Slik bruker du digitale temperatursensorer med høy nøyaktighet i kroppsbårne enheter for helseovervåking

Nøyaktige digitale temperaturmålinger er viktig i en rekke bruksområder, for eksempel kroppsbårne enheter, medisinsk overvåkingsutstyr, helse- og treningsarmbånd, kaldkjede- og miljøovervåking og industrielle databehandlingssystemer. Selv om implementeringen av svært nøyaktige digitale temperaturmålinger er mye brukt, innebærer det ofte temperatursensorkalibrering eller -linearisering, samt høyere strømforbruk, noe som kan være et problem for kompakte konstruksjoner med ultralavt energiforbruk og flere innhentingsmoduser. Konstruksjonsutfordringene kan hope seg opp raskt, noe som forårsaker kostnadsoverskridelser og forsinkede tidsplaner.

Noen konstruksjoner kompliserer ting ytterligere, og involverer flere temperatursensorer som deler én enkel kommunikasjonsbuss. I tillegg må noen produksjonstestoppsett kalibreres i henhold til det amerikanske nasjonale instituttet for standarder og teknologi (NIST – National Institute of Standards and Technology), mens verifikasjonsutstyr må kalibreres av et ISO/IEC-17025-akkreditert laboratorium. Plutselig blir det som tidligere virket som en ukomplisert funksjon, til en skremmende og kostbar affære.

Denne artikkelen beskriver kort kravene til temperaturmålinger med høy nøyaktighet i mobile og batteridrevne konstruksjoner for helseovervåking. Den introduserer deretter en digital temperaturføler med lav effekt og høy nøyaktighet fra ams OSRAM som verken krever kalibrering eller linearisering. Den avslutter med integrasjonsanbefalinger, et evalueringskort og et Bluetooth-aktivert demosett med en tilhørende app som gjør det mulig å endre sensorinnstillinger og observere virkningen på strømforbruket.

Krav til temperaturovervåking med høy nøyaktighet

Nøyaktighet er obligatorisk i konstruksjoner for helseovervåking. Digitale temperatursensorer leveres med delvise variasjoner i ytelse, noe som må håndteres. Siden intern kalibrering er dyrt og bruk av ukalibrerte sensorer øker kostnadene forbundet med å oppnå ønsket nøyaktighet, bør konstruktører vurdere sensorer som er fullstendig kalibrerte og lineariserte. Det er imidlertid viktig at sensorprodusenten bruker kalibreringsinstrumenter som kan spores til NIST-standarder. Bruk av instrumenter med sporbar kalibrering sikrer en ubrutt kjede tilbake til de grunnleggende NIST-standardene, der usikkerhetene for hvert ledd i kjeden er identifisert og dokumentert slik at de kan håndteres i kvalitetssikringssystemet til produsenten av enheten.

Hovedstandarden for testings- og kalibreringslaboratorier er ISO/IEC 17025 «Generelle krav til kompetanse for testings- og kalibreringslaboratorier» (General requirements for the competence of testing and calibration laboratories). ISO/IEC 17025 er basert på tekniske prinsipper som er særlig fokusert på laboratorier for testing og kalibrering, brukes til akkreditering av disse og gir grunnlag for å utvikle kontinuerlige forbedringsplaner.

Digital temperatursensor med NIST-sporbar produksjonstesting

For å oppfylle de mange konstruksjons- og sertifiseringskravene, kan konstruktører bruke den digitale AS6211-temperatursensoren fra ams OSRAM som gir nøyaktighetsnivåer på opptil ±0,09 °C, og som ikke krever noen kalibrering eller linearisering. Produksjonstestingen til AS6211 er utviklet for bruk i helseenheter, kroppsbårne enheter og andre bruksområder som krever termisk informasjon med høy ytelse, og den er kalibrert av et ISO/IEC-17025-akkreditert laboratorium i henhold til NIST-standarder. Den kalibrerte produksjonstestingen fremskynder prosessen med å oppnå sertifisering i henhold til NS-EN 12470-3, noe som kreves for medisinske termometre i Den europeiske union.

AS6211 er en komplett digital temperatursensor som kommer i en WLCSP-kapsling (WLCSP – wafer level chip scale package) med seks pinner. Den måler 1,5 x 1,0 millimeter (mm) og er klar for systemintegrasjon. Et eksempel på et bestillingsbart delenummer er AS6221-AWLT-S, som leveres i mengder på 500 deler på bånd og rull (tape & reel). Målingene til AS6211 leveres gjennom et standard I² C-grensesnitt, og den støtter åtte I²C-adresser, noe som dermed eliminerer bekymringer rundt busskonflikter i konstruksjoner med flere sensorer.

