Hoe zeer nauwkeurige digitale temperatuursensors gebruiken in wearables voor gezondheidsmonitoring

Nauwkeurige digitale temperatuurmetingen zijn belangrijk in een reeks toepassingen, waaronder wearables, medische bewakingsapparatuur, gezondheids- en fitnesstrackers, bewaking van de koudeketen en het milieu, en industriële computersystemen. Hoewel zij op grote schaal worden toegepast, gaat de uitvoering van zeer nauwkeurige digitale temperatuurmetingen vaak gepaard met kalibratie of linearisering van de temperatuursensor, en met een hoger stroomverbruik, wat een probleem kan zijn voor compacte, ultra-low power toepassingen met meerdere acquisitiemodi. De ontwerpuitdagingen kunnen snel oplopen en leiden tot kostenoverschrijdingen en vertragingen in de planning.

Een complicatie is dat bij sommige toepassingen meerdere temperatuursensoren één communicatiebus delen. Bovendien moeten sommige testopstellingen voor de productie worden gekalibreerd volgens het National Institute of Standards and Technology (NIST) van de VS, terwijl verificatieapparatuur moet worden gekalibreerd door een ISO/IEC-17025 geaccrediteerd laboratorium. Plotseling wordt wat een eenvoudige functie leek, zowel intimiderend als kostbaar.

Dit artikel beschrijft in het kort de vereisten voor zeer nauwkeurige temperatuurmetingen in mobiele en batterijgevoede toepassingen voor gezondheidsmonitoring. Vervolgens wordt een energiezuinig, zeer nauwkeurig digitaal temperatuursensor-IC van OSRAM geïntroduceerd dat geen kalibratie of linearisatie vereist. Het eindigt met aanbevelingen voor integratie, een evaluatiebord en een Bluetooth-demokit met een bijbehorende app waarmee de sensorinstellingen kunnen worden gewijzigd en het effect op het stroomverbruik kan worden geobserveerd.

Eisen voor zeer nauwkeurige temperatuurbewaking

Nauwkeurigheid is verplicht in toepassingen voor gezondheidsmonitoring. Bij de fabricage vertonen digitale temperatuursensoren van onderdeel tot onderdeel verschillen in prestaties die moeten worden aangepakt. Aangezien interne kalibratie duur is en het gebruik van niet-gekalibreerde sensors de kosten voor het bereiken van de gewenste nauwkeurigheid verhoogt, moeten ontwerpers sensoren overwegen die volledig gekalibreerd en gelineariseerd zijn. Het is echter belangrijk ervoor te zorgen dat de fabrikant van de sensor ijkinstrumenten gebruikt die herleidbaar zijn tot NIST-normen. Het gebruik van instrumenten met traceerbare ijking zorgt voor een ononderbroken keten terug naar de NIST-basisnormen, waarbij de onzekerheden bij elke schakel in de keten worden geïdentificeerd en gedocumenteerd, zodat zij in het kwaliteitsborgingssysteem van de fabrikant van het hulpmiddel kunnen worden aangepakt.

De belangrijkste norm voor beproevings- en kalibratielaboratoria is ISO/IEC 17025 "Algemene eisen voor de competentie van beproevings- en kalibratielaboratoria". ISO/IEC 17025 is gebaseerd op technische beginselen die specifiek gericht zijn op kalibratie- en beproevingslaboratoria, wordt gebruikt voor de accreditatie van deze laboratoria en vormt de basis voor de ontwikkeling van plannen voor voortdurende verbetering.

Digitale temperatuursensor met NIST-traceerbare productietests

Om te voldoen aan de vele ontwerp- en certificatievereisten, kunnen ontwerpers zich wenden tot de AS6211 digitale temperatuursensor van ams OSRAM die een nauwkeurigheid biedt tot ±0,09 °C en geen kalibratie of linearisatie vereist. De AS6211 is ontworpen voor gebruik in gezondheidszorgapparaten, wearables en andere toepassingen die hoogwaardige thermische informatie vereisen, en de productietests zijn gekalibreerd door een ISO/IEC-17025 geaccrediteerd laboratorium volgens de NIST-normen. De gekalibreerde productietests versnellen het proces voor het verkrijgen van certificering volgens EN 12470-3, die vereist is voor medische thermometers in de Europese Unie.

De AS6211 is een complete digitale temperatuursensor in een 6-pins, 1,5 x 1,0-millimeter (mm) wafer level chip scale package (WLCSP), klaar voor systeemintegratie. Een voorbeeld van een bestelbaar onderdeelnummer, de AS6221-AWLT-S, wordt geleverd in partijen van 500 stuks op tape en haspel. De AS6211's metingen worden geleverd via een standaard I²C-interface, en het ondersteunt acht I²C-adressen, waardoor zorgen over bus conflicten in multi-sensor ontwerpen worden geëlimineerd.

