Nagy pontosságú digitális hőmérséklet-érzékelők használata a viselhető egészségfigyelő eszközökben

A pontos digitális hőmérsékletmérés számos felhasználási területen fontos, többek között a viselhető eszközökben, a gyógyászati figyelőeszközökben, az egészségügyi és fitnesz-mozgáskövetőkben, a hűtőlánc- és környezetfelügyeletben, valamint az ipari számítástechnikai rendszerekben. Bár a nagy pontosságú digitális hőmérsékletméréseket elterjedten használják, a megvalósításuk gyakran a hőmérséklet-érzékelő kalibrálásával vagy linearizálásával, valamint nagyobb fogyasztással jár, ami a kis méretű, rendkívül kis fogyasztású, többféle adatgyűjtési móddal rendelkező eszközök esetében problémát jelenthet. A tervezéssel járó kihívások gyorsan növekedhetnek, ami költségtúllépést okozhat, és késedelmet szenvedhet az ütemterv is.

A helyzetet bonyolítja, hogy egyes készülékekben több hőmérséklet-érzékelő használ egy közös kommunikációs sínt. Ezen túlmenően egyes gyári ellenőrző berendezéseket az Amerikai Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi és Műszaki Intézete előírásainak (NIST) megfelelően kell kalibrálni, a hitelesítőberendezések kalibrálást pedig ISO/IEC-17025 által jóváhagyott laboratóriumban kell elvégezni. A kezdetben egyszerűnek tűnő funkció hirtelen ijesztővé és költségessé válik.

Ez a cikk röviden ismerteti az akkumulátorról működő hordozható egészségfigyelő készülékekkel végzett nagy pontosságú hőmérsékletmérések követelményeit. Ezután bemutatja az ams OSRAM kis fogyasztású, nagy pontosságú digitális hőmérséklet-érzékelő IC-jét, amely nem igényel sem kalibrálást, sem linearizálást. A cikk a beépítésre vonatkozó javaslatokkal zárul, és bemutat egy fejlesztőkártyát és egy Bluetooth-kompatibilis szemléltetőkészletet, amelyhez egy társalkalmazás is tartozik, lehetővé téve az érzékelő beállításainak módosítását és azok fogyasztásra gyakorolt hatásának figyelését.

A nagy pontosságú hőmérséklet-figyelés követelményei

Az egészségfigyelő eszközökben kötelező a pontosság. A legyártott digitális hőmérséklet-érzékelők teljesítménye alkatrészenként eltéréseket mutat, amit kezelni kell. Mivel a házon belüli kalibrálás költséges, a kalibrálatlan érzékelők használata pedig növeli a kívánt pontosság elérésének költségeit, a tervezőknek teljesen kalibrált és linearizált érzékelőket kell választaniuk. Fontos azonban meggyőződni arról, hogy az érzékelő gyártója a NIST-szabványokra visszavezethető kalibrálóeszközöket használ-e. A nyomon követhető kalibrációval rendelkező műszerek használata biztosítja a NIST-alapszabványokhoz visszavezethető megszakítás nélküli láncot, ahol a lánc minden egyes láncszeménél azonosítva és dokumentálva vannak az esetleges bizonytalanságok, hogy az eszközgyártó minőségbiztosítási rendszerében ki lehessen azokat küszöbölni.

Az ellenőrző és kalibrálólaboratóriumok elsődleges szabványa az ISO/IEC 17025 (A vizsgáló- és kalibrálólaboratóriumok felkészültségének általános követelményei). Az ISO/IEC 17025 szabvány olyan műszaki alapelveken alapul, amelyek kifejezetten a kalibráló- és ellenőrző laboratóriumokra összpontosítanak, ezen laboratóriumok minősítésére használatos, és a folyamatos fejlesztésre irányuló tervek kidolgozásának alapjául szolgál.

