Integrer raskt deteksjon med klinisk kvalitet i bærbare, kroppsbårne enheter (wearables) med medisinske design

I kjølvannet av global bekymring over COVID-19 blir utviklerne av bærbare og bærbare enheter for temperaturdeteksjon utfordret til å redusere størrelse på enhetene, kostnader og strømforbruk, selv om de må forbedre nøyaktighet, følsomhet og pålitelighet. For å møte denne utfordringen, forbedrer ikke bare sensorer ytelsen, men også den generelle brukervennligheten ved at utformingen og integrasjonsprosessen blir forenklet.

Denne artikkelen vil ta for seg de grunnleggende typene temperatursensorer, før den fokuserer på digitale IC-sensorer og kjernefunksjonene som utviklere må være på utkikk etter. Den viser eksempler på digitale temperatursensorer fra ams og Maxim Integrated, samt et infrarødt termometer fra Melexis Technologies NV som et eksempel på temperaturdeteksjon uten berøring. Den vil også vise hvordan disse enhetene kan dekke behovene til neste generasjons systemer, og beskrive relaterte evalueringstavler og sondesett og hvordan de kan brukes for å hjelpe utviklerne i gang.

Temperatursensor-valg

Av de fire vanlige typene temperatursensorer kan utviklere velge temperaturfølende termoelementer, motstandstemperaturenheter (RTD-er), termistorer og temperatursensor-IC-er. Temperatursensor-IC-er er et godt alternativ for kontaktbaserte medisinske og helsetjeneste-enheter. Dette skyldes hovedsakelig at de ikke krever linearisering, gir god støyimmunitet og er relativt enkle å integrere i kroppsbårne helsetjeneste-enheter (wearable healthcare devices). For kontaktløs deteksjon kan infrarøde termometre brukes.

Viktige parametere for utviklere å vurdere, spesielt for kroppsbårne utrustninger – enten det er en enhet som er slitt på håndleddet, innebygd i klær eller en klebrig medisinsk lapp – inkluderer størrelse, effektforbruk og termisk følsomhet. Følsomhet er viktig fordi når du planlegger for klinisk grad av nøyaktighet, da kan til og med forbigående kraft i størrelsesorden mikrowatt (µW) varme opp sensoren og forårsake unøyaktige avlesninger. En annen ting som spiller en rolle, er typen grensesnitt (digital eller analog), da dette vil avgjøre kravene til tilknyttede komponenter, som for eksempel mikrokontrolleren.

Hvordan oppnå klinisk grad av nøyaktighet

Møte av karakternøyaktighet av klinisk klasse, pr. ASTM E112 starter med valg av riktig sensor. Maxim Integrated sin digitalee temperatursensorer MAX30208 har for eksempel ±0,1 °C nøyaktighet fra +30 °C til +50 °C og ±0,15 °C nøyaktighet fra 0 °C til +70 °C. Enhetene måler 2 x 2 x 0,75 mm og leveres i en tynn 10-pinners LGA-kapsling (figur 1). IC-ene opererer med en forsyningsspenning fra 1,7 til 3,6 volt og bruker mindre enn 67 mikroamere (µA) i drift og 0,5 µA i standby.

Figur 1: MAX30208-digitale temperatursensorer tilbyr klinisk kvalitet målenøyaktighet på ±0,1 °C for batteridrevne enheter som smartur og medisinske lapper. (Bildekilde: Maxim Integrated)

Som nevnt er en kritisk utfordring når du konstruerer nøyaktighet til klinisk kvalitet, å sikre at sensorens egentemperatur ikke påvirker målingen fra en bærbar enhet.

Sensorens IC-varme, som går fra kretskortet gjennom kapslingen, fører til sensordysen og kan påvirke nøyaktigheten av temperaturavlesningene. I en temperatursensor-IC ledes denne varmen gjennom en kjøleplate lokalisert på undersiden av kapslingen, noe som resulterer i parasittisk oppvarming. Dette kan igjen føre til termisk ledning (konduksjon) inn og ut av andre pinner. Det er ikke til å unngå at dette forstyrrer temperaturmålingene.

For å motvirke parasittisk oppvarming kan utviklere benytte en rekke teknikker, som starter med bruk av tynne spor for å minimere termisk ledningsevne bort fra sensor-IC-en. I stedet for å bruke kjøleplaten på undersiden av kapslingen, kan utviklere måle temperaturen på toppen av kapslingen, så langt unna IC-pinnene som mulig. I tilfelle med MAX30208CLB+ og andre MAX30208-digitale temperatursensorer, tas temperaturmålingen øverst på kapslingen.

