Korzystanie z cyfrowych czujników temperatury o wysokiej dokładności w urządzeniach ubieralnych monitorujących stan zdrowia

Dokładne cyfrowe pomiary temperatury są ważne w wielu zastosowaniach, na przykład w urządzeniach ubieralnych, medycznych urządzeniach monitorujących, monitorach zdrowia i kondycji, monitorowaniu łańcucha chłodniczego i warunków środowiskowych oraz w przemysłowych systemach obliczeniowych. Chociaż implementacja bardzo dokładnych cyfrowych pomiarów temperatury jest powszechna, często wiąże się z kalibracją lub linearyzacją czujników temperatury, a także wyższym poborem mocy, co może stanowić problem w przypadku kompaktowych rozwiązań ultraniskiej mocy z wieloma trybami akwizycji. Wyzwania projektowe mogą szybko się nawarstwiać, powodując przekroczenia kosztów i opóźnienia w harmonogramach.

Sprawę komplikuje fakt, że niektóre zastosowania wymagają wielu czujników temperatury korzystających z jednej magistrali komunikacyjnej. Ponadto niektóre konfiguracje do badań produkcyjnych wymagają kalibracji zgodnie z normami amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST), podczas gdy sprzęt do weryfikacji musi być kalibrowany przez laboratorium akredytowane zgodnie z normą ISO/IEC-17025. Nagle to, co wydawało się proste, z jednej strony przytłacza, a z drugiej zwiększa koszty.

W niniejszym artykule krótko opisano wymagania dotyczące bardzo dokładnych pomiarów temperatury w mobilnych i zasilanych bateryjnie rozwiązaniach do monitorowania stanu zdrowia. Następnie przedstawiono układ scalony cyfrowego czujnika temperatury niskiej mocy o wysokiej dokładności firmy ams OSRAM, który nie wymaga kalibracji ani linearyzacji. Na koniec podano zalecenia dotyczące integracji, omówiono płytkę ewaluacyjną i zestaw demonstracyjny z obsługą Bluetooth z towarzyszącą aplikacją, która umożliwia modyfikowanie ustawień czujnika i obserwację wpływu na pobór mocy.

Wymagania dotyczące bardzo dokładnego monitorowania temperatury

W rozwiązaniach do monitorowania stanu zdrowia dokładność jest kluczowa. W poszczególnych elementach cyfrowych czujników temperatury można zauważyć różnice w parametrach działania, które należy zniwelować. Ponieważ kalibracja wewnętrzna jest kosztowna, a stosowanie nieskalibrowanych czujników zwiększa koszt uzyskania pożądanej dokładności, projektanci powinni rozważyć zastosowanie czujników w pełni skalibrowanych i zlinearyzowanych. Ważne jednak, aby mieć pewność, że producent czujnika używa przyrządów kalibracyjnych zgodnych ze standardami NIST. Korzystanie z przyrządów, których proces kalibracji można prześledzić, zapewnia ciągły łańcuch prowadzący do podstawowych norm NIST, ze zidentyfikowanymi i udokumentowanymi niepewnościami w każdym ogniwie łańcucha, aby można je było rozwiązać w systemie zapewnienia jakości producenta urządzenia.

Podstawową normą dla laboratoriów badawczych i kalibracyjnych jest norma ISO/IEC 17025 „Ogólne wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów badawczych i kalibracyjnych”. Norma ISO/IEC 17025 opiera się na zasadach technicznych skoncentrowanych w szczególności na laboratoriach kalibracyjnych i badawczych, służy do ich akredytacji oraz stanowi podstawę do opracowywania planów ciągłego doskonalenia.

Cyfrowy czujnik temperatury z badaniami produkcyjnymi zgodnymi z NIST

Aby spełnić wiele wymagań projektowych i certyfikacyjnych, projektanci mogą sięgnąć po cyfrowy czujnik temperatury AS6211 firmy ams OSRAM, który zapewnia dokładność nawet ±0,09°C i nie wymaga kalibracji ani linearyzacji. Zaprojektowany do użytku w urządzeniach medycznych, urządzeniach ubieralnych i innych zastosowaniach, które wymagają rzetelnych informacji termicznych, badania produkcyjne czujnika AS6211 przechodzą kalibrację zgodnie z normami NIST przez laboratorium akredytowane zgodnie z normą ISO/IEC-17025. Kalibrowane badania produkcyjne przyspieszają proces uzyskania certyfikatu zgodności z normą EN 12470-3, który jest wymagany dla termometrów medycznych w Unii Europejskiej.

Czujnik AS6211 jest kompletnym, gotowym do integracji systemowej cyfrowym czujnikiem temperatury w wykonanej w skali układu mikroelektronicznego obudowie typu WLP o wymiarach 1,5 x 1,0mm z sześcioma wtykami. Przykładowa zamawiana pozycja o numerze katalogowym AS6221-AWLT-S jest dostarczana w partiach po 500 sztuk na taśmie i rolce. Pomiary z czujnika AS6211 są dostarczane przez standardowy interfejs I²C, a sam czujnik obsługuje osiem adresów I²C, eliminując w ten sposób obawy dotyczące konfliktów na magistrali w układach wieloczujnikowych.

