Integrera snabbt temperaturavkänning med klinisk precision i bärbara medicinska konstruktioner

I kölvattnet av oron för COVID-19 utmanas konstruktörer av bärbara enheter för temperaturavkänning att minska storlek, kostnad och strömförbrukning på samma sätt som de måste förbättra precision, känslighet och tillförlitlighet. För att klara göra det lättare att hantera utmaningen får givarna inte bara bättre prestanda utan en allmänt förenklad användning för att förenkla konstruktions- och integrationsprocessen.

Den här artikeln går igenom de grundläggande typerna av temperaturgivare innan den fokuserar på digitala givarkretsar och de huvudfunktioner som konstruktörer bör vara uppmärksamma på. Den ger exempel på digitala temperaturgivare från ams och Maxim Integrated, likväl som en infraröd termometer från Melexis Technologies NV som ett exempel på kontaktlös temperaturavkänning. Den kommer också att visa hur dessa enheter kan hantera kraven från nästa generations system och beskriver relaterade utvärderingskort och sondsatser, samt hur dessa kan användas för att hjälpa konstruktörer att komma igång.

Val av temperaturgivare

Av de fyra vanliga typerna av temperaturgivare som konstruktörer kan välja på för temperaturavkänning – termoelement, resisitiva temperaturenheter (RTD:er), termistorer och kretsar för temperaturavkänning – är kretsar för temperaturavkänning ett bra alternativ för kontaktbaserade konstruktioner för medicinskt bruk och hälsovård. Det beror i huvudsak på att de inte kräver linjärisering, har bra störningsimmunitet och är relativt enkla att integrera i bärbara hälsovårdsenheter. För kontaktlös avkänning kan infraröda termometrar användas.

Viktiga parametrar som konstruktörer bör överväga, särskilt i bärbara tillämpningar – oavsett om det är en enhet som bärs på handleden, är inbyggd i kläder eller ett medicinskt häftplåster – inkluderar storlek, strömförbrukning och termisk känslighet. Känsligheten är viktig vid konstruktioner för klinisk precision då även transienteffekter i storleksordningen mikrowatt (µW) kan värma upp givaren och orsaka felaktiga avläsningar. Ett annat övervägande innefattar typen av gränssnitt (digitalt eller analogt) då detta kommer att definiera kraven på kringkomponenterna, som t.ex. microcontrollern.

Hur man åstadkommer klinisk precision

Att uppfylla klinisk precision, i enlighet med ASTM E112, börjar med valet av en lämplig givare. Den digitala temperaturgivaren MAX30208 från Maxim Integrated har exempelvis ±0,1 °C noggrannhet från +30 °C till +50 °C och ±0,15 °C noggrannhet från 0 °C till +70 °C. Enheterna har måtten 2 x 2 x 0,75 mm och levereras i en tunn LGA-kapsling med 10 stift (figur 1). Kretsarna arbetar med en matningsspänning på 1,7 till 3,6 V och förbrukar mindre än 67 µA vid drift och 0,5 µA i viloläge.

Figur 1: De digitala temperaturgivarna MAX30208 har en klinisk mätningsprecision på ±0,1 °C för batteridrivna enheter såsom smarta klockor och medicinska plåster. (Bildkälla: Maxim Integrated)

En kritisk utmaning vid konstruktion av klinisk precision, är att som tidigare nämnts säkerställa att givarens egna temperatur inte påverkar avläsningen av mätningen för den bärbara enheten.

Givarkretsens värme, som leds från kretskortet via kapslingens stift till givarens insats kan påverka precisionen i temperaturavläsningarna. I en temperaturgivarkrets leds den här värmen via en termisk platta av metall på undersidan av kapslingen vilket resulterar i parasitisk uppvärmning. Detta, kan i sin tur, orsaka termisk konduktion in och ut för andra stift. Detta kommer oundvikligen att störa temperaturmätningarna.

För att motverka parasitisk uppvärmning kan konstruktörer använda en mängd olika tekniker, med bland annat användning av tunna banor för att minimera den termiska konduktiviteten bort från givarkretsen. Konstruktörerna kan dessutom mäta temperaturen på kapslingens ovansida, så långt från kretsens stift som möjligt istället för vid den termiska plattan på kapslingens undersida. Vad det gäller MAX30208CLB+ och andra digitala temperaturgivare av typen MAX30208 sker temperaturmätningen på kapslingens ovansida.

En annan teknik för att lindra problemet är att placera övriga elektronikkomponenter – som kan bidra med värme till temperaturövervakningssystemet – så långt ifrån givarelementet som möjligt för att minimera påverkan på temperaturmätningens data.

