Jak používat vysoce přesné digitální snímače teploty v nositelné elektronice pro monitorování zdraví

Přesná digitální měření teploty jsou důležitá v řadě aplikací, včetně nositelné elektroniky, lékařských monitorovacích zařízení, sledovačů zdraví a kondice, monitorování chladicích řetězců a životního prostředí a průmyslových počítačových systémů. Ačkoli je implementace vysoce přesných digitálních měření teploty široce využívána, často zahrnuje kalibraci nebo linearizaci snímače teploty, stejně jako vyšší spotřebu energie, což může být problém pro kompaktní aplikace s velmi nízkou spotřebou energie s více režimy snímání. Výzvy v oblasti návrhu se mohou rychle hromadit, což může způsobit překročení nákladů a zpoždění plánů.

Celá záležitost se komplikuje tím, že některé aplikace zahrnují více snímačů teploty sdílejících jednu komunikační sběrnici. Některá nastavení produkčních testů je navíc třeba kalibrovat podle amerického Národního institutu pro standardy a technologie (NIST), zatímco ověřovací zařízení musí být kalibrováno akreditovanou laboratoří ISO/IEC-17025. To, co se zdálo být přímočarou funkcí, se najednou stává zastrašujícím a nákladným.

Tento článek stručně popisuje požadavky na vysoce přesné měření teploty v mobilních a bateriově napájených aplikacích pro monitorování zdraví. Poté představuje nízkoenergetický, vysoce přesný digitální IO snímače teploty od společnosti ams OSRAM, který nevyžaduje kalibraci ani linearizaci. Končí doporučeními pro integraci, vyhodnocovací deskou a demo sadou s podporou Bluetooth s doprovodnou aplikací, která umožňuje upravovat nastavení snímače a sledovat dopad na spotřebu energie.

Požadavky na vysoce přesné monitorování teploty

Přesnost je u aplikací pro monitorování zdraví povinná. Digitální snímače teploty ve výrobě vykazují odchylky ve výkonu mezi jednotlivými díly, které je třeba řešit. Protože interní kalibrace je nákladná a použití nekalibrovaných snímačů zvyšuje náklady na dosažení požadované přesnosti, měli by konstruktéři zvážit použití snímačů, které jsou plně kalibrované a linearizované. Je však důležité zajistit, aby výrobce snímače používal kalibrační nástroje navazující na standardy NIST. Použití přístrojů s sledovatelnou kalibrací zajišťuje nepřerušený řetězec zpět k základním standardům NIST, přičemž nejistoty na každém článku řetězce jsou identifikovány a zdokumentovány, aby mohly být řešeny v systému zajištění kvality výrobce zařízení.

Primárním standardem pro zkušební a kalibrační laboratoře je ISO/IEC 17025 „Všeobecné požadavky na způsobilost zkušebních a kalibračních laboratoří“. ISO/IEC 17025 je založena na technických principech zaměřených konkrétně na kalibrační a zkušební laboratoře, používá se pro jejich akreditaci a poskytuje základ pro vypracování plánů neustálého zlepšování.

Digitální snímač teploty s testováním při výrobě podle normy NIST

Pro splnění mnoha požadavků na design a certifikaci mohou konstruktéři využít digitální snímač teploty AS6211 od společnosti ams OSRAM, který poskytuje přesnost až ±0,09 °C a nevyžaduje žádnou kalibraci ani linearizaci. Testování výroby AS6211 je navrženo pro použití ve zdravotnických zařízeních, nositelné elektronice a dalších aplikacích, které vyžadují vysoce výkonné tepelné informace, a je kalibrováno laboratoří akreditovanou ISO/IEC-17025 podle norem NIST. Kalibrované testování výroby urychluje proces získání certifikace podle EN 12470-3, která je vyžadována pro lékařské teploměry v Evropské unii.

Model AS6211 je kompletní digitální snímač teploty v šestikolíkovém pouzdru v provedení WLCSP (wafer level chip scale package) o rozměrech 1,5 x 1,0 mm připravený pro systémovou integraci. Například součástka s objednacím číslem AS6221-AWLT-S je dodávána v množství 500 kusů na pásce a cívce. Údaje naměřené snímačem AS6211 jsou přenášeny prostřednictvím standardního rozhraní I²C podporujícího osm adres I²C, čímž odpadají obavy z konfliktů sběrnic v konstrukcích s více snímači.