Wysoka dokładność i niska moc

Czujnik AS6221 zapewnia wysoką dokładność przy niskim poborze mocy w całym zakresie zasilania od 1,71 do 3,6V=, co jest szczególnie ważne w rozwiązaniach zasilanych pojedynczą baterią. Urządzenie zawiera czuły i dokładny krzemowy czujnik temperatury z przerwą energetyczną (Si), przetwornik analogowo-cyfrowy oraz cyfrowy procesor sygnałów z powiązanymi rejestrami i logiką sterowania. Zintegrowana funkcja alertu może wyzwalać przerwanie przy określonym progu temperatury, który jest programowany przez ustawienie wartości rejestru.

Czujnik AS6221 pobiera prąd 6µA, wykonując cztery pomiary na sekundę, a w trybie czuwania pobór wynosi tylko 0,1µA. Zastosowanie zintegrowanej funkcji alarmu do wybudzania procesora tylko po osiągnięciu progu temperatury może jeszcze bardziej zmniejszyć pobór mocy przez system.

Opcje integracji urządzeń ubieralnych

W zastosowaniach ubieralnych im lepsze połączenie termiczne między czujnikiem a skórą, tym dokładniejszy pomiar temperatury. Projektanci mają kilka opcji optymalizacji połączenia termicznego. Jednym ze sposobów jest umieszczenie wtyku przewodzącego ciepło między skórą a czujnikiem (ilustracja 1). Aby uzyskać wiarygodne wyniki, wtyk musi być odizolowany od wszelkich zewnętrznych źródeł energii cieplnej, takich jak obudowa urządzenia, a pomiędzy nim i czujnikiem AS6211 należy zastosować pastę termiczną lub klej. W takim podejściu korzyści przynosi montaż czujnika AS6221 na elastycznej płytce drukowanej, co zapewnia większą swobodę w jego umieszczaniu.

Ilustracja 1: elastyczna płytka drukowana i klej termiczny mogą być wykorzystane do zapewnienia ścieżki o niskiej impedancji cieplnej między skórą a czujnikiem. (Źródło ilustracji: ams OSRAM)

W projektach, w których korzystne jest umieszczenie czujnika na głównej płytce drukowanej, połączenie termiczne można wykonać za pomocą sprężyny stykowej lub pola termicznego. Jeśli czujnik jest zamontowany na spodzie płytki drukowanej, do wykonania połączenia termicznego między wtykiem kontaktowym a przelotkami termicznymi na płytce drukowanej podłączonej do czujnika można użyć sprężyny stykowej (ilustracja 2). Takie podejście może skutkować powstaniem ekonomicznego urządzenia, które będzie działać przy większych odległościach między czujnikiem a skórą, ale też wymagać starannego przeanalizowania kilku interfejsów termicznych, aby osiągnąć wysoki poziom czułości.

Ilustracja 2: gdy czujnik jest zamontowany na spodzie płytki drukowanej, do połączenia z wtykiem kontaktowym można użyć przelotek termicznych i sprężyny stykowej. (Źródło ilustracji: ams OSRAM)

Trzecią opcją jest użycie pola termicznego do połączenia wtyku z czujnikiem zamontowanym na górze płytki drukowanej (ilustracja 3). W porównaniu z użyciem styku sprężynowego lub elastycznej płytki drukowanej, to podejście wymaga pola o wysokiej przewodności cieplnej i starannego projektowania mechanicznego, aby zapewnić minimalną impedancję cieplną między stykiem a czujnikiem. Może to skutkować prostszym montażem przy jednoczesnym zapewnieniu wysokich parametrów działania.

Ilustracja 3: pole termiczne może połączyć czujnik montowany na górze z wtykiem kontaktowym. Zapewnia to prostszy montaż, a jednocześnie wysokie parametry działania. (Źródło ilustracji: ams OSRAM)

Skrócenie czasu opóźnienia odpowiedzi termicznej

Aby uzyskać krótkie czasy odpowiedzi termicznej, ważne jest, aby zminimalizować wpływy zewnętrzne na pomiar, szczególnie przez część płytki drukowanej bezpośrednio przylegającej do czujnika. Dwie sugestie projektowe, których wdrożenie jest wykonalne, to użycie wycięć do minimalizacji powierzchni miedzi w pobliżu czujnika na górze płytki drukowanej (ilustracja 4, u góry) oraz zmniejszenie obciążenia termicznego od spodu płytki drukowanej poprzez wykorzystanie obszaru wycięcia poniżej czujnika do zmniejszenia całkowitej masy płytki drukowanej (ilustracja 4, u dołu).

