Forenkling af sensor design til medicinsk udstyr
Nov 17,2021
Af de fire almindelige typer temperatursensorer - termoelementer, modstandstemperaturanordninger, termistorer og temperaturføler ICS - temperatur sensor ICS er en god mulighed for kontaktbaserede medicinske og sundhedsmæssige designs. Primært kræver de ikke linearisering, de tilbyder god støjimmunitet og er relativt nemme at integrere i bærbare og bærbare sundhedsydelser. For kontaktløs sensing kan infrarøde termometre anvendes.
Nøgleparametre er størrelse, strømforbrug og termisk følsomhed. Det sidste er vigtigt for klinisk nøjagtighed, fordi selv forbigående effekt (μW) kan opvarme sensoren og forårsage unøjagtige aflæsninger. En anden overvejelse er typen af interface (digital eller analog), som vil bestemme tilhørende komponenter, såsom mikrocontrolleren.
Klinisk-grade nøjagtighed
Møde klinisk nøjagtighed, pr. ASTM E112 (standard testmetoder til bestemmelse af gennemsnitlig kornstørrelse), starter med den relevante sensor. Maxim Integrated's MAX30208 Digitale temperatursensorer har for eksempel ± 0,1 ° C Nøjagtighed fra + 30 ° C til + 50 ° C og ± 0,15 ° C Nøjagtighed fra 0 ° C til 70 ° C. (Maxim integreret blev erhvervet af analoge enheder i august 2021.) Apparaterne måler 2x2x0.75mm og er i en tynd 10pin LGA-pakke (Figur 1). ICS'en opererer fra en forsyningsspænding på 1,7V-3,6V og forbruger mindre end 67 μA i drift og 0,5 μA i standby.
Det er vigtigt, at sensorens egen temperatur ikke påvirker måleaflæsningen af en bærbar enhed. Sensor IC'ens varme, der rejser fra PCB gennem pakken, fører til sensoren dør og kan påvirke nøjagtigheden. I en temperatursensor IC udføres denne varme gennem en metal termisk pude på undersiden af emballagen, hvilket resulterer i parasitisk opvarmning. Dette kan forårsage termisk ledning ind og ud af andre stifter, der forstyrrer temperaturmålinger.
Der er en række teknikker til at modvirke parasitisk opvarmning. Tynde spor kan bruges til at minimere termisk ledningsevne væk fra sensor IC. Designere kan måle temperaturen øverst på pakken, så langt væk som muligt fra IC-stifterne, snarere end at bruge termisk pad. Dette er tilfældet for MAX30208CLB + og andre MAX30208 digitale temperatursensorer.
En anden mulighed er at placere andre elektroniske komponenter så langt væk fra sensorelementet som muligt for at minimere deres indvirkning på temperaturmåling.
Termiske design overvejelser.
For at sikre termisk isolering fra varmekilder i bærbare enheder skal der være en god termisk sti mellem temperaturfølerelementet og brugerens hud. Placeringen under pakken gør det udfordrende for PCB'en at rute metalbaner fra kontaktpunktet med kroppen.
Systemet skal være udformet således, at sensoren er så tæt som muligt på målstemperaturen, der skal måles. Brug af MAX30208 sensorer, bærbare designs og medicinske patches kan bruge flex eller semi-stive PCB'er. MAX30208 digitale temperatursensorer kan tilsluttes direkte til en mikrocontroller ved hjælp af et fladt fleksibelt kabel eller et fladt printerkabel.
Det er vigtigt at placere temperatursensor IC på flexsiden af PCB'en, hvilket reducerer den termiske modstand mellem overfladen af huden og sensoren. Designere bør også minimere tykkelsen af Flex Board for effektiv bøjning og bedre kontakt.
Digitale temperatursensorer er typisk forbundet med mikrocontrollere via en I2C seriel grænseflade. Maxims MAX30208CLB + bruger for eksempel et 32-ord først i første om at oprette et temperaturføleropsætningsregister, der tilbyder op til 32 temperaturaflæsninger, der hver omfatter to bytes. Dette gør det muligt for en mikrocontroller at sove i længere perioder for at spare strøm (figur 2). De hukommelseskortede registre tillader også sensorer at tilbyde høje og lave tærskel digitale temperaturalarmer.