Vysoká přesnost plus nízký výkon

AS6221 poskytuje vysokou přesnost s nízkou spotřebou energie v celém svém napájecím rozsahu od 1,71 do 3,6 V DC, což je zvláště důležité v aplikacích napájených jedním bateriovým článkem. Zahrnuje citlivý a přesný křemíkový (Si) snímač teploty pásma, analogově-digitální převodník a digitální signálový procesor s přidruženými registry a řídicí logikou. Integrovaná výstražná funkce může spustit přerušení při určité prahové teplotě, která je naprogramována nastavením hodnoty registru.

Snímač AS6221 spotřebuje 6 mikroampérů (µA) při provádění čtyř měření za sekundu a v pohotovostním režimu je spotřeba energie pouze 0,1 µA. Použití integrované funkce alarmu pro probuzení aplikačního procesoru pouze při dosažení prahové teploty může snížit spotřebu energie systému ještě více.

Možnosti integrace nositelné elektroniky

V nositelné elektronice platí, že čím lepší je tepelné spojení mezi snímačem a pokožkou, tím přesnější je měření teploty. Konstruktéři znají několik možností optimalizace tepelného spoje. Jednou z nich je umístění tepelně vodivého kolíku mezi pokožku a snímač (obrázek 1). Aby bylo dosaženo spolehlivých výsledků, musí být kolík izolován od všech externích zdrojů tepelné energie, jako je pouzdro zařízení, a mezi kolíkem a snímačem AS6211 by měla být nanesena tepelná pasta nebo lepidlo. Tato koncepce je založena na využití ohebné desky plošných spojů (PCB) k přenosu snímače AS6221, což poskytuje větší svobodu při jeho umístění.

Obrázek 1: K zajištění cesty s nízkou tepelnou impedancí mezi pokožkou a snímačem lze využít ohebnou desku plošných spojů a tepelné lepidlo. (Zdroj obrázku: ams OSRAM)

V konstrukcích, které využívají snímač na hlavní desce plošných spojů, lze tepelné spojení provést pomocí kontaktní pružiny nebo tepelné podložky. Pokud je snímač namontován na spodní straně desky plošných spojů, lze k vytvoření tepelného spoje mezi kontaktním kolíkem a tepelnými průchody na desce plošných spojů, které jsou připojeny ke snímači, použít kontaktní pružinu (obrázek 2). Tento přístup může vést k nákladově efektivnímu zařízení, které podporuje delší vzdálenosti mezi snímačem a pokožkou, ale vyžaduje pečlivé zvážení několika tepelných rozhraní k dosažení vysoké úrovně citlivosti.

Obrázek 2: Je-li snímač namontován na spodní straně desky plošných spojů, lze pro připojení ke kontaktnímu kolíku použít tepelné průchody a kontaktní pružinu. (Zdroj obrázku: ams OSRAM)

Třetí možností je použití tepelné podložky pro připojení kolíku ke snímači namontovanému na horní straně desky plošných spojů (obrázek 3). Ve srovnání s použitím pružinového kontaktu nebo ohebné desky plošných spojů tento přístup vyžaduje podložku s vysokou tepelnou vodivostí a pečlivou mechanickou konstrukcí, aby byla zajištěna minimální tepelná impedance mezi kontaktním kolíkem a snímačem. To může vést k jednodušší montáži při zachování vysoké úrovně výkonu.

Obrázek 3: Shora namontovaný snímač lze připojit ke kontaktnímu kolíku pomocí tepelné podložky. To umožňuje jednodušší montáž se zachováním vysokého výkonu. (Zdroj obrázku: ams OSRAM)

Zlepšení doby tepelné odezvy

Pro dosažení rychlé tepelné odezvy je důležité minimalizovat vnější vlivy na měření, zejména částí desky plošných spojů přímo sousedící se snímačem. Dva realizovatelné konstrukční návrhy předpokládají vyžití výřezů k minimalizaci veškerých měděných ploch v blízkosti snímače na horní straně desky plošných spojů (obrázek 4, nahoře) a ke snížení tepelného zatížení ze spodní strany desky využitím oblasti výřezu pod snímačem ke snížení celkové hmotnosti desky (obrázek 4, dole).