Ilustracja 4: wycięcia na górze i na dole płytki drukowanej mogą zminimalizować masę płytki wokół czujnika i poprawić czas reakcji. (Źródło ilustracji: ams OSRAM)

Inne techniki, które mogą pomóc w poprawie szybkości i wydajności pomiaru oprócz minimalizacji wpływu płytki drukowanej to m.in.:

• Maksymalizacja obszaru kontaktu ze skórą w celu zwiększenia ciepła dostępnego dla czujnika.
• Korzystanie z cienkich ścieżek miedzianych i minimalizowanie rozmiaru płaszczyzn zasilania i uziemienia.
• Korzystanie z baterii i innych komponentów, takich jak wyświetlacze, o możliwie najmniejszych rozmiarach aby spełnić wymagania dotyczące parametrów działania urządzenia.
• Zaprojektowanie obudowy pod kątem termicznego odizolowania czujnika na płytce drukowanej od otaczających go komponentów i środowiska zewnętrznego.

Pomiar temperatury otoczenia

Dodatkowe kwestie mają znaczenie w przypadku korzystania z wielu czujników temperatury, na przykład w projektach wykorzystujących zarówno temperaturę skóry, jak i temperaturę otoczenia. Do każdego pomiaru należy użyć osobnego czujnika. Konstrukcja termiczna urządzenia powinna maksymalizować impedancję cieplną między obydwoma czujnikami (ilustracja 5). Wyższa impedancja cieplna zapewnia lepszą izolację między czujnikami i gwarantuje, że pomiary nie będą się wzajemnie zakłócać. Obudowa urządzenia powinna być wykonana z materiału o niskiej przewodności cieplnej, a pomiędzy dwie sekcje czujników należy wstawić barierę izolującą termicznie.

Ilustracja 5: aby zapewnić dokładne pomiary temperatury otoczenia, pomiędzy czujnikami temperatury skóry i otoczenia powinien znajdować się wysoki opór cieplny. (Źródło ilustracji: ams OSRAM)

Zestaw ewaluacyjny przyspiesza prace rozwojowe z użyciem urządzenia AS6221

Aby przyspieszyć opracowywanie rozwiązań i skrócić czas wprowadzania produktu na rynek, firma ams OSRAM oferuje projektantom zarówno zestaw ewaluacyjny, jak i zestaw demonstracyjny. Zestaw ewaluacyjny AS62xx można wykorzystać do szybkiej konfiguracji cyfrowego czujnika temperatury AS6221, umożliwiając szybką ewaluację jego funkcji. Zestaw ewaluacyjny łączy się bezpośrednio z zewnętrznym mikrokontrolerem (MCU), za pomocą którego można uzyskać dostęp do pomiarów temperatury.

Ilustracja 6: zestaw ewaluacyjny AS62xx może posłużyć do konfiguracji i ewaluacji czujnika AS6221. (Źródło ilustracji: ams OSRAM)

Zestaw demonstracyjny urządzenia AS6221

Po zakończeniu podstawowej ewaluacji projektanci mogą sięgnąć po zestaw demonstracyjny AS6221 będący platformą do tworzenia rozwiązań. Zestaw demonstracyjny zawiera przycisk temperatury AS6221 i baterię pastylkową CR2023. Aplikacja towarzysząca, którą można pobrać ze sklepu App Store lub Google Play, pozwala na nawiązanie połączenia z maksymalnie trzema przyciskami czujników jednocześnie (ilustracja 7). Aplikacja komunikuje się z przyciskami czujnika przez Bluetooth, dzięki czemu można modyfikować wszystkie ustawienia czujnika (w tym częstotliwość pomiaru), a także obserwować wpływ na pobór mocy. Aplikacja może rejestrować sekwencje pomiarowe, umożliwiając w ten sposób porównanie parametrów działania dla różnych ustawień czujnika temperatury. Projektanci mogą również użyć zestawu demonstracyjnego, aby eksperymentować z trybem alertów i dowiedzieć się, jak można go wykorzystać do poprawy parametrów działania rozwiązania.

Ilustracja 7: zestaw demonstracyjny AS6221 służy jako platforma rozwojowa dla czujników temperatury AS6221. (Źródło ilustracji: ams OSRAM)

Podsumowanie

Opracowywanie cyfrowych systemów pomiaru temperatury o wysokiej dokładności na potrzeby urządzeń medycznych, fitness oraz innych urządzeń ubieralnych jest złożonym procesem, jeśli chodzi o projektowanie, testowanie i certyfikację. Aby uprościć proces, obniżyć koszty i szybciej wprowadzić produkt na rynek, projektanci mogą stosować wysoce zintegrowane czujniki niskiej mocy o wysokiej dokładności.

Jednym z nich jest urządzenie AS6221. Nie wymaga ono kalibracji ani linearyzacji, a sprzęt do badań produkcyjnych jest kalibrowany zgodnie z normami NIST przez laboratorium akredytowane zgodnie z normami ISO/IEC-17025, co przyspiesza proces projektowania i zatwierdzania wyrobów medycznych.

Rekomendowane artykuły

1. Wydłużenie czasu pracy baterii urządzeń ubieralnych dzięki efektywnemu odmierzaniu czasu w okresie bezczynności
2. Użycie regulatorów niskoupływowych LDO do wydłużenia czasu pracy baterii w projektach urządzeń ubieralnych
3. Zwiększenie dokładności śledzenia sprawności fizycznej przy użyciu czujników ciśnienia o wysokiej dokładności