Vereinfachung der Sensordesign für medizinische Geräte
Nov 17,2021
Von den vier gemeinsamen Arten von Temperatursensoren - Thermoelemente, Widerstandstemperaturvorrichtungen, Thermistoren und Temperatursensor ICs - Temperatursensor ICs sind eine gute Option für kontaktierbare medizinische und medizinische Designs. Grundsätzlich erfordern sie keine Linearisierung, sie bieten eine gute Lärm-Immunität und sind relativ einfach in tragbare und tragbare Gesundheitsgeräte integriert. Zur berührungslosen Erfassung können Infrarot-Thermometer verwendet werden.
Schlüsselparameter sind Größe, Stromverbrauch und thermische Empfindlichkeit. Das letzte ist wichtig für die klinische Genauigkeit, da die gleichmäßige Übergangsleistung (μW) den Sensor erhitzen kann und ungenaue Messwerte verursachen kann. Eine weitere Überlegung ist der Typ der Schnittstelle (Digital oder Analogon), der zugehörige Komponenten wie den Mikrocontroller bestimmt.
Klinikgenauigkeit
Treffen mit klinischer Genauigkeit, pro ASTM E112 (Standardtestmethoden zur Bestimmung der durchschnittlichen Korngröße), beginnt mit dem entsprechenden Sensor. MAXIM Integrated Max30208 Digitale Temperatursensoren von maximal ± 0,1 ° C Genauigkeit von + 30 ° C bis + 50 ° C und ± 0,15 ° C Genauigkeit von 0 ° C bis 70 ° C. (Maxim Integrated wurde von analogen Geräten im August 2021 erworben.) Die Geräte messen 2x2x0,75 mm und befinden sich in einem dünnen 10-pin-LGA-Paket (Abbildung 1). Die ICs arbeiten von einer Versorgungsspannung von 1,7 V-3,6 V und verbrauchen in Betrieb von weniger als 67 μA in Betrieb und 0,5 μA im Standby-Modus.
Es ist wichtig, dass die eigene Temperatur des Sensors den Messwert eines tragbaren Geräts nicht beeinflusst. Die Wärme des Sensors, die von der Leiterplatte durch das Paket reist, führt zum Sensorstempel und kann die Genauigkeit beeinflussen. In einem Temperatursensor-IC wird diese Wärme durch ein Metall-Thermalkissen an der Unterseite des Gehäuses durchgeführt, was zu einer parasitären Erwärmung führt. Dies kann eine thermische Leitung in und aus anderen Stiften verursachen, wobei Temperaturmessungen stören.
Es gibt eine Reihe von Techniken, um die parasitäre Erwärmung aufzähmen. Es können dünne Spuren verwendet werden, um die Wärmeleitfähigkeit von dem Sensor-IC weg zu minimieren. Designer können die Temperatur an der Oberseite des Pakets messen, so weit wie möglich von den IC-Pins entfernt, anstatt das Thermalkissen zu verwenden. Dies ist der Fall für den digitalen Temperatursensoren MAX30208CLB + und andere digitale Max30208.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, andere elektronische Komponenten so weit vom Erfassungselement wie möglich zu platzieren, um ihre Auswirkungen auf die Temperaturmessung zu minimieren.
Überlegungen der thermischen Gestaltung.
Um eine thermische Isolierung von Wärmequellen in tragbaren Geräten sicherzustellen, muss zwischen dem Temperaturerfassungselement und der Haut des Benutzers ein guter Wärmepfad vorhanden sein. Der Standort unter dem Paket macht es herausfordernd, dass die Leiterplatte Metallspuren von der Kontaktstelle mit dem Körper weiterleiten.
Das System sollte so ausgelegt sein, dass der Sensor so nahe wie möglich an der zu messenden Zieltemperatur ist. Die Verwendung von Max30208-Sensoren, tragbaren Designs und medizinischen Patches können flexibrige oder semi-starre PCB verwenden. Die digitalen Temperatursensoren MAX30208 können mit einem flachen flexiblen Kabel oder einem Flachdruckkabel direkt an einen Mikrocontroller angeschlossen werden.
Es ist wichtig, den Temperatursensor-IC auf der Flex-Seite der PCB zu platzieren, wodurch der Wärmewiderstand zwischen der Hautoberfläche und dem Sensor verringert wird. Designer sollten auch die Dicke des Flex-Boards minimieren, um effizientes Biegen und besserer Kontakt zu erhalten.
Digitale Temperatursensoren werden in der Regel Mikrocontroller über eine I2C serielle Schnittstelle verbunden. Maxim MAX30208CLB + zum Beispiel verwendet ein 32-Wort-FIFO ist ein Temperatursensor-Setup-Register zu 32 Temperaturmesswerte von bis zu schaffen, die jeweils aus zwei Bytes. Dies ermöglicht einen Mikrocontroller einzuschlafen für längere Zeiträume zu konservieren Leistung (Abbildung 2). Die Memory-Mapped Register erlauben auch Sensoren bieten hohen und niedrigen Schwellen digitalen Temperaturalarm.