Obrázek 4: Výřezy na horní a spodní straně desky plošných spojů mohou minimalizovat hmotnost desky v okolí snímače a zkrátit tak dobu odezvy. (Zdroj obrázku: ams OSRAM)

Kromě minimalizace efektů PCB mohou další techniky, které mohou pomoci zlepšit rychlost a výkon měření, zahrnují:

• Maximalizace kontaktní plochy s pokožkou pro zvýšení tepla dostupného pro snímač.
• Použití tenkých měděných stop a minimalizace velikosti napájecích a zemnících ploch.
• Použití baterií a dalších součástí, jako jsou displeje, které jsou co nejmenší, aby bylo dosaženo požadavků na výkon zařízení.
• Návrh obalu pro tepelnou izolaci snímače na desce plošných spojů od okolních komponent a vnějšího prostředí.

Snímání teploty prostředí

Při použití více snímačů teploty, například u konstrukcí, které využívají jak teplotu pokožky, tak teplotu okolního prostředí, platí další kritéria. Pro každé měření by měl být použit samostatný snímač. Tepelný design zařízení by měl maximalizovat tepelnou impedanci mezi dvěma snímači (obrázek 5). Vyšší tepelná impedance poskytuje lepší izolaci mezi snímači a zajišťuje, že se měření nebudou vzájemně rušit. Obal zařízení by měl být vyroben z materiálů, které mají nízkou tepelnou vodivost, a mezi dvě sekce snímače by měla být vložena tepelně izolační bariéra.

Obrázek 5: Pro přesné snímání teploty prostředí by měl být mezi snímači teploty pokožky a okolního prostředí vysoký tepelný odpor. (Zdroj obrázku: ams OSRAM)

Vyhodnocovací sada odstartuje vývoj snímače AS6221

Pro urychlení vývoje aplikací a zkrácení doby uvedení na trh nabízí společnost ams OSRAM konstruktérům jak vyhodnocovací, tak i demo sadu. Vyhodnocovací sadu AS62xx lze využít k rychlému nastavení digitálního snímače teploty AS6221, což umožňuje rychlé vyhodnocení jeho schopností. Tato vyhodnocovací sada se připojuje přímo k externímu mikrokontroléru (MCU), který lze použít pro přístup k měření teploty.

Obrázek 6: Vyhodnocovací sadu AS62xx lze použít k nastavení a vyhodnocení snímače AS6221. (Zdroj obrázku: ams OSRAM)

Demo sada pro AS6221

Po dokončení základního vyhodnocení mohou konstruktéři využít demo sadu AS6221 jako platformu pro vývoj aplikací. Demo sada obsahuje tlačítko teploty AS6221 a knoflíkovou baterii CR2023. Doprovodná aplikace, která je k dispozici ke stažení v obchodech App Store nebo Google Play Store, podporuje připojení až ke třem tlačítkům snímače současně (obrázek 7). Aplikace komunikuje s tlačítky snímače přes Bluetooth, což umožňuje upravovat všechna jeho nastavení včetně frekvence měření, a sledovat dopad na spotřebu energie. Aplikace může zaznamenávat sekvence měření, čímž umožňuje srovnání výkonu různých nastavení snímačů teploty. Konstruktéři mohou též využít demo sadu k experimentování s režimem výstrahy a naučit se, jak ji lze použít ke zlepšení výkonu řešení.

Obrázek 7: Demo sada AS6221 slouží jako platforma pro vývoj aplikací snímače teploty AS6221. (Zdroj obrázku: ams OSRAM)

Závěr

Návrh vysoce přesných systémů digitálního snímání teploty pro zdravotnictví, fitness a další nositelnou elektroniku je složitý proces s ohledem na návrh, testování a certifikaci. Pro zjednodušení procesu, snížení nákladů a rychlejší uvedení na trh mohou konstruktéři použít vysoce integrované snímače s nízkou spotřebou a vysokou přesností.

Jak je patrné z obrázku, jednou takovým zařízením je sada AS6221. Nevyžaduje kalibraci ani linearizaci, přičemž výrobní testovací zařízení je kalibrováno podle norem NIST laboratoří akreditovanou ISO/IEC-17025, což urychluje proces návrhu a schvalování zdravotnických přístrojů.

Doporučeno k přečtení

1. Životnost baterie u nositelné elektroniky prodloužíte efektivním měřením času v době nečinnosti.
2. K prodloužení životnosti baterie v nositelné elektronice použijte nastavitelné regulátory LDO s nízkým svodovým proudem.
3. Zvyšte přesnost sledování fitness pomocí vysoce přesných snímačů tlaku.