Menyederhanakan desain sensor untuk peralatan medis
Nov 17,2021
Dari empat jenis umum sensor suhu - termokopel, perangkat suhu resistensi, termistor dan sensor suhu ICS - sensor suhu IC adalah pilihan yang baik untuk desain medis dan perawatan kesehatan berbasis kontak. Pada prinsipnya, mereka tidak memerlukan linearisasi, mereka menawarkan kekebalan suara yang baik dan relatif mudah diintegrasikan ke dalam perangkat perawatan kesehatan portabel dan dapat dipakai. Untuk penginderaan tanpa kontak, termometer inframerah dapat digunakan.
Parameter utama adalah ukuran, konsumsi daya dan sensitivitas termal. Yang terakhir penting untuk akurasi kelas klinis karena bahkan daya sementara (μW) dapat memanaskan sensor dan menyebabkan pembacaan yang tidak akurat. Pertimbangan lain adalah jenis antarmuka (digital atau analog), yang akan menentukan komponen terkait, seperti mikrokontroler.
Akurasi kelas klinis
Memenuhi akurasi kelas klinis, per ASTM E112 (metode uji standar untuk menentukan ukuran butir rata-rata), dimulai dengan sensor yang sesuai. MAXIM Integrated's MAX30208 sensor suhu digital, misalnya, fitur ± 0,1 ° C akurasi dari + 30 ° C hingga + 50 ° C dan ± 0,15 ° C akurasi dari 0 ° C hingga 70 ° C. (Maxim terintegrasi diakuisisi oleh perangkat analog pada Agustus 2021.) Perangkat mengukur 2x2x0.75mm dan dalam paket LGA 10pin tipis (Gambar 1). ICS beroperasi dari tegangan suplai 1.7V-3.6V dan mengkonsumsi kurang dari 67μA dalam operasi dan 0,5μA dalam keadaan siaga.
Penting bahwa suhu sensor sendiri tidak mempengaruhi pembacaan pengukuran perangkat yang dapat dipakai. Panas sensor IC, yang bergerak dari PCB melalui paket, mengarah pada sensor mati dan dapat memengaruhi akurasi. Dalam sensor suhu IC, panas ini dilakukan melalui pad termal logam pada bagian bawah paket, menghasilkan pemanasan parasit. Ini dapat menyebabkan konduksi termal masuk dan keluar dari pin lain, mengganggu pengukuran suhu.
Ada sejumlah teknik untuk melawan pemanasan parasit. Jejak tipis dapat digunakan untuk meminimalkan konduktivitas termal dari sensor IC. Desainer dapat mengukur suhu di bagian atas paket, sejauh mungkin dari pin IC, daripada menggunakan pad termal. Ini adalah kasus untuk MAX30208CLB + dan sensor suhu digital MAX30208 lainnya.
Pilihan lain adalah menempatkan komponen elektronik lain sejauh dari elemen sensing mungkin untuk meminimalkan dampaknya pada pengukuran suhu.
Pertimbangan desain termal
Untuk memastikan isolasi termal dari sumber panas di perangkat yang dapat dipakai, harus ada jalur termal yang baik antara elemen penginderaan suhu dan kulit pengguna. Lokasi di bawah paket membuatnya menantang untuk PCB untuk merutekan trek logam dari titik kontak dengan tubuh.
Sistem harus dirancang agar sensor sedekat mungkin dengan suhu target yang akan diukur. Menggunakan sensor MAX30208, desain yang dapat dipakai dan tambalan medis dapat menggunakan PCB fleksibel atau semi-kaku. Sensor suhu digital MAX30208 dapat terhubung langsung ke mikrokontroler menggunakan kabel fleksibel datar atau kabel printer datar.
Sangat penting untuk menempatkan sensor suhu IC pada sisi flex PCB, yang mengurangi resistansi termal antara permukaan kulit dan sensor. Desainer juga harus meminimalkan ketebalan papan flex untuk penampilan yang efisien dan kontak yang lebih baik.
sensor suhu digital biasanya terkait dengan mikrokontroler melalui antarmuka serial I2C. Maxim MAX30208CLB +, misalnya, menggunakan 32-kata pertama keluar pertama yang membuat sensor suhu pengaturan mendaftar menawarkan hingga 32 pembacaan suhu, masing-masing terdiri dari dua byte. Hal ini memungkinkan mikrokontroler untuk tidur untuk waktu yang diperpanjang kekuasaan melestarikan (Gambar 2). Register memori-dipetakan juga memungkinkan sensor tawaran tinggi dan ambang batas rendah alarm suhu digital.