Digitális hőmérséklet-érzékelő a NIST-szabványokra visszavezethető gyártási ellenőrzéssel

A számos tervezési és tanúsítási követelmény teljesítéséhez a tervezők használhatják az ams OSRAM AS6211 digitális hőmérséklet-érzékelőjét, amellyel akár ±0,09 °C pontosság is elérhető, és amely nem igényel sem kalibrálást, sem linearizálást. Az egészségügyi berendezésekben, viselhető eszközökben és más nagy pontosságú hőmérsékleti adatokat igénylő készülékekben való használatra tervezett AS6211 gyártási ellenőrzését egy ISO/IEC-17025 által jóváhagyott laboratórium kalibrálja a NIST-szabványoknak megfelelően. A kalibrált gyártási ellenőrzés felgyorsítja az EN 12470-3 szabvány szerinti tanúsítás megszerzését, amely az Európai Unióban a gyógyászatban használt hőmérők esetében kötelező.

Az AS6211 egy önálló digitális hőmérséklet-érzékelő egy hatlábú, a rendszerbe való beépítésre teljes mértékben alkalmas 1,5 mm × 1,0 mm-es WLCSP (a félvezetőszeleten kialakított lapkaméretű) tokban. Egy rendelhető cikkszámú változatot, az AS6221-AWLT-S jelű terméket 500 darabos tételben szállítják szalagtekercsben. Az AS6211 mérései szabványos I²C illesztőfelületen keresztül történnek, és az eszköz nyolc I²C-címet támogat, így a többérzékelős készülékeknél megszűnnek a sínütközésekkel kapcsolatos aggályok.

Nagy pontosság és kis fogyasztás

Az AS6221 nagy pontosságot kínál kis fogyasztás mellett a teljes 1,71-3,6 V-os egyenfeszültség-tartományban, ami az egyetlen akkumulátorcelláról működő készülékek esetében különösen fontos. Az IC egy érzékeny és pontos szilícium (Si) tiltottsávhőmérséklet-érzékelőt és egy analóg-digitális átalakítót tartalmaz, valamint egy digitális jelfeldolgozót a hozzá tartozó regiszterekkel és vezérlőlogikával. A beépített riasztási funkció képes arra, hogy megszakítást indítson el egy meghatározott hőmérsékleti küszöbértéknél, amely egy regiszterérték megadásával állítható be.

Az AS6221 IC áramfelvétele 6 µA, amikor másodpercenként négy mérést végez, készenléti üzemmódban pedig mindössze 0,1 µA. A beépített riasztási funkció használatával, amely csak akkor ébreszti fel a célprocesszort, ha a hőmérséklet elér egy küszöbértéket, még tovább csökkenthető a rendszer fogyasztása.

Viselhető eszközökbe való beépítési lehetőségek

A viselhető eszközök esetében annál pontosabb a hőmérsékletmérés, minél jobb a termikus kapcsolat (hőátadás) az érzékelő és a bőr között. A tervezőknek több lehetőségük is van a termikus kapcsolat optimalizálására. Ennek egyik módja, hogy egy hővezető csapot helyeznek a bőr és az érzékelő közé (1. ábra). A megbízható eredmények elérése érdekében a csapot el kell szigetelni minden külső hőforrástól, például az eszköz házától, és a csap és az AS6211 közé hővezető pasztát vagy hővezető ragasztót kell felvinni. Ennek a megoldásnak az az előnye, hogy hajlékony nyomtatott áramköri lap is használható hozzá, amely nagyobb szabadságot kínál az AS6221 érzékelő elhelyezésére.

1. ábra: A bőr és az érzékelő közötti kis hőellenállású hőátadási útvonal kialakítására használható hajlékony nyomtatott áramköri lap és hővezető ragasztó (kép: ams OSRAM)

Azokban a konstrukciókban, amelyeknél előnyös, ha az érzékelő a fő nyomtatott áramköri lapon van, a termikus kapcsolat egy érintkezőrugó vagy egy hővezető párna segítségével valósítható meg. Ha az érzékelő a nyomtatott áramköri lap aljára van szerelve, akkor egy érintkezőrugó használható az érintkezőcsap és az érzékelőhöz csatlakozó nyomtatott áramköri lapon lévő hőelvezető furatok közötti termikus kapcsolat kialakítására (2. ábra). Ez a megoldás olyan költségtakarékos eszközt eredményezhet, amely nagyobb távolságokat is lehetővé tesz az érzékelő és a bőr között, de a nagyfokú érzékenység elérése érdekében gondosan figyelembe kell venni a különböző hőátadási pontokat.

