Celá problematika přesného měření teploty se komplikuje tím, že některé aplikace obsahují více než jeden teplotní senzor a jen jednu komunikační sběrnici. V článku si uvedeme standardy pro přesné měření teploty v mobilních a bateriově napájených aplikacích pro monitorování zdraví. Poté si představíme nízkoenergetický přesný digitální snímač teploty od ams OSRAM, který nevyžaduje kalibraci.

Standardy pro přesné měření teploty

Povinností výrobce je zaručit vysokou přesnost u aplikací pro monitorování zdraví. Proto musí výrobce používat kalibrační nástroje, které odpovídají standardům NIST (National Institute of Standards and Technology). Nejistoty měření jsou v každém článku řetězce identifikovány a zdokumentovány, aby mohly být řešeny v systému pro zajištění kvality.

Primárním standardem pro zkušební a kalibrační laboratoře je ISO/IEC 17025 „Všeobecné požadavky na způsobilost zkušebních a kalibračních laboratoří“. ISO/IEC 17025 je založena na technických principech zaměřených na kalibrační a zkušební laboratoře a používá se pro jejich akreditaci a poskytuje základ pro vypracování plánů neustálého zlepšování.

Digitální teplotní senzor s testováním ve výrobě podle NIST

Abychom splnili mnoho požadavků na design a certifikaci, můžeme se obrátit na digitální teplotní snímač AS6211 od ams OSRAM. Tento senzor poskytuje přesnost až ±0,09 °C a nevyžaduje žádnou kalibraci ani linearizaci. Senzor AS6211 je určen pro zdravotnická zařízení, nositelná zařízení a další aplikace, které vyžadují vysoce přesné měření teploty. Senzor je proto kalibrován laboratoří akreditovanou dle ISO/IEC-17025. Kalibrované testování ve výrobě urychluje proces získání certifikace podle standardu EN 12470-3, který je vyžadován pro lékařské teploměry v Evropské unii. 

AS6211 je kompletní digitální teplotní senzor v šesti pinovém pouzdru WLCSP (Wafer Level Chip Scale Package) o velikosti 1,5 x 1,0 mm. Například typ AS6221-AWLT-S je dodáván v množství 500 kusů na pásce či kotouči. AS6211 obsahuje rozhraní I²C a podporuje osm adres, a proto je vhodný v konstrukcích s více senzory.

Vysoká přesnost a velmi nízká spotřeba energie

AS6221 poskytuje vysokou přesnost s nízkou spotřebou energie v celém svém napájecím rozsahu od 1,71 do 3,6 V DC. Tato vlastnost je zvlášť důležitá v aplikacích napájených jedním bateriovým článkem. AS6221 obsahuje citlivý a přesný křemíkový snímač teploty, analogově-digitální převodník a digitální signálový procesor s přidruženými registry a řídicí logikou. Integrovaná funkce alarmu vyšle přerušení při překročení určité hodnoty teploty, která je nastavena příslušným registrem. Spotřeba AS6221 dosahuje 6 µA při provádění čtyř měření za sekundu. V pohotovostním režimu je spotřeba energie pouze 0,1 µA. Použitím integrované funkce alarmu pro probuzení aplikačního procesoru pouze při dosažení prahové teploty lze snížit spotřebu energie systému ještě více.

Jak senzor AS6211 integrovat do nositelných zařízení

V nositelných aplikacích platí, že čím lepší je tepelné spojení mezi senzorem a pokožkou, tím přesnější je měření teploty. Projektanti mají několik možností, jak tepelné spojení realizovat. Jedním ze způsobů je umístění tepelně vodivé plochy mezi kůži a snímač (obrázek 1).

Aby bylo dosaženo spolehlivých výsledků, musí být vodivá plocha izolována od všech externích zdrojů tepelné energie, jako je pouzdro zařízení. Navíc by měla být použita tepelně vodivá pasta nebo lepidlo mezi vodivou dotykovou plochou a AS6211. Proto je AS6211 vybaven flexibilní PCB připojením, které umožňuje větší svobodu při umístění senzoru.

Obrázek 1: Ohebnou desku plošných spojů a tepelné lepidlo zajišťuje cestu s nízkou tepelnou impedancí mezi pokožkou a snímačem. (Zdroj obrázku: ams OSRAM)

V konstrukcích, kde je senzor na hlavní desce plošných spojů, lze tepelné spojení provést pomocí kontaktní pružiny nebo tepelné podložky. Pokud je senzor namontován na spodní straně desky, lze k vytvoření tepelného spojení mezi kontaktní plochou a tepelnými průchody na desce použít kontaktní pružinu (obrázek 2). Toto řešení umožňuje dosáhnout delší vzdálenosti mezi senzorem a kůží, ale vyžaduje přesné umístění několika tepelných průchodů k dosažení vysoké úrovně citlivosti.