En annen lindringsteknikk er å plassere andre elektroniske komponenter – som kan bidra til varme til temperaturovervåkingssystemet – så langt borte fra følerelementet som mulig, for å minimere deres innvirkning på temperaturmålingsdataene.

System-til-bruker termiske designhensyn

Mens de sikrer termisk isolasjon fra varmekilder, må utviklerne også garantere en god termisk bane mellom det temperaturfølende elementet og brukerens hud. Plasseringen under kapslingen gjør det utfordrende for kretskortet å rute metallspor fra kontaktpunktet med kroppen.

Så først og fremst bør systemet utformes slik at sensoren ligger så nær måltemperaturen som skal måles som mulig. For det andre, som muliggjort av MAX30208-sensorene, kan utforming av bærbare enheter, samt medisinske plaster bruke fleksible eller halvstive kretskort. MAX30208-digitale temperatursensorer kan kobles direkte til en mikrokontroller ved hjelp av en fleksibel flatkabel (flat flexible cable – FFC) eller flat skriverkabel (flat printer cable – FPC).

Når du bruker disse kablene, er det viktig å plassere temperatursensoren-IC-en på flex-siden av kretskortet, noe som reduserer den termiske motstanden mellom overflaten av huden og sensoren. Dessuten bør utviklere minimere tykkelsen på flex-brettet så mye som mulig; et tynnere brett kan bøyes mer effektivt og muliggjøre bedre kontakt.

Digitale temperatursensorer er vanligvis koblet til mikrokontrollere via et I²C-serielt grensesnitt. Slik er tilfellet med Maxims MAX30208CLB+, som også bruker en FIFO for temperaturdata, slik at en mikrokontroller kan være i dvalemodus i lengre perioder for å spare strøm.

Figur 2: De digitale temperatursensorene MAX30208 er målrettet mot medisinske termometre og bærbare kroppstemperovervåkere. (Bildekilde: Maxim Integrated)

Digital temperatursensor MAX30208CLB+ bruker en 32-ords FIFO for å lage et register for temperatursensoroppstilling som tilbyr opptil 32 temperaturavlesninger, hver bestående av to byte. Disse minnekartlagte registerene gjør det også mulig for sensorer å tilby alarmer med høy og lav terskel.

Det er også to inngang-/utgangspinner for generell bruk (GPIO – general purpose I/O): GPIO1 kan konfigureres for å utløse en temperaturkonvertering, mens GPIO0 kan konfigureres til å generere et avbrudd for valgbare statusbiter.

Fabrikk-kalibrerte temperatursensorer

Mange digitale temperatursensorer er nå fabrikk-kalibrert, noe som eliminerer behovet for å bli kalibrert i felt eller kalibrere en gang i året, slik tilfellet er for mange gamle temperatursensorer. Videre omgår fabrikk-kalibrering behovet for å utvikle programvare for å linearisere utgangen, samt simulere og finjustere kretsen. Det eliminerer også behovet for en rekke presisjonskomponenter, samt minimerer risikoen for impedansfeilpasninger.

For eksempel; AS621x-familien av temperatursensorer fra ams er fabrikk-kalibrert og leveres med integrert linearisering (figur 3). Den har også åtte I²C-adresser slik at utviklere kan overvåke temperaturen ved åtte forskjellige potensielle varme områder (hot-spots) ved hjelp av en enkelt buss.

Figur 3: AS621x-sensorene gir et komplett digitalt temperatursystem med fabrikk-kalibrering. (Bildekilde: ams)

Det serielle grensesnittet med åtte I²C-adresser gjør også prototyping og designverifisering lettere for utviklere av helserelaterte overvåkingssystemer.

AS621x-sensorene er tilgjengelige i tre nøyaktighetsversjoner for å tilpasse sensorene til deres spesifikke utrustningskrav: ±0.2 °C, ±0.4 °C, og ±0.8 °C. For helserelaterte overvåkningssystemer er nøyaktighet innenfor ± 0,2 °C tilstrekkelig, noe som gjør AS6212-AWLT-L til et passende alternativ. Alle AS621x-enheter har 16-bits oppløsning for å oppdage små variasjoner i temperatur over hele sitt driftstemperaturområde på -40 °C til +125 °C.

AS621x måler 1,5 mm² og leveres i en WLCSP-kapsling (wafer-level chip-scale package) for å gjøre det enklere å integrere den i en helsetjeneste-enhet. Den opererer fra en forsyningsspenning på 1,71 volt og bruker 6 µA ved drift og 0,1 µA i standby-modus. Den lille monteringsflaten og det lave strømforbruket gjør temperatursensorer som AS6212-AWLT-L spesielt egnet for batteridrevne utrustninger for mobil og bærbare enheter.

