Simplificarea designului senzorului pentru echipamente medicale
Nov 17,2021
Dintre cele patru tipuri comune de senzori de temperatură - termocupluri, dispozitive de temperatură de rezistență, termistors și senzor de temperatură ICS - senzor de temperatură ICS reprezintă o opțiune bună pentru modelele medicale și asistenței medicale bazate pe contact. În principal, ei nu necesită liniarizare, ele oferă imunitate bună la zgomot și sunt relativ ușor de integrat în dispozitive de asistență medicală portabile și uimitoare. Pentru detectarea fără contact, pot fi utilizate termometre infraroșu.
Parametrii cheie sunt dimensiunea, consumul de energie și sensibilitatea termică. Ultimul este important pentru precizia clinică, deoarece chiar și puterea tranzitorie (μw) poate încălzi senzorul și poate cauza citiri inexacte. O altă considerație este tipul de interfață (digital sau analog), care va determina componentele asociate, cum ar fi microcontrolerul.
Precizia clinică
Întâlnirea preciziei clinice, pe ASTM E112 (Metode standard de testare pentru determinarea dimensiunii medii a granulelor), începe cu senzorul corespunzător. Senzorii de temperatură digitală MAXIM integrat, de exemplu, caracteristici de ± 0,1 ° C de precizie de la + 30 ° C până la + 50 ° C și o precizie de ± 0,15 ° C de la 0 ° C la 70 ° C. (MAXIM integrat a fost achiziționat de dispozitive analogice în august 2021.) Dispozitivele măsoară 2x2x0.75 mm și sunt într-un pachet subțire de 10pin LGA (Figura 1). IC-urile funcționează dintr-o tensiune de alimentare de 1,7V-3,6V și consumă mai puțin de 67μA în funcțiune și 0,5μA în standby.
Este important ca temperatura proprie a senzorului să nu influențeze citirea măsurătorilor unui dispozitiv purtător. Căldura senzorului IC, care călătorește de la PCB prin ambalaj, duce la matrița senzorului și poate afecta acuratețea. Într-un senzor de temperatură IC, această căldură este condusă printr-un tampon termic metalic pe partea inferioară a ambalajului, rezultând încălzirea paraziică. Aceasta poate provoca conducerea termică în și din alte pini, interferând cu măsurătorile de temperatură.
Există o serie de tehnici de combatere a încălzirii parazitare. Urmele subțiri pot fi utilizate pentru a minimiza conductivitatea termică de la senzorul IC. Designerii pot măsura temperatura în partea superioară a pachetului, cât mai departe posibil de la pinii IC, mai degrabă decât să utilizați tamponul termic. Acesta este cazul senzorilor de temperatură digitală MAX30208CLB + și alți MAX30208.
O altă opțiune este de a plasa și alte componente electronice cât mai departe de elementul de detectare posibil pentru a minimiza impactul lor asupra măsurării temperaturii.
Considerații de proiectare termică
Pentru a asigura izolarea termică din surse de căldură în dispozitivele suportabile, trebuie să existe o cale termică bună între elementul de detectare a temperaturii și pielea utilizatorului. Locația de sub pachet face dificilă o provocare pentru PCB să trateze piesele metalice din punctul de contact cu corpul.
Sistemul trebuie proiectat astfel încât senzorul să fie cât mai aproape posibil de măsurarea temperaturii țintă. Folosind senzorii MAX30208, desenele sau patch-urile medicale pot utiliza PCB-uri flexibile sau semi-rigide. Senzorii de temperatură digitală Max30208 pot fi conectați direct la un microcontroler utilizând un cablu flexibil sau un cablu plat de imprimantă.
Este esențial să plasați IC senzorul de temperatură pe partea Flex a PCB, ceea ce reduce rezistența termică dintre suprafața pielii și a senzorului. Designerii ar trebui, de asemenea, să minimizeze grosimea plăcii Flex pentru o flexare eficientă și un contact mai bun.
Senzorii de temperatură digitală sunt în mod obișnuit legați de microcontrolere printr-o interfață serială I2C. MAXIM'S MAX30208CLB +, de exemplu, utilizează mai întâi un cuvânt de 32 de cuvinte pentru a crea un registru de configurare a senzorului de temperatură care oferă până la 32 de citiri de temperatură, fiecare cuprinzând doi octeți. Acest lucru permite ca un microcontroler să doarmă pentru perioade lungi de timp pentru a conserva puterea (Figura 2). Registrele mapate de memorie permit, de asemenea, senzori să ofere alarme de temperatură digitală de prag mare și scăzut.