Hoge nauwkeurigheid plus laag stroomverbruik

De AS6221 levert hoge nauwkeurigheid bij laag stroomverbruik over het volledige voedingsbereik van 1,71 tot 3,6 volt DC, wat vooral belangrijk is in toepassingen die gevoed worden door een enkele batterijcel. Het omvat een gevoelige en nauwkeurige silicium (Si) bandgap temperatuursensor, een analoog-digitaal omzetter, en een digitale signaalprocessor met bijbehorende registers en besturingslogica. De geïntegreerde waarschuwingsfunctie kan een interrupt activeren bij een specifieke temperatuurdrempel, die wordt geprogrammeerd door een registerwaarde in te stellen.

De AS6221 verbruikt 6 microamperes (µA) bij het verrichten van vier metingen per seconde, en in stand-by is het stroomverbruik slechts 0,1 µA. Het gebruik van de geïntegreerde alarmfunctie om de applicatieprocessor alleen te wekken wanneer een temperatuurdrempel is bereikt, kan het stroomverbruik van het systeem nog verder terugdringen.

Opties voor integratie van wearables

Bij draagbare toepassingen geldt: hoe beter de thermische verbinding tussen de sensor en de huid, hoe nauwkeuriger de temperatuurmeting. Ontwerpers hebben verschillende mogelijkheden om de thermische verbinding te optimaliseren. Eén manier is om een thermisch geleidende pen tussen de huid en de sensor te plaatsen (Afbeelding 1). Om betrouwbare resultaten te bereiken, moet de pen geïsoleerd worden van externe bronnen van thermische energie, zoals de behuizing van het apparaat, en moet een thermische pasta of lijm worden gebruikt tussen de pen en de AS6211. Deze aanpak profiteert van het gebruik van een flexibele (flex) printplaat (PCB) om de AS6221 te dragen, waardoor meer vrijheid wordt geboden bij het lokaliseren van de sensor.

Afbeelding 1: Een flexibele PCB en thermische lijm kunnen worden gebruikt om een pad met lage thermische impedantie te creëren tussen de huid en de sensor. (Bron afbeelding: ams OSRAM)

In ontwerpen waarbij de sensor op de hoofd-PBC moet worden geplaatst, kan de thermische verbinding tot stand worden gebracht met behulp van een contactveer of een thermisch kussen. Als de sensor aan de onderzijde van de PCB is gemonteerd, kan een contactveer worden gebruikt om een thermische verbinding tot stand te brengen tussen de contactpen en de thermische vias op de print die met de sensor zijn verbonden (Afbeelding 2). Deze aanpak kan resulteren in een kosteneffectief apparaat dat langere afstanden tussen de sensor en de huid aankan, maar het vereist zorgvuldige overweging van de verschillende thermische interfaces om hoge gevoeligheidsniveaus te bereiken.

Afbeelding 2: Wanneer de sensor op de onderzijde van een PCB is gemonteerd, kunnen thermische vias en een contactveer worden gebruikt voor de verbinding met de contactpen. (Bron afbeelding: ams OSRAM)

Een derde mogelijkheid is het gebruik van een thermokussen om de pen te verbinden met een sensor die op de bovenzijde van de PCB is gemonteerd (Afbeelding 3). In vergelijking met het gebruik van een veercontact of een flexibele printplaat vereist deze aanpak een pad met hoge thermische geleidbaarheid en een zorgvuldig mechanisch ontwerp om een minimale thermische impedantie tussen de contactpen en de sensor te garanderen. Dit kan resulteren in een eenvoudiger assemblage, terwijl toch hoge prestaties worden geleverd.

Afbeelding 3: Een thermisch kussen kan een aan de bovenzijde gemonteerde sensor verbinden met de contactpen. Dit maakt de montage eenvoudiger, terwijl toch hoge prestaties worden geleverd. (Bron afbeelding: ams OSRAM)

Verbetering van de thermische reactietijd

Om snelle thermische reactietijden te verkrijgen, is het belangrijk de externe invloeden op de meting te minimaliseren, vooral door het gedeelte van de PCB dat direct grenst aan de sensor. Twee haalbare ontwerpsuggesties zijn het gebruik van uitsparingen om de kopervlakken in de buurt van de sensor aan de bovenkant van de printplaat te minimaliseren (Afbeelding 4, boven), en de thermische belasting van de onderkant van de printplaat te verminderen door een uitsparing onder de sensor te gebruiken om de totale massa van de printplaat te verminderen (Afbeelding 4, onder).