Kontaktløse temperatursensorer

I motsetning til temperatursensor-IC-er som krever fysisk kontakt, utfører infrarøde termometre målinger uten berøring. Disse kontaktløse sensorene måler to parametere: omgivelsestemperatur og temperaturen på et objekt.

Slike termometre oppdager enhver energi over 0 Kelvin (absolutt null) som sendes ut av en gjenstand foran enheten. Detektoren konverterer deretter energien til et elektrisk signal og overfører den til en prosessor for å tolke og vise dataene etter å ha kompensert for variasjoner forårsaket av omgivelsestemperatur.

For eksempel MLX90614ESF-BCH-000-TU infrarødt termometer fra Melexis omfatter en infrarød termopil detektorbrikke og en signalbehandlingsbrikke integrert i en TO-39-kapsling (figur 4). En lavstøy-forsterker, 17-biters analog-til-digital-omformer (ADC) og digital signalprosessor (DSP) integrert i MLX90614 familie sikrer høy nøyaktighet og oppløsning.

Figur 4: Infrarødt termometer MLX90614 har en standard nøyaktighet på 0,5 °C ved romtemperatur. (Bildekilde: Melexis)

MLX90614 er fabrikk-kalibrert for et temperaturområde for omgivelsestemperatur -40 °C til +85 °C og for objekttemperatur -70 °C til +382,2 °C . De har en standard nøyaktighet på 0,5 °C ved romtemperatur.

Disse kontaktløse temperatursensorene gir to moduser for utgang: Pulsbreddemodulasjon (pulse width modulation – PWM) og SMBus via et to-ledergrensesnitt (TWI) eller I²C-forbindelse. Sensoren leveres fabrikk-kalibrert med en digital SMBus-utgang og kan betjene hele temperaturområdet med en oppløsning på 0,02 °C. På den annen side kan utviklere konfigurere 10-bits PWM digitalutgang med en oppløsning på 0,14 °C.

Utvikling med temperatursensorer

MAX30208-sensorserie støttes av Maxim Integrated sitt MAX30208EVSYS# evalueringssystem, som inkluderer et flex-kretskort for å holde temperatursensoren MAX30208 (figur 5). Evalueringssystemet består av to kort: mikrokontrollerkort MAX32630FTHR og grensesnittkort MAX30208, som er tilkoblet via stiftlister. Utviklere trenger bare å koble evalueringsmaskinvaren til en PC ved å bruke den medfølgende USB-kabelen. Systemet installerer deretter automatisk de nødvendige enhetsdriverne. Når disse er installert, må EV Kit-programvare lastes ned.

Figur 5: Utviklere kan koble evalueringsmaskinvaren til en PC ved å bruke den medfølgende USB-kabelen. De nødvendige enhetsdriverne blir automatisk installert. (Bildekilde: Maxim Integrated)

Det er også verdt å nevne her at en mobil eller bærbar enhet kan måle kroppstemperatur på flere steder. I et sportsplagg kan for eksempel flere temperatur Ic-er ICX30208 kobles til via I²C adresserer i et seriekobling-arrangement (daisy-chain) til et enkelt batteri og verts-mikrokontroller. Her pollet hver temperatursensor regelmessig av mikrokontrolleren for å lage en profil av både lokal- og hele kroppens temperatur.

For den infrarøde sensoren MLX90614 kan utviklere av medisinske enheter komme i gang med det kompakte kortet IrThermo Click-board MIKROE-1362 fra MikroElektronika. Dette forbinder den en-sone-infrarøde termometermodulen MLX90614ESF-AAA til mikrokontrollerkortet via en mikroBUS I²C-linje eller PWM-linje (figur 6).

Figur 6: MIKROE-1362 IrThermo Click Board-kortet kan brukes til å komme i gang med utvikling med Maxim Integrateds MLX9016 sensor. (Bildekilde: MikroElektronika)

MikroElektronikas 5 volt-kort er kalibrert for et temperaturområde for omgivelsestemperatur -40 °C til +85 °C og for objekttemperatur -70 °C til +380 °C .

Konklusjon

Utviklerne blir utfordret til å gjøre temperaturmåling på klinisk nivå mer tilgjengelig for massemarkedet, til tross for utfordringer som effekt, størrelse, kostnader, pålitelighet og nøyaktighet. Kontakt- og kontaktløse sensorer, støttet av evalueringssett, er nå tilgjengelige, slik av sensorene imøtekommer dette behovet, raskt og effektivt. Som vist har disse sensorene ikke bare ytelsesegenskapene som kreves for klinisk temperaturmåling, de kommer også med fabrikk-kalibrering og digitale grensesnitt som er nødvendige for å gjøre dem enklere å integrere i neste generasjons design.