Integreer snel temperatuurmeting van klinische kwaliteit in draagbare, wearable medische ontwerpen

In het kielzog van de wereldwijde bezorgdheid over COVID-19 worden ontwerpers van draagbare en wearable apparaten voor temperatuurmeting uitgedaagd om de grootte, de kosten en het stroomverbruik van het apparaat te verminderen, ook al moeten ze de nauwkeurigheid, de gevoeligheid en de betrouwbaarheid verbeteren. Om de uitdaging aan te gaan, verbeteren de sensors niet alleen de prestaties, maar ook het algemene gebruiksgemak om het ontwerp- en integratieproces te vereenvoudigen.

In dit artikel worden de basistypes van de temperatuursensors besproken voordat de aandacht wordt gevestigd op de digitale IC-sensors en de kernkenmerken waarvoor de ontwerpers op de uitkijk moeten staan. Het introduceert digitale temperatuursensorvoorbeelden van ams en Maxim Integrated, evenals een infrarood thermometer van Melexis Technologies NV als een voorbeeld van contactloze temperatuursensor. Het zal ook laten zien hoe deze apparaten kunnen voldoen aan de behoeften van systemen van de volgende generatie. Het zal verwante evaluatieborden en sondekits beschrijven en hoe ze kunnen worden gebruikt om ontwerpers te helpen aan de slag te gaan.

Keuze van temperatuursensor

Van de vier veelvoorkomende typen temperatuursensors kunnen ontwerpers kiezen voor temperatuurdetectie - thermokoppels, weerstandstemperatuurapparaten (RTD's), thermistors en temperatuursensor-IC's - temperatuursensor-IC's zijn een goede optie voor contactgebaseerde medische en gezondheidszorgontwerpen. Dit komt vooral omdat ze niet gelineraliseerd hoeven te worden, goed bestand zijn tegen lawaai en relatief eenvoudig te integreren zijn in draagbare en wearable gezondheidszorgapparaten. Voor contactloze sensing kunnen infraroodthermometers worden gebruikt.

Belangrijke parameters waar ontwerpers rekening mee moeten houden, vooral voor wearable toepassingen, of het nu om een pols gaat, ingebed in kleding of een plakkerige medische pleister, zijn onder meer de grootte, het energieverbruik en de thermische gevoeligheid. Gevoeligheid is belangrijk omdat bij het ontwerpen voor klinische nauwkeurigheid, zelfs transiënt vermogen in de orde van microwatts (µW) de sensor kan opwarmen en onnauwkeurige metingen kan veroorzaken. Een andere overweging is het type interface (digitaal of analoog), omdat dit de eisen van de bijbehorende componenten, zoals de microcontroller, zal bepalen.

Hoe bereik je klinische nauwkeurigheid

Het voldoen aan de klinische nauwkeurigheid, per ASTM E112, begint met de selectie van de juiste sensor. Maxim Integrated's MAX30208 digitale temperatuursensors hebben bijvoorbeeld een nauwkeurigheid van ±0,1 °C van +30 °C tot +50 °C en een nauwkeurigheid van ±0,15 °C van 0 °C tot +70 °C. De apparaten meten 2 x 2 x 0,75 millimeter (mm) en worden geleverd in een dun 10-pins LGA-pakket (Afbeelding 1). De IC's werken met een voedingsspanning van 1,7 tot 3,6 volt en verbruiken minder dan 67 microampère (µA) in werking en 0,5 µA in stand-by.

Afbeelding 1: De MAX30208 digitale temperatuursensors bieden een klinische meetnauwkeurigheid van ±0,1 °C voor apparaten die op batterijen werken, zoals smartwatches en medische patches. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Zoals gezegd, is het een kritische uitdaging bij het ontwerpen van een klinisch nauwkeurig ontwerp om ervoor te zorgen dat de eigen temperatuur van de sensor geen invloed heeft op de meetwaarde van een wearable apparaat.

De warmte van het sensor-IC, die van de pc-printplaat door het pakket naar de sensormatrijs gaat, kan de nauwkeurigheid van de temperatuurmetingen beïnvloeden. In een temperatuursensor-IC wordt deze warmte door een metalen thermisch pad aan de onderzijde van de verpakking geleid, wat resulteert in parasitaire verwarming. Dit kan op zijn beurt weer leiden tot warmtegeleiding in en uit andere pennen. Dit bemoeilijkt onvermijdelijk de temperatuurmetingen.

Om parasitaire verhitting tegen te gaan, kunnen ontwerpers een aantal technieken toepassen, te beginnen met het gebruik van dunne sporen om de warmtegeleiding weg van het sensor-IC te minimaliseren. Ook kunnen ontwerpers, in plaats van het thermische pad aan de onderkant van de verpakking te gebruiken, de temperatuur aan de bovenkant van de verpakking meten, zo ver mogelijk weg van de IC-pennen. Bij de MAX30208CLB+ en andere MAX30208 digitale temperatuursensors wordt de temperatuurmeting bovenin de verpakking uitgevoerd.

