Simplificando o desenho do sensor para equipamentos médicos
Nov 17,2021
Dos quatro tipos comuns de sensores de temperatura - termopares, dispositivos de temperatura de resistência, termistores e sensor de temperatura ICS - Sensor de temperatura ICs são uma boa opção para projetos médicos e de saúde baseados em contato. Principalmente, eles não exigem linearização, eles oferecem boa imunidade de ruído e são relativamente fáceis de integrar em dispositivos de saúde portáteis e wearable. Para sensores sem contato, os termômetros infravermelhos podem ser usados.
Os principais parâmetros são tamanho, consumo de energia e sensibilidade térmica. O último é importante para a precisão de grau clínico, porque mesmo a energia transitória (μW) pode aquecer o sensor e causar leituras imprecisas. Outra consideração é o tipo de interface (digital ou analógico), que determinará componentes associados, como o microcontrolador.
Precisão clínica
Reunião de precisão de grau clínico, por ASTM E112 (métodos de teste padrão para determinar o tamanho médio do grão), inicia com o sensor apropriado. Os sensores de temperatura digital Max30208 máximos Maxim, por exemplo, características de ± 0,1 ° C de + 30 ° C a + 50 ° C e ± 0,15 ° C com precisão de 0 ° C a 70 ° C. (Maxim integrado foi adquirido por dispositivos analógicos em agosto de 2021.) Os dispositivos medem 2x2x0.75mm e estão em um pacote LGA fino 10pin (Figura 1). Os ICs operam de uma tensão de alimentação de 1,7V-3.6V e consome menos de 67μA em operação e 0,5μA em espera.
É importante que a temperatura própria do sensor não influencie a leitura de medição de um dispositivo wearable. O calor do sensor IC, que viaja a partir do PCB através do pacote, leva ao sensor dado e pode afetar a precisão. Em um sensor de temperatura, este calor é conduzido através de uma almofada térmica de metal na parte inferior da embalagem, resultando em aquecimento parasita. Isso pode causar condução térmica dentro e fora de outros pinos, interferindo com medições de temperatura.
Há uma série de técnicas para combater o aquecimento parasitário. Os traços finos podem ser usados para minimizar a condutividade térmica longe do sensor IC. Os designers podem medir a temperatura no topo da embalagem, o mais longe possível dos pinos IC, em vez de usar a almofada térmica. Este é o caso dos sensores de temperatura digital max30208clb + e outros max30208.
Outra opção é colocar outros componentes eletrônicos o mais longe possível do elemento de detecção possível para minimizar seu impacto na medição de temperatura.
Considerações de design térmico
Para garantir que o isolamento térmico de fontes de calor em dispositivos wearable deve haver um bom caminho térmico entre o elemento sensor de temperatura e a pele do usuário. A localização embaixo da embalagem torna desafiadora para o PCB rotear as faixas de metal do ponto de contato com o corpo.
O sistema deve ser projetado para que o sensor seja o mais próximo possível da temperatura-alvo a ser medida. Usando sensores max30208, desenhos cansáveis e patches médicos podem usar PCBs flex ou semi-rígidos. Os sensores de temperatura digital MAX30208 podem ser conectados diretamente a um microcontrolador usando um cabo flexível plano ou cabo de impressora plano.
É essencial colocar o sensor de temperatura IC no lado flexível do PCB, que reduz a resistência térmica entre a superfície da pele e o sensor. Os designers também devem minimizar a espessura da placa Flex para flexão eficiente e melhor contato.
Os sensores de temperatura digital são tipicamente ligados a microcontroladores por meio de uma interface serial I2C. O Maxim Max30208Clb +, por exemplo, usa uma primeira palavra em primeiro lugar para criar um registro de configuração de sensor de temperatura oferecendo até 32 leituras de temperatura, cada uma compreendendo dois bytes. Isso permite que um microcontrolador a dormir por períodos prolongados para conservar a energia (Figura 2). Os registros mapeados por memória também permitem que os sensores ofereçam altos altos e baixos de temperatura digital limiar.
Um pino de entrada / saída de uso geral pode ser configurado para acionar uma conversão de temperatura e outra configurada para gerar uma interrupção para bits de status selecionáveis.
