의료 장비의 센서 디자인을 단순화합니다
Nov 17,2021
온도 센서의 4 가지 일반적인 유형의 온도 센서 - 저항 온도 장치, 서미스터 및 온도 센서 IC - 온도 센서 IC는 연락처 기반 의료 및 의료 디자인을위한 좋은 옵션입니다. 주로, 그들은 선형화가 필요하지 않으며, 좋은 소음 면역을 제공하며 휴대용 및 착용 가능한 의료 장치에 상대적으로 쉽게 통합되어 있습니다. 비접촉식 감지의 경우 적외선 온도계를 사용할 수 있습니다.
주요 매개 변수는 크기, 전력 소비 및 열 감도입니다. 일시적인 전력 (μW)조차도 센서를 가열하고 부정확 한 독서를 일으킬 수 있기 때문에 마지막은 임상 급 정확도에 중요합니다. 또 다른 고려 사항은 마이크로 컨트롤러와 같은 관련 구성 요소를 결정할 인터페이스 (디지털 또는 아날로그)의 유형입니다.
임상 등급의 정확도
ASTM E112 (평균 곡물 크기를 결정하기위한 표준 테스트 방법) 당 임상 등급 정확도를 충족 시키면 적절한 센서로 시작됩니다. Maxim Integrated의 MAX30208 디지털 온도 센서 (예를 들어, ± 0.1 ° C 정확도 + 30 ° C ~ + 50 ° C 및 ± 0.15 ° C 정확도 0 ° C ~ 70 ° C의 정확도가 있습니다. (Maxim 통합은 8 월 2021 일 아날로그 디바이스가 취득했습니다.) 2x2x0.75mm를 측정하고 얇은 10 핀 LGA 패키지에 있습니다 (그림 1). ICS는 1.7V-3.6V의 전원 전압에서 작동하고 67μA 미만의 작동 및 대기 중 0.5μA 미만을 소비합니다.
센서의 자체 온도가 착용 식 장치의 측정 값을 측정하지 않는 것이 중요합니다. 패키지를 통해 PCB에서 이동하는 센서 IC의 열은 센서 다이로 연결되며 정확도에 영향을 줄 수 있습니다. 온도 센서 IC 에서이 열은 패키지의 밑면에서 금속 열 패드를 통해 수행되어 기생 가열을 초래합니다. 이로 인해 온도 측정을 방해하는 다른 핀에서 열 전도가 발생할 수 있습니다.
기생 가열 카운터를 카운터링하는 데는 여러 가지 기술이 있습니다. 얇은 흔적은 센서 IC에서 열 전도성을 최소화하는 데 사용할 수 있습니다. 디자이너는 열 패드를 사용하는 대신 IC 핀에서 가능한 한 멀리 패키지 상단의 온도를 측정 할 수 있습니다. 이것은 MAX30208CLB + 및 기타 MAX30208 디지털 온도 센서의 경우이다.
또 다른 옵션은 온도 측정에 미치는 영향을 최소화하기 위해 가능한 한 감지 요소에서 멀리 떨어진 다른 전자 부품을 배치하는 것입니다.
열 디자인 고려 사항
웨어러블 장치의 열원으로부터 열 분리를 보장하기 위해 온도 감지 요소와 사용자의 피부 사이에는 좋은 열 경로가 있어야합니다. 패키지 아래의 위치는 PCB가 신체와의 접촉 지점에서 금속 트랙을 라우팅하는 데 어려움을 겪습니다.
시스템은 측정 될 목표 온도에 가능한 한 센서가 가능한 한 가깝게 설계되어야합니다. MAX30208 센서를 사용하여 웨어러블 디자인 및 의료 패치는 Flex 또는 Semi-Rigid PCB를 사용할 수 있습니다. MAX30208 디지털 온도 센서는 평평한 플렉시블 케이블 또는 평면 프린터 케이블을 사용하여 마이크로 컨트롤러에 직접 연결할 수 있습니다.
온도 센서 IC를 PCB의 플렉스 측면에 두는 것이 필수적이며 피부와 센서의 표면과 센서 사이의 열 저항을 감소시킵니다. 디자이너는 또한 효율적인 굴곡 및 더 나은 접촉을 위해 플렉스 보드의 두께를 최소화해야합니다.
디지털 온도 센서는 일반적으로 I2C 직렬 인터페이스를 통해 마이크로 컨트롤러와 연결됩니다. 예를 들어 Maxim의 MAX30208CLB +는 먼저 32 단어를 먼저 사용하여 각각 2 바이트를 구성하는 온도 센서 설정 레지스터를 만듭니다. 이를 통해 마이크로 컨트롤러가 장시간 전력을 절약하기 위해 잠자기 수 있습니다 (그림 2). 메모리 매핑 레지스터는 또한 센서가 높은 임계 값 디지털 온도 경보를 제공 할 수있게합니다.
