将临床级温度感测技术快速集成到便携式、可穿戴医疗产品设计中

随着全球对 COVID-19 的关注，用于温度感测的便携式和可穿戴设备的设计人员面临着减小器件尺寸、降低成本和功耗的挑战，同时他们还必须提高精度、灵敏度和可靠性。为了帮助应对挑战，不仅在性能方面，而且在整体易用性方面，传感器也在不断提高以简化设计和集成过程。

本文将先讨论温度传感器的基本类型，然后再重点介绍数字 IC 传感器以及设计人员应关注的核心功能。本文将介绍 ams 和 Maxim Integrated 推出的数字温度传感器实例，并以 Melexis Technologies NV 推出的红外温度计为例，介绍非接触式温度传感。此外，本文还将展示这些器件如何满足下一代系统的需求，并介绍相关的评估板和探头套件，以及如何利用它们来帮助设计人员入门。

温度传感器选择

以下四种常见的温度传感器类型可供设计人员选择以用于温度感测：热电偶、电阻式温度器件 (RTD)、热敏电阻和温度传感器 IC；其中，温度传感器 IC 是接触式医疗和保健设计的不错选择。这主要是因为它们不需要线性化，具有良好的抗噪能力，并且比较容易集成到便携式和可穿戴医疗设备中。对于非接触式感测，可以使用红外温度计。

设计人员需要考虑的关键参数，特别是对于可穿戴应用（无论是腕戴式设备、智能服装，还是医用贴片），包括尺寸、功耗和热灵敏度。灵敏度很重要，因为进行临床级精度设计时，即使是微瓦 (µW) 级的瞬时功率也会使传感器发热，导致读数不准确。另一个考虑因素是接口类型（数字或模拟），因为这决定了微控制器等相关元器件的要求。

如何实现临床级精度

要达到 ASTM E112 规定的临床级精度，首先要选择合适的传感器。例如，Maxim Integrated 的 MAX30208 数字温度传感器，在 +30℃ 至 +50℃ 范围内具有 ±0.1℃ 的精度，在 0℃ 至 +70℃ 范围内具有 ±0.15℃ 的精度。这些器件的尺寸为 2 x 2 x 0.75 mm，并采用薄型 10 引脚 LGA 封装（图 1）。IC 的工作电源电压范围为 1.7 V 至 3.6 V，工作时消耗的电流不到 67 µA，待机时消耗的电流为 0.5 µA。

图 1：MAX30208 数字温度传感器为智能手表和医用贴片等电池供电设备提供 ±0.1℃ 的临床级测量精度。（图片来源：Maxim Integrated）

如前所述，在进行临床级精度设计时，一项关键挑战是确保传感器自身的温度不会影响可穿戴设备的测量读数。

传感器 IC 的热量通过封装引线从印刷电路板传递至传感器芯片，会影响温度读数的精度。在温度传感器 IC 中，这些热量通过位于封装底侧的金属导热垫传导，从而导致寄生热损耗。相应地，还可能会导致热量传入其他引脚或由其传出。因此，这势必会对温度测量造成干扰。

为了消除寄生热损耗，设计人员可以采用多种技术，首先是使用细印制线，将从传感器 IC 传出热量的导热率降至最低。此外，设计人员也可以不在封装底侧使用导热垫，而是在封装顶部测量温度，尽可能远离 IC 引脚。MAX30208CLB+ 和其他 MAX30208 数字温度传感器就是在封装顶部测量温度。

另一种缓解技术是将其他电子元器件尽可能远离感测元件放置——因为这些元器件会给温度监测系统带来热量，以最大限度减少它们对温度测量数据的影响。

系统到用户的热设计考虑因素

在确保与热源热隔离的同时，设计人员还必须保证温度感测元件与用户皮肤之间有良好的热通路。封装下方的位置使得印刷电路板与身体接触点之间金属走线的布设具有挑战性。

因此，首要事项是，系统的设计应使传感器尽可能靠近待测温的目标。其次，通过 MAX30208 传感器的支持，可穿戴设计和医用贴片可以使用柔性或半刚性印刷电路板。MAX30208 数字温度传感器可以使用扁平柔性电缆 (FFC) 或扁平打印机电缆 (FPC) 直接连接至微控制器。

使用这些电缆时，必须将温度传感器 IC 放在印刷电路板的柔性侧，以便减小皮肤表面与传感器之间的热阻。另外，设计人员应最大限度减小柔性电路板的厚度；较薄的电路板可以更有效地弯曲并实现更好的接触。

数字温度传感器通常通过 I²C 串行接口连接到微控制器。Maxim 的 MAX30208CLB+ 就属于这种情况，它还使用 FIFO 来存储温度数据，允许微控制器长时间休眠以省电。

图 2：MAX30208 数字温度传感器适用于医用温度计和可穿戴式体温监测器。（图片来源：Maxim Integrated）

MAX30208CLB+ 数字温度传感器使用 32 字 FIFO 构建温度传感器设置寄存器，可提供多达 32 个温度读数，每个读数占用两个字节。此外，这些存储器映射寄存器还允许传感器提供高低阈值数字温度报警。