Afbeelding 4: Uitsparingen aan de boven- en onderzijde van de PCB kunnen de massa van de printplaat rond de sensor tot een minimum beperken en de reactietijd ervan verbeteren. (Bron afbeelding: ams OSRAM)

Naast het minimaliseren van PCB-effecten zijn er nog andere technieken die de meetsnelheid en -prestaties kunnen helpen verbeteren:

• Maximaliseren van het contactoppervlak met de huid om de beschikbare warmte voor de sensor te verhogen.
• Het gebruik van dunne kopersporen en het minimaliseren van de grootte van voedings- en massavlakken.
• Het gebruik van batterijen en andere componenten, zoals beeldschermen, die zo klein mogelijk zijn om aan de prestatie-eisen van het toestel te voldoen.
• Het ontwerpen van de verpakking om de sensor op de PCB thermisch te isoleren van de omringende componenten en de buitenomgeving.

Omgevingstemperatuur detecteren

Aanvullende overwegingen zijn van toepassing wanneer meerdere temperatuursensors worden gebruikt, zoals bij ontwerpen die zowel de huidtemperatuur als de temperatuur van de omgeving gebruiken. Voor elke meting moet een afzonderlijke sensor worden gebruikt. Het thermisch ontwerp van de inrichting moet de thermische impedantie tussen de twee sensoren maximaliseren (figuur 5). Een hogere tussenliggende thermische impedantie zorgt voor een betere isolatie tussen de sensoren en zorgt ervoor dat de metingen elkaar niet verstoren. De behuizing moet worden vervaardigd van materialen met een lage thermische geleiding, en tussen de twee sensordelen moet een thermische isolatiebarrière worden aangebracht.

Figuur 5: Om de omgevingstemperatuur nauwkeurig te kunnen meten, moet er een hoge thermische weerstand zijn tussen de huid en de omgevingstemperatuursensoren. (Beeldbron: ams OSRAM)

Eval kit start AS6221 ontwikkeling

Om de ontwikkeling van toepassingen en de marktintroductietijd te versnellen, biedt OSRAM ontwerpers zowel een evalkit als een demokit. De AS62xx Eval Kit kan worden gebruikt om de AS6221 digitale temperatuursensor snel op te zetten, zodat een snelle evaluatie van de mogelijkheden mogelijk is. Deze evalkit wordt rechtstreeks aangesloten op een externe microcontroller (MCU) die kan worden gebruikt om temperatuurmetingen uit te voeren.

Afbeelding 6: De AS62xx-evalkit kan worden gebruikt om de AS6221 op te zetten en te evalueren. (Bron afbeelding: ams OSRAM)

Demokit voor de AS6221

Zodra de basisevaluatie is voltooid, kunnen ontwerpers zich wenden tot de AS6221-demokit als een applicatie-ontwikkelingsplatform. De demoset omvat een AS6221-temperatuurknop en een CR2023-knoopcelbatterij. Het downloaden van de bijbehorende app uit de App Store of Google Play Store ondersteunt de verbinding met maximaal drie sensorknoppen tegelijk (Afbeelding 7). De app communiceert via Bluetooth met de sensorknoppen, waardoor het mogelijk is alle sensorinstellingen, inclusief de meetfrequentie, te wijzigen en het effect op het stroomverbruik te observeren. De app kan meetreeksen opnemen, zodat de prestaties van verschillende temperatuursensorinstellingen kunnen worden vergeleken. Ontwerpers kunnen de demokit ook gebruiken om te experimenteren met de waarschuwingsmodus en te leren hoe deze kan worden gebruikt om de prestaties van oplossingen te verbeteren.

Afbeelding 7: De AS6221-demokit dient als een temperatuursensorapplicatie-ontwikkelingsplatform voor de AS6221. (Bron afbeelding: ams OSRAM)

Conclusie

Het ontwerpen van zeer nauwkeurige digitale temperatuursensorsystemen voor gezondheidszorg, fitness en andere wearables is een complex proces met betrekking tot ontwerp, testen en certificering. Om het proces te vereenvoudigen, de kosten te verlagen en sneller op de markt te komen, kunnen ontwerpers hooggeïntegreerde, energiezuinige en zeer nauwkeurige sensoren gebruiken.

Zoals afgebeeld, is de AS6221 zo'n toestel. Er is geen kalibratie of linearisatie nodig, en de testapparatuur voor de productie wordt gekalibreerd volgens de NIST-normen door een ISO/IEC-17025 geaccrediteerd laboratorium, waardoor het ontwerp- en goedkeuringsproces voor medische hulpmiddelen wordt versneld.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Verbeter de levensduur van de batterij in wearables door middel van efficiënte tijdwaarneming tijdens inactieve toestand
2. Gebruik instelbare LDO's met lage lekkage om de levensduur van batterijen in draagbare ontwerpen te verlengen
3. Verhoog de nauwkeurigheid van de fitnesstracker met behulp van zeer nauwkeurige druksensoren