범용 입력 / 출력 핀은 온도 변환을 트리거하고 선택 가능한 상태 비트에 대한 인터럽트를 생성하도록 구성되도록 구성 될 수 있습니다.
공장 교정
많은 디지털 온도 센서가 공장적으로 교정되어 많은 레거시 온도 센서의 경우와 같이 일년에 한 번 균형을 이루는 필요성을 제거합니다. 이렇게하면 출력을 선형화하고 회로를 시뮬레이션하고 미세 조정할 수있는 소프트웨어를 개발할 필요성을 우회합니다. 또한 여러 개의 정밀 부품의 필요성을 없애고 임피던스 불일치의 위험을 최소화합니다.
AMS의 AS621x 온도 센서 제품군은 공장 보정이며 선형화를 통합했습니다 (그림 3). 또한 단일 버스를 통해 8 개의 잠재적 인 핫 스폿에서 온도 모니터링을위한 8 개의 I2C 주소가 있습니다. 직렬 인터페이스와 여러 I2C 주소는 프로토 타이핑 및 설계 검증을보다 쉽게 만듭니다.
± 0.2 ° C, ± 0.4 ° C 및 ± 0.8 ° C까지 정확한 버전을 사용할 수 있습니다. 건강 관련 모니터링 시스템의 경우 ± 0.2 ° C 이내의 정확도가 충분합니다 (AS6212-AWLT-L). 모든 AS621X 장치에는 -40 ° C ~ + 125 ° C 작동 범위에서 온도가 작은 변화를 탐지하는 16 비트 해상도가 있습니다.
AS621X는 1.5mm2를 측정하고 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지로 제공됩니다. 공급 전압은 작동 중 6μA 소비량이 1.71V이며 대기 중 0.1μA는 AS6212-AWLT-L을 특히 배터리 전원 공급 어플리케이션에 적합하게 만듭니다.
비접촉 온도 센서
적외선 온도계는 주변 온도와 물체의 온도의 비접촉 온도 측정을 수행합니다.
이러한 온도계는 장치 앞에있는 물체가 방출 된 0 켈빈 (절대로 0) 이상의 에너지를 감지합니다. 탐지기는 에너지를 전기 신호로 변환하고 주변 온도로 인한 변형을 보완 한 후 데이터를 해석하고 표시하기 위해 프로세서로 전달합니다.
예는 MELEXIS에서 MLX90614ESF-BCH-000-TU 적외선 온도계입니다. 그것은 적외선 열 검출기 칩과 A-39 패키지에 통합 된 신호 컨디셔닝 칩을 포함합니다 (그림 4). 정확성 및 해상도를위한 디지털 변환기 및 디지털 신호 프로세서에 대한 저잡음 증폭기, 17 비트 아날로그도 있습니다.
적외선 온도계는 대상 온도의 경우 -40 ° C ~ 85 ° C (주변) 및 -70 ° C ~ 382.2 ° C의 온도 범위에서 공장에서 보정됩니다. 표준 정확도는 실온에서 0.5 ° C입니다.
센서는 디지털 SMBus 출력으로 공장에서 보정되어 0.02 ° C의 해상도를 갖습니다. 또는 설계자는 0.14 ° C의 해상도로 10 비트 펄스 폭 변조 (PWM) 디지털 출력을 구성 할 수 있습니다.
개발 지원
MAX30208 센서는 MAX30208EVSYS # 평가 시스템에 의해 지원되며, 이는 MAX30208 온도 센서 IC를 유지하는 FLEX PCB를 포함한다 (그림 5). MAX32630FTR 마이크로 컨트롤러 보드 및 MAX30208 인터페이스 보드는 헤더를 통해 연결된다. 평가 하드웨어는 제공된 USB 케이블을 사용하여 PC에 연결할 수 있습니다. 자동 EV 킷 소프트웨어에 필요한 장치 드라이버가 준비 설치할 시스템을 다운로드 할 수 있습니다.
여러 위치에서의 체온을 측정하기위한, 온도 MAX30208 IC는 단일 전지와 호스트 마이크로 컨트롤러를 데이지 체인 배열로 I2C 주소를 통해 접속 될 수있다. 각 온도 센서 정기적 국부 및 전신의 온도 프로파일을 생성하기 위해 마이크로 컨트롤러에 의해 폴링된다.
개발자는 MIKROEE-1362 IRTHERMO 클릭 보드를 MK90614 적외선 센서와 함께 사용하도록 MIKROELEKTRONIKA에서 사용할 수 있습니다.이는 MIKROBUS I2C 라인 또는 PWM 라인을 통해 MLX90614ESF-AAA 단일 영역 적외선 온도계 모듈을 마이크로 컨트롤러 보드에 연결합니다 (그림 6).
5V 보드는 -40 ° C ~ 85 ° C 주변 온도 및 -70 ° C ~ + 380 ° C 대상 온도 범위에서 보정됩니다.