该传感器还有两个通用 I/O (GPIO) 引脚：GPIO1 可配置为触发温度转换，而 GPIO0 可配置为生成可选状态位的中断。

工厂校准的温度传感器

现在，许多数字温度传感器经过工厂校准，无需像许多传统温度传感器那样，要在现场校准或每年重新校准一次。此外，因为经过工厂校准，所以无需开发软件以使输出线性化以及模拟和微调电路，也不必使用众多精密元器件，并将阻抗不匹配的风险降至最低。

例如，ams 的 AS621x 温度传感器系列经过工厂校准，并配备集成的线性化功能（图 3）。它还具有八个 I²C 地址，允许设计人员使用单一总线监测八个不同潜在热点的温度。

图 3：AS621x 传感器提供了经过工厂校准的完整数字温度系统。（图片来源：ams）

对于健康相关监测系统的开发人员来说，具有八个 I²C 地址的串行接口也使原型开发和设计验证更轻松。

为了帮助传感器符合特定应用要求，AS621x 传感器提供了三种精度版本：±0.2℃、±0.4℃ 和 ±0.8℃。对于健康相关的监测系统，±0.2℃ 内的精度已足够，这使 AS6212-AWLT-L 成为合适的选择。所有 AS621x 器件均具有 16 位分辨率，可在其 -40℃ 至 +125℃ 的整个工作温度范围内检测微小的温度变化。

AS621x 的尺寸为 1.5 mm²，采用晶圆级芯片尺寸封装 (WLCSP)，可以更轻松地集成到医疗保健设备中。它的工作电源电压为 1.71 V，工作时消耗的电流为 6 µA，待机模式下为 0.1 µA。AS6212-AWLT-L 等温度传感器体积小、功耗低，特别适合电池供电的移动和可穿戴设备应用。

非接触式温度传感器

与需要一定物理接触的温度传感器 IC 不同，红外温度计用于执行非接触式温度测量。这些非接触式传感器测量两个参数：环境温度和测温对象温度。

此类温度计可检测设备前方测温对象辐射的 0 K（绝对零度）以上的任何热能。然后，检测器将热能转化为电信号并传递给处理器；处理器对环境温度引起的温度变化进行补偿后，再解读和显示数据。

例如，Melexis 的 MLX90614ESF-BCH-000-TU 红外温度计包括热电堆红外检测器芯片和集成在 TO-39 封装中的信号调理芯片（图 4）。MLX90614 系列集成了低噪声放大器、17 位模数转换器 (ADC) 和数字信号处理器 (DSP)，可确保高精度和高分辨率。

图 4：MLX90614 红外温度计的标准精度为室温下 0.5℃。（图片来源：Melexis）

MLX90614 红外温度计经过工厂校准，工作环境温度范围为 -40℃ 至 85℃，测温对象温度范围为 -70℃ 至 382.2℃，标准精度为室温下 0.5℃。

这些非接触式温度传感器提供两种输出模式：脉冲宽度调制 (PWM) 和通过双线接口 (TWI) 或 I²C 接口的 SMBus。该传感器经过工厂校准，采用 SMBus 数字输出，能够在整个温度范围内提供 0.02℃ 的分辨率。另一方面，设计人员也可以配置为 10 位 PWM 数字输出，分辨率为 0.14℃。

利用温度传感器进行开发

Maxim Integrateds 的 MAX30208EVSYS# 评估系统支持 MAX30208 系列传感器，该评估系统包含容纳了 MAX30208 温度传感器 IC 的柔性印刷电路板（图 5）。该评估系统包括两块电路板：MAX32630FTHR 微控制器板和 MAX30208 接口板，它们通过针座连接。设计人员仅需使用随附的 USB 电缆将评估硬件连接到 PC。然后，系统将自动安装必要的设备驱动程序。安装了这些软件后，还需要下载评估套件软件。

图 5：设计人员可以使用随附的 USB 电缆将评估硬件连接到 PC。然后，必要的设备驱动程序将自动安装。（图片来源：Maxim Integrated）

这里还值得一提的是，移动或可穿戴设备可以测量多个位置的体温。例如，在运动服装中，可以通过 I²C 地址以菊花链形式，将多个 MAX30208 温度传感器 IC 连接到单个电池和主机微控制器。在这种情况下，微控制器定期轮询每个温度传感器，以创建局部和全身温度曲线。

对于 MLX90614 红外传感器，医疗器械开发人员可以从 MikroElektronika 的紧凑型 MIKROE-1362 IrThermo Click 板开始着手。它通过 mikroBUS I²C 总线或 PWM 电路，将 MLX90614ESF-AAA 单区域红外温度计模块连接到微控制器板（图 6）。

图 6：MIKROE-1362 IrThermo Click 板可用于着手使用 Maxim Integrated 的 MLX9016 传感器进行开发。（图片来源：MikroElektronika）

MikroElektronika 的 5 V 电路板经过校准，工作环境温度范围为 -40℃ 至 85℃，测温对象温度范围为 -70℃ 至 +380℃。

总结

尽管面临着功耗、尺寸、成本、可靠性和精度等方面的诸多挑战，但设计人员仍需要使临床级温度感测更适合大众市场。不过，现在，由评估套件提供支持的接触式和非接触式传感器可以帮助他们快速有效地满足这一需求。如上所述，这些传感器不仅具有临床温度测量所需的性能特点，还经过工厂校准并配备所需的数字接口，使其更容易集成到下一代设计中。