Calibração de fábrica
Muitos sensores de temperatura digital são calibrados de fábrica, eliminando a necessidade de recalibração uma vez por ano, como é o caso de muitos sensores de temperatura legada. Isso ignora a necessidade de desenvolver software para linearizar a saída, bem como simular e ajustar o circuito. Além disso, elimina a necessidade de vários componentes de precisão e minimiza o risco de incompatibilidades de impedância.
A família de sensores de temperatura AS621X da AMS é calibrada de fábrica e integrou a linearização (Figura 3). Ele também tem oito endereços I2C para monitoramento de temperatura em oito potenciais pontos quentes através de um único barramento. A interface serial e vários endereços I2C tornam a verificação de prototipagem e projeto mais fácil.
Versões precisas de ± 0,2 ° C, ± 0,4 ° C e ± 0,8 ° C estão disponíveis. Para sistemas de monitoramento relacionados à saúde, a precisão dentro de ± 0,2 ° C é suficiente (a AS6212-AWLT-L). Todos os dispositivos AS621x têm resolução de 16 bits para detectar pequenas variações de temperatura sobre a faixa de operação de -40 ° C + 125 ° C.
O AS621x mede 1,5 mm2 e vem em um pacote de escala de chip de nível de bolacha. A tensão de alimentação é de 1,71V com consumo de 6μUs durante a operação e 0,1μA em espera, tornando o AS6212-AWLT-L particularmente adequado para aplicações alimentadas por bateria.
Sensores de temperatura sem contato
Termômetros infravermelhos executam medições de temperatura não de contato da temperatura ambiente e a temperatura de um objeto.
Tais termômetros detectam qualquer energia acima de 0 kelvin (zero absoluto) emitido por um objeto na frente do dispositivo. O detector converte a energia em um sinal elétrico e o passa para um processador para interpretar e exibir os dados após a compensação de variações causadas pela temperatura ambiente.
Um exemplo é o termômetro infravermelho MLX90614ESF-BCH-000-TU de Melexis. Compreende um chip de detector de termópica infravermelha e um chip de condicionamento de sinal integrado em um pacote a 39 (Figura 4). Há também um amplificador de baixo ruído, análogo de 17 bits para conversor digital e processador de sinal digital para precisão e resolução.
Os termômetros infravermelhos são calibrados de fábrica para uma faixa de temperatura de -40 ° C a 85 ° C (ambiente) e -70 ° C a 382,2 ° C para temperatura do objeto. A precisão padrão é de 0,5 ° C à temperatura ambiente.
O sensor é calibrado na fábrica com uma saída SMBus digital e tem uma resolução de 0,02 ° C. Como alternativa, os designers podem configurar a saída digital de modulação de largura de 10 bits (PWM) com uma resolução de 0,14 ° C.
Suporte ao Desenvolvimento
Os sensores MAX30208 são suportados pelo sistema de avaliação MAX30208EVSYS #, que inclui um PCB Flex para manter o sensor de temperatura MAX30208 IC (Figura 5). A placa Microcontrolador MAX32630FTroller e a placa de interface MAX30208 estão conectadas através de cabeçalhos. O hardware de avaliação pode ser conectado a um PC usando o cabo USB fornecido. O sistema irá instalar automaticamente os drivers de dispositivo necessários pronto para o software kit EV para ser baixado.
Para medir a temperatura do corpo em vários locais, CIs temperatura MAX30208 pode ser ligado através de endereços I2C em um arranjo de cadeia margarida a uma única bateria e hospedeiro microcontrolador. Cada sensor de temperatura é monitorado pelo microcontrolador regularmente para criar um perfil de ambos temperatura de corpo inteiro local e.
Os desenvolvedores podem usar a placa Mikroe-1362 Irthermo Click da Mikroelektronika para uso com o sensor infravermelho MLX90614.Isso liga o módulo de termômetro infravermelho de zona única MLX90614ESF-AAA para a placa de microcontrolador através da linha Mikrobus I2C ou linha PWM (Figura 6).
O quadro de 5V é calibrado para -40 ° C a 85 ° C temperatura ambiente e -70 ° C a + 380 ° C faixas de temperatura de objeto.