En almindelig indgangs- / udgangsstift kan konfigureres til at udløse en temperaturomdannelse og en anden konfigureret til at generere en afbrydelse til valgbare statusbits.
Fabrikskalibrering.
Mange digitale temperatursensorer er fabrikkalibreret, hvilket eliminerer behovet for rekalibrering en gang om året, som det er tilfældet for mange arv temperatursensorer. Dette omgår behovet for at udvikle software til at lineere udgangen, såvel som simulere og finjustere kredsløbet. Derudover eliminerer det behovet for flere præcisionskomponenter og minimerer risikoen for impedans mismatches.
AS621X-familien af temperatursensorer fra AMS er fabrikkalibreret og har integreret linearisering (figur 3). Det har også otte I2C-adresser til temperaturovervågning på otte potentielle hot spots via en enkelt bus. Den serielle grænseflade og flere I2C-adresser gør prototyping og designverifikation lettere.
Versioner nøjagtige til ± 0,2 ° C, ± 0,4 ° C og ± 0,8 ° C er tilgængelige. For sundhedsrelaterede overvågningssystemer er nøjagtighed inden for ± 0,2 ° C tilstrækkelig (AS6212-AWLT-L). Alle AS621x-enheder har 16bit opløsning for at detektere små variationer i temperaturen over -40 ° C til + 125 ° C-driftsområdet.
AS621X måler 1,5 mm2 og kommer i en wafer niveau chip skala pakke. Forsyningsspænding er 1,71V med 6 μA forbrug under drift og 0,1 μA i standby, hvilket gør AS6212-AWLT-L særligt velegnet til batteridrevne applikationer.
Kontaktløse temperatursensorer
Infrarøde termometre udfører ikke-kontakttemperaturmålinger af omgivelsestemperatur og temperaturen på et objekt.
Sådanne termometre opdager enhver energi over 0 Kelvin (absolut nul) udsendt af et objekt foran enheden. Detektoren konverterer energi til et elektrisk signal og passerer det til en processor til at fortolke og vise dataene efter kompensering for variationer forårsaget af omgivelsestemperatur.
Et eksempel er MLX90614ESF-BCH-000-TU infrarød termometer fra MELEXIS. Den omfatter en infrarød termopil detektorchip og en signalkonditioneringschip integreret i en til-39-pakke (Figur 4). Der er også en lav støjforstærker, 17-bit analog til digital konverter og digital signalprocessor for nøjagtighed og opløsning.
De infrarøde termometre er fabrikkalibreret til et temperaturområde på -40 ° C til 85 ° C (omgivende) og -70 ° C til 382,2 ° C til objekttemperatur. Standard nøjagtighed er 0,5 ° C ved stuetemperatur.
Sensoren er fabrikken kalibreret med en digital SMBUS-udgang og har en opløsning på 0,02 ° C. Alternativt kan designere konfigurere 10bit pulsbreddemodulation (PWM) digital udgang med en opløsning på 0,14 ° C.
Udviklingsstøtte
MAX30208 sensorerne understøttes af MAX30208EVSYS # evalueringssystemet, som indbefatter en Flex PCB til at holde MAX30208 temperatursensor IC (Figur 5). MAX32630FTThT-mikrocontrollerbrættet og MAX30208-grænsefladen er forbundet via overskrifter. Evalueringshardwaren kan tilsluttes en pc ved hjælp af det medfølgende USB-kabel. Systemet vil derefter automatisk installere de nødvendige enhedsdrivere klar til EV kit software, der skal downloades.
Til måling af legemstemperatur på flere steder, kan MAX30208 temperatur IC'er tilsluttes via I2C adresser i en daisy-chain arrangement til et enkelt batteri og vært microcontroller. Hver temperatursensor er pollet af mikrocontrolleren regelmæssigt for at skabe en profil af både lokal og helkropstemperatur.
Udviklere kan bruge Mikroe-1362 Irthermo Click Board fra Mikroelektronika til brug sammen med MLX90614 infrarød sensor.Dette links MLX90614ESF-AAA-enkeltzone-infrarød termometermodul til mikrocontrollerbrættet via enten Mikrobus I2C-linjen eller PWM-linjen (Figur 6).
5V-kortet kalibreres for -40 ° C til 85 ° C omgivelsestemperatur og -70 ° C til + 380 ° C objekttemperaturområder.
