Cum se utilizează senzorii digitali de temperatură de înaltă precizie în dispozitivele portabile pentru monitorizarea sănătății

Măsurătorile digitale precise ale temperaturii sunt importante pentru o gamă largă de aplicații, inclusiv pentru dispozitivele portabile, dispozitivele de monitorizare medicală, dispozitivele de urmărire a stării de sănătate și de fitness, monitorizarea lanțului frigorific și a mediului, precum și pentru sistemele informatice industriale. Deși se aplică pe scară largă, implementarea măsurătorilor temperaturii digitale de înaltă precizie implică în mod frecvent calibrarea sau liniarizarea senzorilor de temperatură, precum și un consum mai mare de energie, ceea ce poate reprezenta o problemă în cazul aplicațiilor compacte, cu consum foarte redus de energie și cu moduri de achiziție multiple. Provocările legate de proiectare pot crește rapid, cauzând depășiri de costuri și întârzieri.

Pentru a complica lucrurile, unele aplicații implică mai mulți senzori de temperatură care împart o singură magistrală de comunicație. În plus, calibrarea unor configurații pentru testele efectuate în cadrul producției trebuie efectuată în conformitate cu cerințele Institutului național de standarde și tehnologie (NIST), în timp ce echipamentele de verificare trebuie calibrate de către un laborator acreditat ISO/IEC-17025. Brusc, ceea ce părea a fi o funcție simplă devine una intimidantă și costisitoare.

Acest articol descrie pe scurt cerințele pentru măsurătorile de temperatură de înaltă precizie în aplicațiile de monitorizare a stării de sănătate mobile și alimentate cu baterii. Apoi, prezintă un circuit integrat al senzorului digital de temperatură de înaltă precizie și cu consum redus de energie de la ams OSRAM, care nu necesită calibrare sau liniarizare. Se încheie cu recomandări de integrare, o placă de evaluare și un kit demonstrativ compatibil Bluetooth cu o aplicație însoțitoare ce face posibilă modificarea setărilor senzorilor și observarea impactului asupra consumului de energie.

Cerințe pentru monitorizarea temperaturii de înaltă precizie

Precizia este obligatorie în aplicațiile de monitorizare a sănătății. Astfel cum au fost fabricați, senzorii digitali de temperatură prezintă variații de performanță de la componentă la componentă, care trebuie abordate. Deoarece calibrarea internă este costisitoare, iar utilizarea senzorilor necalibrați crește costul de obținere a preciziei dorite, proiectanții ar trebui să ia în considerare senzorii complet calibrați și liniarizați. Cu toate acestea, este important să vă asigurați că producătorul senzorilor utilizează instrumente de calibrare conforme cu standardele NIST. Utilizarea instrumentelor cu calibrare trasabilă asigură un lanț neîntrerupt până la standardele NIST de bază, incertitudinile fiind identificate și documentate în fiecare etapă a lanțului de fabricație, astfel încât să poată fi rezolvate în cadrul sistemului de asigurare a calității al producătorului dispozitivului.

Standardul principal pentru laboratoarele de testare și calibrare este ISO/CEI 17025 „Cerințe generale pentru competența laboratoarelor de testare și calibrare”. ISO/CEI 17025 se bazează pe principii tehnice axate în mod specific pe laboratoarele de calibrare și de testare, este utilizat pentru acreditarea acestora și oferă baza pentru elaborarea planurilor de îmbunătățire continuă.

Senzor digital de temperatură cu testare în cadrul producției efectuată conform standardelor NIST

Pentru a îndeplini numeroasele cerințe legate de proiectare și certificare, proiectanții pot apela la senzorul digital de temperatură AS6211 de la ams OSRAM, care oferă o precizie de până la ±0,09°C și nu necesită calibrare sau liniarizare. Deoarece modelul AS6211 este proiectat pentru a fi utilizat în dispozitive medicale, dispozitive portabile și în alte aplicații ce necesită informații termice de înaltă performanță, testarea efectuată pentru acesta în cadrul producției este calibrată de un laborator acreditat ISO/IEC-17025 în conformitate cu standardele NIST. Testarea calibrată efectuată în cadrul producției accelerează procesul de obținere a certificării conform EN 12470-3, necesară pentru termometrele medicale în Uniunea Europeană.

AS6211 este un senzor digital de temperatură complet, inclus într-un pachet cu încapsulare la nivel de plăcuță sau cip (WLCSP – Wafer Level Chip Scale Package) cu șase pini, de 1,5 x 1,0 milimetri (mm), pregătit pentru integrarea în sistem. Un exemplu de număr de catalog care poate fi comandat este AS6221-AWLT-S, care se livrează în loturi de 500 de bucăți, în ambalaj tip bandă și mosor. Măsurătorile AS6211 sunt furnizate prin intermediul unei interfețe I²C standard și acceptă opt adrese I²C, eliminând astfel preocupările legate de conflictele de magistrală în proiectele cu mai mulți senzori.