Een andere techniek om de temperatuur te beperken is het plaatsen van andere elektronische componenten - die warmte kunnen bijdragen aan het temperatuurbewakingssysteem - zo ver mogelijk verwijderd van het detectie-element om de invloed ervan op de temperatuurmeetgegevens tot een minimum te beperken.

Overwegingen met betrekking tot het thermisch ontwerp van het systeem voor de gebruiker

De ontwerpers moeten niet alleen zorgen voor thermische isolatie van de warmtebronnen, maar ook voor een goed thermisch pad tussen het temperatuurgevoelige element en de huid van de gebruiker. De locatie onder het pakket maakt het uitdagend voor de pc-kaart om metalen sporen te leiden vanaf het punt van contact met het lichaam.

Het systeem moet dus in de eerste plaats zo worden ontworpen dat de sensor zo dicht mogelijk bij de te meten doeltemperatuur ligt. Ten tweede, zoals mogelijk gemaakt door de MAX30208-sensors, kunnen draagbare ontwerpen en medische patches flexibele of semi-stijve printplaten gebruiken De MAX30208 digitale temperatuursensors kunnen rechtstreeks op een microcontroller worden aangesloten met behulp van een platte flexibele kabel (FFC) of een platte printerkabel (FPC).

Bij gebruik van deze kabels is het essentieel om de temperatuursensor-IC aan de flexzijde van de printplaat te plaatsen, wat de thermische weerstand tussen het oppervlak van de huid en de sensor vermindert. Ook moeten ontwerpers de dikte van de flexkaart zo veel mogelijk beperken; een dunnere kaart kan efficiënter buigen en een beter contact mogelijk maken.

Digitale temperatuursensors zijn meestal gekoppeld aan microcontrollers via een I²C seriële interface. Dat is het geval met Maxim's MAX30208CLB+, die ook een FIFO gebruikt voor temperatuurgegevens, waardoor een microcontroller langere tijd kan slapen om energie te besparen.

Afbeelding 2: De MAX30208 digitale temperatuursensors zijn gericht op medische thermometers en draagbare lichaamstemperatuurmeters. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

De MAX30208CLB+ digitale temperatuursensor gebruikt een 32-woordige FIFO om een instelregister voor de temperatuursensor te creëren dat tot 32 temperatuurmetingen biedt, elk bestaande uit twee bytes. Met deze geheugenkaartregisters kunnen sensors ook hoge en lage drempel digitale temperatuuralarmen aanbieden.

Er zijn ook twee algemene I/O (GPIO)-pennen: GPIO1 kan worden geconfigureerd om een temperatuurconversie op gang te brengen, terwijl GPIO0 kan worden geconfigureerd om een interrupt voor selecteerbare statusbits te genereren.

Fabrieksgekalibreerde temperatuursensors

Veel digitale temperatuursensors zijn nu in de fabriek gekalibreerd, zodat ze niet meer in het veld hoeven te worden gekalibreerd of één keer per jaar opnieuw moeten worden gekalibreerd, zoals bij veel oude temperatuursensors het geval is. Bovendien gaat de fabriekskalibratie voorbij aan de noodzaak om software te ontwikkelen om de uitgang te lineariseren en het circuit te simuleren en te fine-tunen. Het elimineert ook de noodzaak van een veelheid aan precisiecomponenten en minimaliseert het risico op verkeerde impedantie.

Bijvoorbeeld, de AS621x-familie van temperatuursensors van ams is in de fabriek gekalibreerd en wordt geleverd met geïntegreerde linearisatie (Afbeelding 3). Het heeft ook acht I²C-adressen om ontwerpers in staat te stellen de temperatuur op acht verschillende potentiële hotspots te monitoren met behulp van een enkele bus.

Afbeelding 3: De AS621x-sensors zorgen voor een compleet digitaal temperatuursysteem met fabriekskalibratie. (Bron afbeelding: ams)

De seriële interface met acht I²C-adressen maakt ook prototyping en ontwerpverificatie gemakkelijker voor ontwikkelaars van gezondheidsgerelateerde monitoringsystemen.

Om de sensors aan te passen aan hun specifieke toepassingseisen, zijn de AS621x-sensoren beschikbaar in drie nauwkeurigheidsversies: ±0,2 °C, ±0,4 °C en ±0,8 °C. Voor gezondheidsgerelateerde monitoringsystemen is een nauwkeurigheid binnen ±0,2 °C voldoende, waardoor de AS6212-AWLT-L een geschikte optie is. Alle AS621x-apparaten hebben een 16-bits resolutie om kleine temperatuurschommelingen te detecteren over hun volledige bedrijfstemperatuurbereik van -40 °C tot +125 °C.

De AS621x meet 1,5 mm² en wordt geleverd in een wafer-level chip-scale pakket (WLCSP) om het gemakkelijker te integreren in een gezondheidszorgapparaat. Hij werkt met een voedingsspanning van 1,71 volt en verbruikt 6 µA tijdens de werking en 0,1 µA in de standby-modus. De kleine voetafdruk en het lage stroomverbruik maken temperatuursensors zoals de AS6212-AWLT-L bijzonder geschikt voor mobiele en wearable apparaten die op batterijen werken.