Høy nøyaktighet pluss lavt energiforbruk

AS6221 leverer høy nøyaktighet med lavt energiforbruk over hele strømforsyningsområdet, mellom 1,71 og 3,6 volt likestrøm, noe som er spesielt viktig i konstruksjoner drevet av én enkel battericelle. Den inkluderer en følsom og nøyaktig båndavstand-temperatursensor av silisium (Si), en analog-til-digital-omformer og en digital signalprosessor med tilknyttede registre og tilknyttet styringslogikk. Den integrerte varslingsfunksjonen kan utløse et avbrudd ved en bestemt temperaturterskel, som programmeres ved å angi en registerverdi.

AS6221 bruker 6 mikroampere (µA) når den foretar fire målinger per sekund, og i hvilemodus er strømforbruket kun 0,1 µA. Å bruke den integrerte alarmfunksjonen til å vekke konstruksjonens prosessor kun når en temperaturterskel er nådd, kan redusere systemets strømforbruk enda mer.

Alternativer for integrasjon av kroppsbårne enheter

Jo bedre den termiske forbindelse er mellom sensoren og huden i kroppsbårne enheter, desto nøyaktigere vil temperaturmålingen være. Konstruktører har flere tilgjengelige alternativer når de skal optimalisere den termiske tilkoblingen. En måte er å plassere en termisk ledende pinne mellom huden og sensoren (figur 1). For å oppnå pålitelige resultater, må pinnen isoleres fra alle eksterne kilder til termisk energi, for eksempel enhetens hus, og termisk pasta eller lim bør brukes mellom pinnen og AS6211. Denne tilnærmingen drar nytte av å bruke et fleksibelt (flex) kretskort (PCB) til å bære AS6221, noe som gir større frihet til å lokalisere sensoren.

Figur 1: Et fleksibelt kretskort og termisk lim kan brukes til å gi en lav termisk impedansbane mellom huden og sensoren. (Bildekilde: ams OSRAM)

I konstruksjoner som drar nytte av å ha sensoren på hovedkretskortet, kan den termiske tilkoblingen skapes ved å bruke en kontaktfjær eller en termisk pute. Hvis sensoren er montert på bunnen av kretskortet, kan en kontaktfjær brukes til å skape en termisk forbindelse mellom kontaktpinnen og termiske baner på kretskortet som er koblet til sensoren (figur 2). Denne tilnærmingen kan resultere i en kostnadseffektiv enhet som støtter større avstander mellom sensoren og huden, men dette krever nøye vurdering av de termiske grensesnittene for å oppnå høye følsomhetsnivåer.

Figur 2: Når sensoren er montert på bunnen av et kretskort, kan termiske baner og en kontaktfjær brukes til å koble til kontaktpinnen. (Bildekilde: ams OSRAM)

Et tredje alternativ er å bruke en termisk pute til å koble pinnen til en sensor montert på toppen av kretskortet (figur 3). Sammenlignet med å bruke en fjærkontakt eller et fleksibelt kretskort, krever denne tilnærmingen en pute med høy termisk konduktivitet og nøyaktig mekanisk konstruksjon for å sikre minimal termisk impedans mellom kontaktpinnen og sensoren. Dette kan resultere i enklere montering, samtidig som høye ytelsesnivåer leveres.

Figur 3: En termisk pute kan koble en toppmontert sensor til kontaktpinnen. Dette gir enklere montering, samtidig som høy ytelse oppnås. (Bildekilde: ams OSRAM)

Forbedre termisk responstid

For å oppnå raske termiske responstider, er det viktig å minimere den ytre påvirkningen på målingen, spesielt ved delen av kretskortet som er direkte ved siden av sensoren. To gjennomførbare konstruksjonsforslag er å bruke utsparinger som kan minimere eventuelle kobberplan i nærheten av sensoren på toppen av kretskortet (figur 4, øverst), samt å redusere termisk belastning fra bunnen av kretskortet ved å bruke et utsparingsområde under sensoren for å redusere den totale massen til kretskortet (figur 4, nederst).