Ein Mehrzweck-Eingang / Ausgangsstift kann so konfiguriert werden, um eine Temperaturumwandlung zu triggern und einem weiteren konfiguriert ist, einen Interrupt für auswählbare Statusbits zu erzeugen.
Werkskalibrierung
Viele digitalen Temperatursensoren sind ab Werk kalibriert, einmal im Jahr die Notwendigkeit zur Rekalibrierung beseitigen, wie es der Fall für viele Legacy-Temperatursensoren. Dies umgeht die Notwendigkeit, Software zu entwickeln, um die Schaltung den Ausgang zu linearisieren, sowie Simulieren und Feinabstimmung. Außerdem beseitigt es die Notwendigkeit für mehrere Präzisionskomponenten und minimiert das Risiko von Impedanzunstimmigkeiten.
Die AS621x Familie von Temperatursensoren von AMS ist Werk kalibriert und integriert Arisierung (Abbildung 3). Es hat auch acht I2C-Adressen zur Temperaturüberwachung an acht potenziellen Hot Spots über einen einzigen Bus. Die serielle Schnittstelle und mehrere I2C-Adressen machen Prototyping und Prüfung zu erleichtern.
Versionen Genauigkeit von ± 0,2 ° C, ± 0,4 ° C und ± 0,8 ° C zur Verfügung. Für gesundheitsbezogenen Überwachungssysteme, die Genauigkeit im Bereich von ± 0,2 ° C ausreichend ist (der AS6212-AWLT-L). Alle AS621x Geräte verfügen über 16-Bit-Auflösung bis + 125 ° C Betriebstemperaturbereich kleine Temperaturschwankungen über die -40 ° C zu erfassen.
Die AS621x misst 1.5mm2 und kommt in einer Wafer-Level-Chip-Scale-Package. Die Versorgungsspannung ist mit 1.71V 6μA Verbrauch während des Betriebes und im Stand-by 0.1μA, so dass der AS6212-AWLT-L besonders für batteriebetriebene Anwendungen.
Berührungslose Temperatursensoren
Infrarot-Thermometer führen berührungslosen Temperaturmessung der Umgebungstemperatur und die Temperatur eines Objekts.
Solche Thermometer erfassen durch ein Objekt vor der Vorrichtung emittiert keine Energie über 0 Kelvin (absolute Null). Der Detektor wandelt die Energie in ein elektrisches Signal und übergibt sie an einen Prozessor durch die Umgebungstemperatur verursachten Schwankungen nach Kompensation der Daten zu interpretieren und anzuzeigen.
Ein Beispiel ist das MLX90614ESF-BCH-000-TU Infrarot-Thermometer von Melexis. Er umfasst einen Infrarot-Thermosäule-Detektor-Chip und einen Signalkonditionierungschip integrierte in ein TO-39-Paket (Figur 4). Es gibt auch einen rauscharmen Verstärker, 17-Bit-Analog-Digital-Wandler und Digital-Signalprozessor für die Genauigkeit und Auflösung.
Die Infrarot-Thermometer sind Fabrik für einen Temperaturbereich von kalibrierten -40 ° C bis 85 ° C (Umgebungstemperatur) und -70 ° C bis 382,2 ° C Objekttemperatur. Standardgenauigkeit liegt bei 0,5 ° C bei Raumtemperatur.
Der Sensor wird im Werk mit einem digitalen Ausgang SMBus kalibriert und hat eine Auflösung von 0,02 ° C. Alternativ können die Designer die Puls 10bit konfigurieren Breitenmodulation (PWM) digitalen Ausgang mit einer Auflösung von 0,14 ° C.
Entwicklungsunterstützung
Die MAX30208 Sensoren werden durch das MAX30208EVSYS # Auswertungssystem unterstützt, das eine Flex-Leiterplatte beinhaltet den MAX30208 Temperatursensor IC (5) zu halten. Der Mikrocontroller MAX32630FTHR Platine und die Schnittstellenplatine MAX30208 werden über Verteiler angeschlossen ist. Die Auswertung Hardware kann an einen PC angeschlossen werden, um die mitgelieferte USB-Kabel. Das System wird dann automatisch die notwendigen Gerätetreiber bereit für die EV-Kit-Software installieren zu heruntergeladen werden.
Zum Messen der Körpertemperatur an mehreren Orten können ICs MAX30208 Temperatur zu einem einzigen Batterie und Host-Mikrocontroller über I2C-Adressen in einer Daisy-Chain-Anordnung verbunden werden. Jeder Temperatursensor wird vom Mikrocontroller abgefragt regelmäßig ein Profil von lokaler und Ganzkörpertemperatur zu schaffen.
Entwickler können den MIKROE-1362 IRTHERMO CLICK BOARD von MIKROELEKTRONIKA zur Verwendung mit dem Infrarotsensor MLX90614 verwenden.Dadurch verknüpft das Infrarot-Thermometer-Modul MLX90614ESF-AAA mit der Mikrocontroller-Platine entweder über die Mikrobus-I2C-Linie oder die PWM-Linie (Abbildung 6).
Die 5V-Platine ist für -40 ° C bis 85 ° C Umgebungstemperatur und -70 ° C bis + 380 ° C Objekttemperaturbereiche kalibriert.