Un știft de intrare / ieșire pentru scopuri generale poate fi configurat pentru a declanșa o conversie a temperaturii și a altui configurat pentru a genera o întrerupere pentru biții de stare selectabilă.
Calibrarea fabricii
Mulți senzori de temperatură digitală sunt calibrați din fabrică, eliminând necesitatea recalibrării o dată pe an, așa cum este cazul multor senzori de temperatură moștenită. Acest lucru ocolește nevoia de a dezvolta software-ul pentru liniarizarea ieșirii, precum și simularea și reglată circuitul. În plus, elimină necesitatea multiplelor componente de precizie și minimizează riscul de neconcordanțe de impedanță.
Familia AS621X de senzori de temperatură din AMS este calibrată din fabrică și are liniarizarea integrată (Figura 3). De asemenea, are opt adrese I2C pentru monitorizarea temperaturii la opt puncte fierbinți potențiale printr-un singur autobuz. Interfața serială și mai multe adrese I2C fac mai ușoară prototiparea și verificarea designului.
Versiunile exacte la ± 0,2 ° C, sunt disponibile ± 0,4 ° C și ± 0,8 ° C. Pentru sistemele de monitorizare legate de sănătate, precizia în valoare de ± 0,2 ° C este suficientă (AS6212-AWLT-L). Toate dispozitivele AS621X au o rezoluție de 16 biți pentru a detecta variații mici ale temperaturii peste 24 ° C până la + 125 ° C de funcționare.
AS621X măsoară 1,5mm2 și vine într-un pachet de nivel de nivel de nivel de placă. Tensiunea de alimentare este de 1,71V cu consumul de 6μA în timpul funcționării și 0,1μA în regimul de așteptare, făcând AS6212-AWLT-L corespunzătoare aplicațiilor alimentate cu baterii.
Senzori de temperatură fără contact
Termometrele cu infraroșu efectuează măsurători de temperatură non-contact ale temperaturii ambiante și temperatura unui obiect.
Astfel de termometre detectează orice energie de peste 0 kelvin (zero absolută) emisă de un obiect în fața dispozitivului. Detectorul transformă energia într-un semnal electric și o trece la un procesor pentru a interpreta și a afișa datele după compensarea variațiilor cauzate de temperatura ambiantă.
Un exemplu este termometrul infraroșu MLX90614ESF-BCH-000-TU de la Melexis. Acesta cuprinde un cip detector termopile cu infraroșu și un cip de condiționare a semnalului integrat într-un ambalaj de la-39 (Figura 4). Există, de asemenea, un amplificator de zgomot redus, analog de 17 biți pentru convertizorul digital și procesorul de semnal digital pentru acuratețe și rezoluție.
Termometrele cu infraroșu sunt calibrate din fabrică pentru un interval de temperatură de -40 ° C până la 85 ° C (ambient) și -70 ° C până la 382,2 ° C pentru temperatura obiectului. Precizia standard este de 0,5 ° C la temperatura camerei.
Senzorul este calibrat din fabrică cu o ieșire digitală SMBUS și are o rezoluție de 0,02 ° C. În mod alternativ, designerii pot configura ieșirea digitală a modulației cu lățimea pulsului de 10bit (PWM) cu o rezoluție de 0,14 ° C.
Suport pentru dezvoltare
Senzorii MAX30208 sunt acceptați de sistemul de evaluare MAX30208EVSYS #, care include un PCB Flex pentru a menține senzorul de temperatură MAX30208 IC (Figura 5). Placa de microcontroler MAX32630FTHR și placa de interfață MAX30208 sunt conectate prin anteturi. Hardware-ul de evaluare poate fi conectat la un PC utilizând cablul USB furnizat. Sistemul va instala automat driverele de dispozitiv necesare pentru a fi descărcate software-ul Kit pentru a fi descărcat.
Pentru măsurarea temperaturii corpului în mai multe locații, IC-urile de temperatură MAX30208 pot fi conectate prin intermediul adreselor I2C într-un aranjament cu lanț margarent la o singură baterie și un microcontroler gazdă. Fiecare senzor de temperatură este chestionat de microcontroler în mod regulat pentru a crea un profil al temperaturii locale și integrale.
Dezvoltatorii pot folosi placa de la MIKROE-1362 IRTHERMO de la MIKROELEKTRONIKA pentru utilizarea cu senzorul infraroșu MLX90614.Acest lucru leagă modulul termometrului cu infraroșu cu o singură zonă MLX90614ESF-AAA către placa de microcontroler prin intermediul liniei Mikrobus I2C sau a liniei PWM (Figura 6).
Placa 5V este calibrată pentru -40 ° C până la 85 ° C temperatura ambiantă și -70 ° C până la + 380 ° C Range de temperatură obiect.
