模數轉換器 (ADC) 和數字信號處理器 (DSP)，可確保高精度和高分辨率。
圖 4：MLX90614 紅外溫度計的標準精度為室溫下 0.5℃。（圖片來源：Melexis）
MLX90614 紅外溫度計經過工廠校準，工作環境溫度范圍為 -40℃ 至 85℃，測溫對象溫度范圍為 -70℃ 至 382.2℃，標準精度為室溫下 0.5℃。
這些非接觸式溫度傳感器提供兩種輸出模式：脈沖寬度調制 (PWM) 和通過雙線接口 (TWI) 或 I2C 接口的 SMBus。該傳感器經過工廠校準，采用 SMBus 數字輸出，能夠在整個溫度范圍內提供 0.02℃ 的分辨率。另一方面，設計人員也可以配置為 10 位 PWM 數字輸出，分辨率為 0.14℃。
Maxim Integrateds 的 MAX30208EVSYS# 評估系統支持 MAX30208 系列傳感器，該評估系統包含容納了 MAX30208 溫度傳感器 IC 的柔性印刷電路板（圖 5）。該評估系統包括兩塊電路板：MAX32630FTHR 微控制器板和 MAX30208 接口板，它們通過針座連接。設計人員僅需使用隨附的 USB 電纜將評估硬件連接到 PC。然后，系統將自動安裝必要的設備驅動程序。安裝了這些軟件后，還需要下載cription.html/swpart=SFW0010120A" target="_blank">評估套件軟件。
圖 5：設計人員可以使用隨附的 USB 電纜將評估硬件連接到 PC。然后，必要的設備驅動程序將自動安裝。（圖片來源：Maxim Integrated）
這里還值得一提的是，移動或可穿戴設備可以測量多個位置的體溫。例如，在運動服裝中，可以通過 I2C 地址以菊花鏈形式，將多個 MAX30208 溫度傳感器 IC 連接到單個電池和主機微控制器。在這種情況下，微控制器定期輪詢每個溫度傳感器，以創建局部和全身溫度曲線。
對于 MLX90614 紅外傳感器，醫療器械開發人員可以從 MikroElektronika 的緊湊型 MIKROE-1362 IrThermo Click 板開始著手。它通過 mikroBUS I2C 總線或 PWM 電路，將 MLX90614ESF-AAA 單區域紅外溫度計模塊連接到微控制器板（圖 6）。
圖 6：MIKROE-1362 IrThermo Click 板可用于著手使用 Maxim Integrated 的 MLX9016 傳感器進行開發。（圖片來源：MikroElektronika）
MikroElektronika 的 5 V 電路板經過校準，工作環境溫度范圍為 -40℃ 至 85℃，測溫對象溫度范圍為 -70℃ 至 +380℃。
盡管面臨著功耗、尺寸、成本、可靠性和精度等方面的諸多挑戰，但設計人員仍需要使臨床級溫度感測更適合大眾市場。不過，現在，由評估套件提供支持的接觸式和非接觸式傳感器可以幫助他們快速有效地滿足這一需求。如上所述，這些傳感器不僅具有臨床溫度測量所需的性能特點，還經過工廠校準并配備所需的數字接口，使其更容易集成到下一代設計中。
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