2. ábra: Ha az érzékelőt a nyomtatott áramköri lap aljára szerelik, hőelvezető furatok és egy érintkezőrugó segítségével kapcsolható az érintkezőcsaphoz (kép: ams OSRAM)

A harmadik lehetőség, hogy egy hővezető párna segítségével kapcsolják a csapot a nyomtatott áramköri lap tetejére szerelt érzékelőhöz (3. ábra). A rugós érintkező vagy a hajlékony nyomtatott áramköri lap használatával összehasonlítva ez a megoldás nagy hővezető képességű hővezető párnát és körültekintő mechanikai tervezést igényel, hogy a lehető legkisebb legyen a hőellenállás az érintkezőcsap és az érzékelő között. Ez egyszerűbb összeszerelést eredményezhet, miközben még mindig kimagasló teljesítményt nyújt.

3. ábra: A nyomtatott áramköri lap tetejére szerelt érzékelőt hővezető párnával lehet az érintkezőcsaphoz kapcsolni. Ez egyszerűbb összeszerelést biztosít, miközben továbbra is kimagasló teljesítményt nyújt (kép: ams OSRAM)

A termikus válaszidő javítása

A rövid termikus válaszidő elérése érdekében fontos, hogy minimálisra csökkentsük a mérést befolyásoló külső hatásokat, különösen azokat, amelyeket a nyomtatott áramköri lapnak az érzékelővel közvetlenül szomszédos része fejt ki. Két megvalósítható tervezési javaslat: kivágások használata, hogy minimálisra csökkentsük a rézfelületeket az érzékelő közelében a nyomtatott áramköri lap tetején (4. ábra, fent), illetve a nyomtatott áramköri lap aljáról kapott hőterhelés csökkentése az érzékelő alatt elhelyezkedő kimarással, így csökkentve a nyomtatott áramköri lap teljes tömegét (4. ábra, lent).

4. ábra: A nyomtatott áramköri lap tetején lévő kivágásokkal és alján lévő kimarásokkal a lehető legkisebbre csökkenthető a nyomtatott áramköri lap tömege az érzékelő körül, és javítható az érzékelő válaszideje (kép: ams OSRAM)

A nyomtatott áramköri lap által kifejtett hatások minimálisra csökkentése mellett a mérési sebesség javítását és a teljesítmény növelését elősegítő egyéb technikák közé tartoznak az alábbiak:

• A lehető legnagyobb bőrrel érintkező felület kialakítása az érzékelő számára elérhető hőmennyiség növelése érdekében.
• Vékony réz vezetőcsíkok használata, valamint a tápfeszültség- és testfelületek méretének a lehető legkisebbre csökkentése a nyomtatott áramköri lapon.
• Az eszköz teljesítménybeli követelményeinek teljesítéséhez elegendő lehető legkisebb méretű akkumulátorok és egyéb alkatrészek, például kijelzők használata.
• A készülékházat úgy kell megtervezni, hogy a nyomtatott áramköri lapon lévő érzékelőt termikusan szigetelje el a környező alkatrészektől és a külső környezettől.

A környezeti hőmérséklet érzékelése

Ha több hőmérséklet-érzékelőt használunk, például olyan készülékeknél, amelyek a bőrhőmérsékletet és a környezeti hőmérsékletet egyaránt mérik, akkor további tervezési szempontokat is figyelembe kell venni. Minden méréshez külön érzékelőt kell használni. Az eszközt hőtani szempontból úgy kell kialakítani, hogy a lehető legnagyobb legyen a hőellenállás a két érzékelő között (5. ábra). Minél nagyobb az érzékelők közti hőellenállás, annál jobban el lesz szigetelve egymástól a két érzékelő, ami biztosítja, hogy a mérések ne zavarják egymást. A készülékházat kis hővezető képességű anyagokból kell készíteni, és a két érzékelő területe közé hőszigetelő gátat kell beilleszteni.