Sebuah tujuan umum input / output pin dapat dikonfigurasi untuk memicu konversi suhu dan lain dikonfigurasi untuk menghasilkan interrupt untuk dipilih Status bit.
kalibrasi pabrik
Banyak sensor suhu digital adalah pabrik-dikalibrasi, menghilangkan kebutuhan untuk kalibrasi ulang setahun sekali, seperti halnya bagi banyak sensor suhu warisan. Ini melewati kebutuhan untuk mengembangkan perangkat lunak untuk linearise output, serta simulasi dan menyempurnakan sirkuit. Selain itu, menghilangkan kebutuhan untuk beberapa komponen presisi dan meminimalkan risiko ketidaksesuaian impedansi.
The AS621x keluarga sensor suhu dari ams adalah pabrik dikalibrasi dan memiliki linearisasi terintegrasi (Gambar 3). Ia juga memiliki delapan alamat I2C untuk pemantauan suhu di delapan titik panas potensial melalui bus tunggal. Interface serial dan beberapa alamat I2C membuat prototipe dan desain verifikasi lebih mudah.
Versi akurat untuk ± 0,2 ° C, ± 0,4 ° C dan ± 0,8 ° C yang tersedia. Untuk sistem pemantauan yang berhubungan dengan kesehatan, akurasi dalam ± 0,2 ° C cukup (yang AS6212-AWLT-L). Semua perangkat AS621x memiliki resolusi 16bit untuk mendeteksi variasi kecil dalam suhu di atas -40 ° C hingga + 125 ° C rentang operasi.
The AS621x mengukur 1.5mm2 dan datang dalam paket skala chip yang tingkat wafer. tegangan suplai 1.71V dengan konsumsi 6μA selama operasi dan 0.1μA di standby, membuat AS6212-AWLT-L sangat cocok untuk aplikasi bertenaga baterai.
sensor suhu Contactless
termometer inframerah melakukan pengukuran suhu non-kontak dari suhu lingkungan dan suhu suatu benda.
termometer seperti mendeteksi energi apapun di atas 0 Kelvin (nol mutlak) yang dipancarkan oleh suatu benda di depan perangkat. Detektor mengubah energi menjadi sinyal listrik dan lolos ke prosesor untuk menafsirkan dan menampilkan data setelah kompensasi untuk variasi yang disebabkan oleh suhu lingkungan.
Contohnya adalah MLX90614ESF-BCH-000-TU termometer inframerah dari Melexis. Ini terdiri dari thermopile detektor chip yang inframerah dan chip pengkondisian sinyal diintegrasikan ke dalam TO-39 paket (Gambar 4). Ada juga amplifier kebisingan yang rendah, 17-bit analog ke digital dan prosesor sinyal digital untuk akurasi dan resolusi.
Termometer inframerah adalah pabrik dikalibrasi untuk berbagai suhu -40 ° C hingga 85 ° C (ambient) dan -70 ° C untuk 382,2 ° C untuk suhu objek. akurasi standar 0,5 ° C pada suhu kamar.
Sensor ini pabrik dikalibrasi dengan output SMBus digital dan memiliki resolusi 0,02 ° C. Atau, desainer dapat mengkonfigurasi 10bit modulasi lebar pulsa (PWM) keluaran digital dengan resolusi 0,14 ° C.
dukungan pengembangan
Sensor MAX30208 didukung oleh MAX30208EVSYS sistem # evaluasi, yang mencakup PCB fleksibel untuk menahan suhu MAX30208 sensor IC (Gambar 5). Dewan MAX32630FTHR mikrokontroler dan papan antarmuka MAX30208 terhubung melalui header. Hardware evaluasi dapat dihubungkan ke PC menggunakan kabel USB yang tersedia. Sistem kemudian secara otomatis akan menginstal driver perangkat yang diperlukan siap untuk perangkat lunak EV kit untuk di-download.
Untuk mengukur suhu tubuh di beberapa lokasi, IC suhu MAX30208 dapat dihubungkan melalui alamat I2C dalam susunan daisy-chain untuk baterai dan tuan rumah mikrokontroler tunggal. Setiap sensor suhu yang disurvei oleh mikrokontroler secara teratur untuk membuat profil dari kedua suhu lokal dan seluruh tubuh.
Pengembang dapat menggunakan papan klik mikroe-1362 irthermo dari mikroelektronika untuk digunakan dengan sensor inframerah MLX90614.Ini menautkan modul termometer inframerah zona tunggal MLX90614ESF-AAA ke papan mikrokontroler melalui jalur mikrobus i2c atau garis PWM (Gambar 6).
Papan 5V dikalibrasi untuk -40 ° C hingga 85 ° C suhu sekitar dan -70 ° C hingga + 380 ° C rentang suhu objek.