Överväganden vid termisk konstruktion från system till användare

När man säkerställer termisk isolation från värmekällor måste konstruktörerna även garantera en god termisk väg mellan det temperaturavkännande elementet och användarens hud. Placeringen under kapslingen gör det utmanande att leda kretskortets metallbanor från kontaktpunkten med kroppen.

Så, systemet måste först och främst konstrueras på ett sådant sätt att givaren är så nära målets temperatur som möjligt vid mätningen. För det andra, vilket möjliggörs av givarna MAX30208 kan bärbara konstruktioner och medicinska plåster använda flexibla eller halvhårda kretskort. De digitala temperaturgivarna MAX30208 kan anslutas direkt till en microcontroller med hjälp av en flexibel flatkabel (FFC) eller en flat skrivarkabel (FPC).

Vid användning av dessa kablar är det viktigt att placera temperaturgivarens krets på den flexibla sidan av kretskortet, för att minska den termiska resistansen mellan hudytan och givaren. Konstruktörer bör dessutom minska det flexibla kretskortets tjocklek så mycket som möjligt. Ett tunnare kort kan böjas bättre och möjliggör en bättre kontakt.

Digitala temperaturgivare kopplas ofta till microcontrollers via ett seriellt I²C-gränssnitt. Detta är fallet med MAX30208CLB+ från Maxim, som även använder en FIFO för temperaturdata som gör det möjligt för en microcontroller att vara i viloläge under långa perioder för att spara ström.

Figur 2: De digitala temperaturgivarna MAX30208 är avsedda för medicinska termometrar och bärbar övervakning av kroppstemperatur. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Den digitala temperaturgivaren MAX30208CLB+ använder en FIFO med 32 word för att skapa ett konfigureringsregister för temperaturgivaren med upp till 32 temperaturavläsningar, som vardera består av två bytes. Dessa minnesmappade register gör det även möjligt för givarna att ha digitala temperaturlarm för höga och låga gränsvärden.

Det finns även två I/O-stift (GPIO) för allmänna ändamål: GPIO1 kan konfigureras för att aktivera en temperaturomvandling medan GPIO0 kan konfigurerar för att generera ett avbrott för valbara statusbitar.

Fabrikskalibrerade temperaturgivare

Många digitala temperaturgivare är numera fabrikskalibrerade vilket eliminerar behovet av kalibrering på fältet eller omkalibrering en gång om året, som är fallet med många äldre temperaturgivare. Fabrikskalibreringen upphäver dessutom behovet av att utveckla programvara för att linjärisera utgången, likväl som att simulera och finjustera kretsen. Det eliminerar även behovet av en mängd precisionskomponenter och minimerar risken för felmatchade impedanser.

Temperaturgivarna i serien AS621x från ams är exempelvis fabrikskalibrerade och levereras med inbyggd linjärisering (figur 3). Den har även åtta I²C-adresser för att göra det möjligt för konstruktörer att övervaka temperaturen för åtta potentiellt varma punkter med en enda buss.

Figur 3: Givarna AS621x tillhandahåller ett komplett digitalt temperatursystem med fabrikskalibrering. (Bildkälla: ams)

Det seriella gränssnittet med åtta I²C-adresser gör även prototypkonstruktion och verifiering av konstruktionen enklare för utvecklare av hälsorelaterade övervakningssystem.

För att göra det lättare att matcha givarna till deras specifika tillämpningskrav finns givarna As621x tillgängliga i tre versioner med olika precision: ±0,2 °C, ±0,4 °C och ±0,8 °C. För hälsorelaterade övervakningssystem är en precision på ±0,2 °C tillräckligt, vilket gör AS6212-AWLT-L till ett lämpligt alternativ. Samtliga AS621x-enheter har 16-bitars upplösning för att upptäcka små variationer i temperaturen i hela temperaturområdet från -40 °C till +125 °C.

AS621x är 1,5 mm² och levereras i en WLCSP-kapsling (wafer-level chip-scale package) för att göra den enklare att bygga in i en hälsovårdsenhet. Den drivs med en matningsspänning på 1,71 V och förbrukar 6 µA vid drift och 0,1 µA i viloläge. Den lilla storleken och den låga strömförbrukningen gör temperaturgivare som AS6212-AWLT-L särskilt lämpade i tillämpningar för batteridrivna mobila och bärbara enheter.

Kontaktlösa temperaturgivare

Till skillnad från temperaturgivarkretsar som kräver fysisk kontakt kan infraröda termometrar utföra temperaturmätningar utan någon kontakt. Dessa kontaktlösa givare mäter två parametrar: omgivningstemperatur och objektets temperatur.