Obrázek 2: Když je snímač umístěn na spodní straně desky, lze pro připojení ke kontaktní ploše použít tepelné průchody a kontaktní pružinu. (Zdroj obrázku: ams OSRAM)

Třetí možností je použití tepelné podložky pro připojení kontaktní plochy k senzoru namontovaného na horní straně desky (obrázek 3). Ve srovnání s pružinovým kontaktem nebo flex PCB, toto řešení vyžaduje podložku s vysokou tepelnou vodivostí a pečlivým mechanickým designem, aby byla zajištěna minimální tepelná impedance mezi kontaktní plochou a senzorem. Toto řešení vede k jednodušší montáži při zachování vysoké úrovně přesnosti.

Obrázek 3: Tepelná podložka připojuje nahoře namontovaný senzor ke kontaktní ploše. To umožňuje jednodušší montáž při zachování vysoké přesnosti. (Zdroj obrázku: ams OSRAM)

Dosažení rychlé doby odezvy

Pro dosažení rychlé tepelné odezvy je důležité minimalizovat vnější vlivy na měření. Zejména se to týká částí desky plošných spojů, které sousedí se senzorem. Proto je vhodné do návrhu zahrnout výřez jakýchkoli měděných ploch v blízkosti senzoru na horní straně desky (obrázek 4, nahoře) a ke snížení tepelného zatížení ze spodní strany desky výřez pod senzorem (Obrázek 4, dole).

Obrázek 4: Výřezy na horní a spodní straně desky minimalizují hmotnost desky kolem senzoru a pomáhají zkrátit dobu odezvy. (Zdroj obrázku: ams OSRAM)

Existuje několik dalších možností, které pomáhají zlepšit rychlost a výkon měření:

• Kontaktní plocha s pokožkou by měla být co největší. Tím se zvýší množství tepla pro senzor.
• Použití tenkých měděných cest a velikosti napájecích a zemnících ploch by měla být co nejmenší.
• Návrh tepelné izolace senzoru na desce od okolních komponent a vnějšího prostředí.

Snímání teploty prostředí

V případě zařízení s více senzory, kde je vyžadováno měření teploty pokožky i okolí, je nutné, aby pro každé měření byl použit samostatný senzor. Tepelný design zařízení by měl být navrhnut tak, aby tepelná impedance mezi dvěma senzory byla co největší (obrázek 5). Vyšší tepelná impedance poskytuje lepší izolaci mezi senzory a zajišťuje, že se měření nebudou vzájemně ovlivňovat. Vnější konstrukce zařízení by mělo být vyrobeno z materiálů, které mají nízkou tepelnou vodivost, a mezi dvě sekce senzorů by měla být vložena tepelně izolační bariéra.

Obrázek 5: Pro přesné snímání teploty prostředí by měl být mezi senzory teploty pokožky a okolního prostředí velký tepelný odpor. (Zdroj obrázku: ams OSRAM)

Vývojová sada pro senzor AS6221

Pro urychlení vývoje aplikací nabízí ams OSRAM vývojovou sadu AS62xx Eval Kit, který lze použít k rychlému nastavení digitálního teplotního senzoru AS6221. Tato sada se připojuje přímo k externímu mikrokontroleru, který tak získá přístup k měření teploty.

Obrázek 6: Sadu AS62xx eval kit lze použít k nastavení a vyhodnocení vlastností AS6221. (Zdroj obrázku: ams OSRAM)

Demo sada pro AS6221

Ams OSRAM kromě vývojové sady nabízí také demo sada AS6221 jako platformu pro vývoj aplikací. Demo sada obsahuje AS6221 v podobě knoflíku a vestavěnou knoflíkovou baterii CR2023. Doprovodná aplikace z App Store nebo Google Play Store umožňuje připojení až ke třem senzorovým knoflíkům najednou (obrázek 7). Aplikace komunikuje s knoflíkovými senzory přes Bluetooth, a pomocí ní lze upravovat nastavení senzoru jako je například frekvence měření, a sledovat jejich dopad na spotřebu energie. Aplikace ukládá různé sekvence měření, a tím lze srovnat výkon a spotřebu v různých konfiguracích teplotního senzoru.

Obrázek 7: Demo sada AS6221 slouží jako platforma pro vývoj aplikací s teplotním senzorem AS6221. (Zdroj obrázku: ams OSRAM)

Závěr

Návrh vysoce přesných systémů snímání teploty pro zdravotnictví, fitness a další nositelná zařízení je složitý proces s ohledem na testování a certifikaci. Pro zjednodušení procesu, snížení nákladů a rychlejšího uvedení na trh lze využít integrované senzory s velmi nízkou spotřebou a vysokou přesností. Senzor AS6221 je jedním z nich a jeho výhodou je to, že nevyžaduje kalibraci ani linearizaci. Výrobní testovací proces je kalibrován podle norem NIST v akreditované laboratoři ISO/IEC-17025, a to urychluje proces schvalování zdravotnických zařízení.

Doporučené informace

1. Prodlužte životnost baterie u nositelných zařízení pomocí efektivního měření času během nečinnosti
2. Použijte nastavitelné LDO k prodloužení životnosti baterie v nositelných designech
3. Zvyšte přesnost sledování fitness parametrů pomocí vysoce přesných tlakových senzorů

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Jeff Shepard.