Figur 4: Utsparinger på toppen og bunnen av kretskortet kan minimere massen til kretskortet rundt sensoren og forbedre responstiden. (Bildekilde: ams OSRAM)

I tillegg til å minimere kretskortvirkninger, er andre teknikker som kan bidra til å forbedre målehastighet og -ytelse, følgende:

• Maksimere kontaktområdet med huden for å øke varmen som er tilgjengelig for sensoren.
• Bruke tynne kobberspor og minimere størrelsen på strømplan og horisontale projeksjonsplan.
• Bruke batterier og andre komponenter, for eksempel skjermer som er så små som mulig for å oppnå enhetens ytelseskrav.
• Konstruere kapslingen for å termisk isolere sensoren på kretskortet fra de omkringliggende komponentene og de ytre omgivelsene.

Deteksjon av omgivelsestemperatur

Ytterligere faktorer må tas hensyn til når flere temperatursensorer brukes, for eksempel i konstruksjoner som bruker både hud- og omgivelsestemperatur. En egen sensor bør brukes for hver måling. Den termiske konstruksjonen til enheten skal maksimere den termiske impedansen mellom de to sensorene (figur 5). En høyere tilstøtende termisk impedans gir bedre isolasjon mellom sensorene og sikrer at målingene ikke vil forstyrre hverandre. Kapslingen til enheten bør produseres med materialer som har lav termisk konduksjonsevne, og en termisk isolasjonsbarriere bør settes inn mellom de to sensordelene.

Figur 5: For å oppnå nøyaktig måling av omgivelsestemperatur, bør det være en høy termisk motstand mellom sensorene for hud og omgivelsestemperatur. (Bildekilde: ams OSRAM)

Evalueringssettet kickstarter AS6221-utvikling

For å fremskynde utviklingen av utstyr og tiden det tar å få det endelige produktet ut på markedet, tilbyr ams OSRAM både et evalueringssett og et demosett. AS62xx-evalueringssettet (Eval Kit) kan brukes til å raskt konfigurere den digitale AS6221-temperatursensoren, noe som muliggjør rask evaluering av sensorens funksjoner. Dette evalueringssettet kobles direkte til en ekstern mikrokontroller (MCU) som kan brukes til å få tilgang til temperaturmålinger.

Figur 6: AS62xx-evalueringssettet kan brukes til å konfigurere og evaluere AS6221. (Bildekilde: ams OSRAM)

Demosett for AS6221

Når den grunnleggende evalueringen er fullført, kan konstruktører bruke AS6221-demosettet som en utviklingsplattform for konstruksjoner. Demosettet inkluderer en AS622-temperaturknapp og et CR2023-knappcellebatteri. Nedlasting av den tilknyttede appen fra App Store eller Google Play Store støtter tilkobling til opptil tre sensorknapper samtidig (figur 7). Appen kommuniserer med sensorknappene over Bluetooth, noe som gjør det mulig å endre alle sensorinnstillinger, for eksempel målehyppighet, og observere virkningen på strømforbruket. Appen kan registrere målesekvenser, og dermed muliggjøre sammenligninger av ytelsen til ulike innstillinger for temperatursensoren. Konstruktører kan også bruke demosettet til å eksperimentere med varslingsmodusen og finne ut hvordan det kan brukes til å forbedre ytelsen til løsningen.

Figur 7: AS6221-demosettet fungerer som en utviklingsplattform for temperatursensorer for AS6221. (Bildekilde: ams OSRAM)

Konklusjon

Med tanke på konstruksjon, testing og sertifisering, er det en kompleks prosess å konstruere digitale systemer for temperaturdeteksjon med høy nøyaktighet for helsetjenester, trening og andre kroppsbårne enheter. For å forenkle prosessen, redusere kostnader og få produktet raskere ut på markedet, kan konstruktører bruke svært integrerte sensorer med lavt energiforbruk og høy nøyaktighet.

Som vi har vist, er AS6221 én slik enhet. Den krever ikke kalibrering eller linearisering, og produksjonstestutstyret er kalibrert i henhold til NIST-standarder av et ISO/IEC-17025-akkreditert laboratorium, noe som fremskynder utviklings- og godkjenningsprosessen for medisinsk utstyr.

Anbefalt lesing

1. Forbedre batterilevetiden i kroppsbårne enheter (wearables) ved hjelp av effektiv tidtaking i hviletilstand
2. Bruk justerbare LDO-er med lav lekkasje for å forlenge batteriets levetid i kroppsbårne enheter (wearables)
3. Øk nøyaktigheten til treningsarmbånd ved å bruke trykksensorer med høy nøyaktighet