Contactloze temperatuursensors

In tegenstelling tot temperatuursensor-IC's die enig fysiek contact vereisen, voeren infraroodthermometers contactloze temperatuurmetingen uit. Deze contactloze sensors meten twee parameters: de omgevingstemperatuur en de temperatuur van een object.

Dergelijke thermometers detecteren elke energie boven 0 Kelvin (absoluut nul) die door een voorwerp voor het apparaat wordt uitgestoten. De detector zet de energie vervolgens om in een elektrisch signaal en geeft dit door aan een processor om de gegevens te interpreteren en weer te geven na compensatie van de variaties die door de omgevingstemperatuur worden veroorzaakt.

Bijvoorbeeld, de MLX90614ESF-BCH-000-TU infraroodthermometer van Melexis bestaat uit een infraroodthermopile-detectorchip en een signaalconditioneringschip geïntegreerd in een TO-39 pakket (Afbeelding 4). Een ruisarme versterker, een 17-bits analoog/digitaal convertor (ADC) en een digitale signaalprocessor (DSP) geïntegreerd in de MLX90614-familie zorgen voor een hoge nauwkeurigheid en resolutie.

Afbeelding 4: De infraroodthermometer MLX90614 heeft een standaard nauwkeurigheid van 0,5 °C bij kamertemperatuur. (Bron afbeelding: Melexis)

De MLX90614 infraroodthermometers zijn in de fabriek gekalibreerd voor een temperatuurbereik van -40 °C tot 85 °C voor de omgevingstemperatuur en -70 °C tot 382,2 °C voor de objecttemperatuur. Ze hebben een standaard nauwkeurigheid van 0,5 °C bij kamertemperatuur.

Deze contactloze temperatuursensors bieden twee uitgangsmodi: pulsbreedtemodulatie (PWM) en SMBus via een tweedraadsinterface (TWI) of I²C-link. De sensor is in de fabriek gekalibreerd met een digitale SMBus-uitgang en kan het hele temperatuurbereik bedienen met een resolutie van 0,02 °C. Aan de andere kant kunnen ontwerpers de 10-bits PWM digitale uitgang configureren met een resolutie van 0,14 °C.

Ontwikkeling met temperatuursensors

De MAX30208-lijn van sensors wordt ondersteund door Maxim Integrated's MAX30208EVSYS#-evaluatiesysteem, dat een flex pc-kaart bevat om de MAX30208 temperatuursensor-IC vast te houden (Afbeelding 5). Het evaluatiesysteem bestaat uit twee kaarten: de MAX32630FTHR-microcontrollerkaart en de MAX30208-interfacekaart, die met elkaar verbonden zijn via headers. Ontwerpers hoeven alleen maar de evaluatiehardware aan te sluiten op een PC met behulp van de meegeleverde USB-kabel. Het systeem installeert dan automatisch de nodige apparaatstuurprogramma's. Zodra deze zijn geïnstalleerd, moet de EV Kit Software worden gedownload.

Afbeelding 5: Ontwerpers kunnen de evaluatiehardware aansluiten op een PC met de meegeleverde USB-kabel. De benodigde apparaatstuurprogramma's worden automatisch geïnstalleerd. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Het is ook het vermelden waard dat een mobiel of wearable apparaat de lichaamstemperatuur op meerdere plaatsen kan meten. In een sportkledingstuk kunnen bijvoorbeeld meerdere MAX30208-temperatuur-IC's via I²C-adressen in een daisy-chain-regeling worden aangesloten op een enkele batterij- en host-microcontroller. Hier wordt elke temperatuursensor regelmatig door de microcontroller gepolst om een profiel te maken van zowel de lokale als de lichaamstemperatuur.

Voor de MLX90614-infraroodsensor kunnen ontwikkelaars van medische apparatuur aan de slag met de compacte MIKROE-1362 Irthermo Click board van MikroElektronika. Dit verbindt de MLX90614ESF-AAA single-zone infrarood thermometer module met de microcontrollerboard via de mikroBUS I²C-lijn of PWM-lijn (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Het MIKROE-1362 IrThermo Click bord kan worden gebruikt om te beginnen met de ontwikkeling van de MLX9016-sensor van Maxim Integrated. (Bron afbeelding: MikroElektronika)

MikroElektronika's 5 volt bord is gekalibreerd voor een temperatuurbereik van -40 °C tot 85 °C voor de omgevingstemperatuur en -70 °C tot +380 °C voor de objecttemperatuur.

Conclusie

Ontwerpers worden uitgedaagd om temperatuursensors op klinisch niveau meer beschikbaar te maken voor de massamarkt, ondanks uitdagingen als vermogen, grootte, kosten, betrouwbaarheid en nauwkeurigheid. Contact- en contactloze sensors, ondersteund door evaluatiekits, zijn nu beschikbaar om snel en efficiënt aan deze vraag te kunnen voldoen. Zoals afgebeeld hebben deze sensors niet alleen de prestatiekenmerken die nodig zijn voor de klinische temperatuurmeting, maar ze zijn ook voorzien van de fabriekskalibratie en digitale interfaces die nodig zijn om ze gemakkelijker te kunnen integreren in ontwerpen van de volgende generatie.