Precizie ridicată și consum redus de energie electrică

AS6221 oferă un grad înalt de precizie, cu un consum redus de energie pe întreaga sa gamă de tensiuni de alimentare de la 1,71 la 3,6 volți c.c., lucru deosebit de important în aplicațiile alimentate de o baterie cu o singură celulă. Acesta include un senzor de temperatură sensibil și precis din siliciu (Si), un convertor analog-digital și un procesor de semnal digital cu registrele și logica de control asociate. Funcția de alertă integrată poate declanșa o întrerupere la un anumit prag de temperatură, care se programează prin setarea unei valori de registru.

AS6221 consumă 6 microamperi (µA) atunci când efectuează patru măsurători pe secundă, iar în modul standby, consumul de energie este de numai 0,1 µA. Utilizarea funcției de alarmă integrată pentru activarea procesorului de aplicații numai atunci când este atins un prag de temperatură poate reduce și mai mult consumul de energie al sistemului.

Opțiuni de integrare a dispozitivelor portabile

În aplicațiile portabile, cu cât este mai bună conexiunea termică dintre senzor și piele, cu atât mai precisă este măsurarea temperaturii. Proiectanții au la dispoziție mai multe opțiuni pentru optimizarea conexiunii termice. O modalitate este plasarea unui pin cu conductivitate termică între piele și senzor (Figura 1). Pentru a obține rezultate fiabile, pinul trebuie să fie izolat de orice sursă externă de energie termică, cum ar fi carcasa dispozitivului, iar între pin și AS6211 trebuie să se utilizeze o pastă termică sau un adeziv. Această abordare beneficiază de utilizarea unei plăci de circuite imprimate (PCB) flexibile (flex) pentru a transporta AS6221, permițând o mai mare libertate în amplasarea senzorului.

Figura 1: Se poate utiliza o PCB flexibilă și un adeziv termic pentru a oferi o cale de impedanță termică scăzută între piele și senzor. (Sursa imaginii: ams OSRAM)

În proiectele care beneficiază de senzorul de pe PCB principală, conexiunea termică poate fi realizată cu ajutorul unui arc de contact sau al unei plăcuțe termice. În cazul în care senzorul este montat pe partea inferioară a unei PCB, se poate utiliza un arc de contact pentru realizarea conexiunii termice dintre pinul de contact și traseele termice de pe PCB care sunt conectate la senzor (Figura 2). Această abordare poate avea ca rezultat un dispozitiv eficient din punct de vedere al costurilor, care acceptă distanțe mai mari între senzor și piele, dar necesită o analiză atentă a mai multor interfețe termice pentru a obține niveluri ridicate de sensibilitate.

Figura 2: Atunci când senzorul este montat pe partea inferioară a unei PCB, se pot utiliza traseele termice și un arc de contact pentru realizarea conexiunii la pinul de contact. (Sursa imaginii: ams OSRAM)

O a treia opțiune este utilizarea unei plăcuțe termice pentru conectarea pinului la un senzor montat pe partea superioară a PCB (Figura 3). Comparativ cu utilizarea unui contact cu arc sau a unei PCB flexibile, această abordare necesită o plăcuță cu o conductivitate termică ridicată și o proiectare mecanică atentă pentru a se asigura o impedanță termică minimă între pinul de contact și senzor. Acest lucru poate duce la o asamblare mai simplă, oferind, în același timp, niveluri ridicate de performanță.

Figura 3: O plăcuță termică poate conecta un senzor montat pe partea superioară la pinul de contact. Acest lucru asigură o asamblare mai simplă, oferind, în același timp, performanțe ridicate. (Sursa imaginii: ams OSRAM)

Îmbunătățirea timpului de răspuns termic

Pentru a obține timpi de răspuns termic rapizi este important să se reducă la minimum influențele externe asupra măsurătorilor, în special lângă porțiunea de PCB direct adiacentă senzorului. Două sugestii viabile de proiectare sunt utilizarea decupajelor pentru a minimiza planurile de cupru în apropierea senzorului din partea superioară a PCB (Figura 4, sus) și reducerea încărcării termice din partea inferioară a PCB prin utilizarea unei zone de decupaj sub senzor pentru a reduce masa totală a PCB (Figura 4, jos).