Sådana termometrar detekterar all energi över 0 Kelvin (den absoluta nollpunkten) som strålar ut från ett objekt framför enheten. Detektorn omvandlar sedan denna energi till en elektrisk signal och förmedlar den vidare till en processor som tolkar och visar denna data efter att ha kompenserat för variationer orsakade av omgivningstemperaturen.

Som exempel består den infraröda termometern MLX90614ESF-BCH-000-TU från Melexis av en detektorkrets med en infraröd termostapel och en signalbehandlingskrets som byggts in i en TO-39 kapsling (figur 4). En förstärkare med låg brusnivå, 17-bitars analog-till-digital-omvandlare (ADC) och en digital signalprocessor (DSP) har byggts in i MLX90614-serien vilket garanterar en hög precision och upplösning.

Figur 4: Den infraröda termometern MLX90614 har en standardprecision på 0,5 °C vid rumstemperatur. (Bildkälla: Melexis)

Den infraröda termometern MLX90614 är fabrikskalibrerad för ett temperaturområde på -40 °C till 85 °C för omgivningstemperatur och -70 °C till 382,2°C för objektets temperatur. De har en standardprecision på 0,5 °C vid rumstemperatur.

Dessa kontaktlösa temperaturgivare har två lägen för utgången: pulsbreddsmodulering (PWM) och SMBus via ett gränssnitt med två ledare (TWI) eller I²C-koppling. Givaren levereras fabrikskalibrerad med en digital SMBus-utgång och hanterar hela temperaturområdet med en upplösning på 0,02 °C. Å andra sidan, kan konstruktörer konfigurera den digitala 10-bitars PWM-utgången för en upplösning på 0,14 °C.

Utveckling med temperaturgivare

Givarsortimentet MAX30208 stöds av utvärderingssystemet MAX30208EVSYS# från Maxim Integrated, som innehåller ett flexibelt kretskort för att hålla temperaturgivarkretsen MAX30208 (figur 5). Utvärderingssystemet består av två kort: microcontroller-kortet MAX32630FTHR och gränssnittskortet MAX30208 som är anslutna via kontakter. Konstruktörer behöver bara ansluta utvärderingskortet till en PC med den medföljande USB-kabeln. Systemet installerar sedan automatiskt alla nödvändiga drivrutiner. När dessa har installerats, måste programmet EV Kit laddas ned.

Figur 5: Konstruktörer kan ansluta utvärderingshårdvaran till en PC med den medföljande USB-kabeln. De nödvändiga drivrutinerna för enheten installeras automatiskt. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Det är även värt att nämna att en mobil eller bärbar enhet kan mäta kroppstemperatur på flera ställen. I exempelvis ett sportplagg, kan flera temperaturkretsar av typen MAX30208 anslutas via I²C-adresser i en seriekoppling till ett enda batteri och en enda microcontroller som värd. Här anropas respektive temperaturgivare regelbundet av microcontrollern för att skapa en profil av temperaturer lokalt såväl som över hela kroppen.

Med den infraröda givaren MLX90614, kan utvecklare av medicinska enheter komma igång med det kompakta MIKROE-1362 IrThermo Click-kortet från MikroElektronika. Detta kopplar ihop den infraröda termometermodulen med en zon MLX90614ESF-AAA med microcontroller-kortet via antingen ett mikroBUS I²C-gränssnitt eller ett PWM-gränssnitt (figur 6).

Figur 6: Kortet MIKROE-1362 IrThermo kan användas för att komma igång med utvecklingen med sensorn MLX9016 från Maxim Integrated. (Bildkälla: MikroElektronika)

MikroElektronikas 5 V-kort är kalibrerat för ett temperaturområde på -40 °C till 85 °C för omgivningstemperatur och -70 °C till +380 °C för objektets temperatur.

Sammanfattning

Konstruktörer utmanas att göra temperaturavkänning med klinisk precision mer tillgänglig för massmarknaden trots utmaningar som t.ex. effekt, storlek, kostnad, tillförlitlighet och precision. Kontaktgivare eller kontaktlösa givare som stöds av utvärderingssatser är nu tillgängliga för att hjälpa dem att möta detta krav på ett snabbt och effektivt sätt. Givarna levereras som påvisat inte bara med den prestandakarakteristik som krävs för kliniska temperaturmätningar, de levereras även med fabrikskalibrering och de digitala gränssnitt som krävs för att göra dem enklare att integrera i nästa generations konstruktioner.