5. ábra: A környezeti hőmérséklet pontos érzékeléséhez nagy hőellenállásnak kell lennie a bőrhőmérséklet-érzékelő és a környezetihőmérséklet-érzékelő között (kép: ams OSRAM)

A fejlesztőkészlet jelentősen megkönnyíti az AS6221 használatával történő fejlesztés elkezdését

Az eszközfejlesztés és a piacra kerülés felgyorsítása érdekében az ams OSRAM egy fejlesztőkészletet és egy szemléltetőkészletet is kínál a tervezőknek. Az AS62xx fejlesztőkészlet az AS6221 digitális hőmérséklet-érzékelő gyors beállítására használható, lehetővé téve az eszköz képességeinek gyors kiértékelését. Ez a fejlesztőkészlet közvetlenül csatlakozik egy külső mikrovezérlőhöz (MCU), amely a hőmérsékletmérési eredmények elérésére használható.

6. ábra: Az AS62xx fejlesztőkészlet az AS6221 beállításához és kiértékeléséhez használható (kép: ams OSRAM)

Szemléltetőkészlet az AS6221 IC-hez

Az alapkiértékelés befejezése után a tervezők használhatják alkalmazásfejlesztési platformként az AS6221-DK szemléltetőkészletet. A szemléltetőkészlet egy AS6221 hőmérséklet-érzékelő gombot és egy CR2023-as gombelemet tartalmaz. A készlethez kapcsolódó, az App Store és a Google Play Store áruházból letölthető alkalmazás egyszerre legfeljebb három érzékelőgombbal való kapcsolatot tesz lehetővé (7. ábra). Az alkalmazás a Bluetooth használatával kommunikál az érzékelőgombokkal, lehetővé téve az érzékelők összes beállításának módosítását, beleértve a mérési gyakoriságot is, és figyelve annak a fogyasztásra gyakorolt hatását. Az alkalmazás képes mérési sorozatokat rögzíteni, lehetővé téve ezzel a különböző hőmérsékletérzékelő-beállítások teljesítményének összehasonlítását. A tervezők a szemléltetőkészlet segítségével kísérletezhetnek a riasztási üzemmóddal is, és megtanulhatják, hogyan lehet azt az eszköz teljesítményének javítására használni.

7. ábra: Az AS6221 szemléltetőkészlet az AS6221 hőmérséklet-érzékelőhöz tartozó alkalmazás fejlesztőplatformjaként szolgál (kép: ams OSRAM)

Összegzés

Az egészségügyi, fitnesz- és egyéb viselhető eszközökhöz készült nagy pontosságú digitális hőmérséklet-érzékelő rendszerek kialakítása körültekintő tervezést, tesztelést és tanúsítást igénylő összetett folyamat. A folyamat egyszerűsítése, a költségek csökkentése és a gyorsabb piacra kerülés érdekében a tervezők használhatnak nagy integráltsági fokú, kis fogyasztású, nagy pontosságú érzékelőket.

Az AS6221 egy ilyen eszköz. Nem igényel sem kalibrálást, sem linearizálást, a gyártási ellenőrző berendezéseket pedig egy ISO/IEC-17025-jóváhagyással rendelkező laboratórium kalibrálja a NIST-szabványok szerint, ami felgyorsítja az gyógyászati eszközök tervezésének és jóváhagyásának folyamatát.

Ajánlott olvasnivaló

1. Enhance Battery Life in Wearables Through Efficient Timekeeping During Idle States (A viselhető eszközökben lévő akkumulátor üzemidejének növelése a tétlen állapotok alatti hatékony időmérés révén)
2. Use Adjustable Low Leakage LDOs to Extend Battery Life in Wearable Designs (Szabályozható LL LDO-k (kis nyugalmi áramú kis feszültségkülönbségű lineáris feszültségszabályozók) használata a viselhető eszközökben lévő akkumulátor üzemidejének növelése érdekében)
3. Boost Fitness Tracker Accuracy Using High-Accuracy Pressure Sensors (A fitnesz-mozgáskövetők pontosságának növelése nagy pontosságú nyomásérzékelőkkel)