Figura 4: Decupajele de pe partea superioară și inferioară a PCB pot reduce la minimum masa PCB în jurul senzorului și pot îmbunătăți timpul de răspuns al acestuia. (Sursa imaginii: ams OSRAM)

Pe lângă minimizarea efectelor PCB, alte tehnici care pot contribui la îmbunătățirea vitezei și performanței măsurătorilor includ:

• Maximizarea suprafeței de contact cu pielea pentru a crește căldura disponibilă pentru senzor.
• Utilizarea de urme de cupru subțiri și reducerea la minimum a dimensiunii planurilor de alimentare și de masă.
• Utilizarea de baterii și alte componente, cum ar fi afișajele, care sunt cât mai mici posibil pentru a îndeplini cerințele legate de performanța dispozitivului.
• Proiectarea ambalajului pentru a izola termic senzorul de pe PCB de componentele din jur și de mediul exterior.

Detectarea temperaturii mediului înconjurător

Atunci când se utilizează mai mulți senzori de temperatură se aplică considerente suplimentare, de exemplu în cazul modelelor care utilizează atât temperatura pielii, cât și temperatura mediului înconjurător. Pentru fiecare măsurătoare trebuie să se utilizeze un senzor separat. Proiectarea termică a dispozitivului trebuie să maximizeze impedanța termică dintre cei doi senzori (Figura 5). O impedanță termică intermediară mai mare asigură o mai bună izolare între senzori și garantează că măsurătorile nu vor interfera. Ambalajul dispozitivului trebuie să fie fabricat cu materiale care au o conductivitate termică scăzută, iar între cele două secțiuni ale senzorului trebuie să se introducă o barieră de izolare termică.

Figura 5: Pentru detectarea precisă a temperaturii ambientale trebuie să existe o rezistență termică ridicată între piele și senzorii de temperatură ambientală. (Sursa imaginii: ams OSRAM)

Kitul de evaluare dă startul dezvoltării AS6221

Pentru a accelera dezvoltarea aplicațiilor și timpul de lansare pe piață, ams OSRAM oferă proiectanților atât un kit de evaluare, cât și un kit demonstrativ. Kitul de evaluare AS62xx poate fi utilizat pentru a configura rapid senzorul digital de temperatură AS6221, permițând evaluarea rapidă a capacităților acestuia. Acest kit de evaluare se conectează direct la un microcontroler extern (MCU) ce poate fi utilizat pentru accesarea măsurătorilor de temperatură.

Figura 6: Kitul de evaluare AS62xx poate fi utilizat pentru a configura și evalua AS6221. (Sursa imaginii: ams OSRAM)

Kit demonstrativ pentru AS6221

După ce evaluarea de bază este finalizată, proiectanții pot apela la kitul demonstrativ AS6221 ca platformă de dezvoltare a aplicațiilor. Kitul demonstrativ include un buton de temperatură AS6221 și o baterie tip pastilă CR2023. Descărcarea aplicației însoțitoare din App Store sau Google Play Store permite conectarea la până la trei butoane de senzori în același timp (Figura 7). Aplicația comunică cu butoanele senzorului prin Bluetooth, ceea ce face posibilă modificarea tuturor setărilor senzorului, inclusiv a frecvenței de măsurare, și observarea impactului asupra consumului de energie. Aplicația poate înregistra secvențe de măsurători, permițând, astfel, compararea performanțelor diferitelor setări ale senzorilor de temperatură. De asemenea, proiectanții pot utiliza kitul demonstrativ pentru a experimenta modul de alertă și pentru a afla cum poate fi utilizat pentru a îmbunătăți performanța soluției.

Figura 7: Kitul demonstrativ AS6221 servește drept platformă de dezvoltare a aplicațiilor pentru senzorul de temperatură pentru AS6221. (Sursa imaginii: ams OSRAM)

Concluzie

Proiectarea sistemelor digitale de detectare a temperaturii de înaltă precizie pentru sistemele de sănătate, fitness și alte dispozitive portabile este un proces complex din punct de vedere al proiectării, testării și certificării. Pentru a simplifica procesul, pentru a reduce costurile și pentru a ajunge mai repede pe piață, proiectanții pot utiliza senzori extrem de integrați, cu consum redus de energie și de înaltă precizie.

Așa cum am arătat, AS6221 este un astfel de dispozitiv. Nu necesită calibrare sau liniarizare, iar echipamentul de testare în cadrul producției este calibrat în conformitate cu standardele NIST de către un laborator acreditat ISO/IEC-17025, accelerând procesul de proiectare și aprobare a dispozitivelor medicale.

Lectură recomandată

1. Îmbunătățirea duratei de utilizare a bateriei în dispozitivele portabile prin intermediul unei cronometrări eficiente în timpul stărilor de inactivitate
2. Utilizați LDO-uri reglabile cu scurgere scăzută pentru a prelungi durata de utilizare a bateriei în proiectele portabile
3. Îmbunătățiți precizia urmăritorilor de fitness utilizând senzori de presiune de înaltă precizie