Απλούστευση σχεδιασμού αισθητήρα για ιατρικό εξοπλισμό
Nov 17,2021
Από τους τέσσερις κοινούς τύπους αισθητήρων θερμοκρασίας - θερμοστοιχεία, συσκευές θερμοκρασίας αντοχής, θερμίστρες και αισθητήρα θερμοκρασίας ICS - Το ICS αισθητήρας θερμοκρασίας είναι μια καλή επιλογή για τα σχεδιαστικά ιατρικά και υγειονομική περίθαλψη που βασίζονται σε επαφή. Κατά κύριο λόγο, δεν χρειάζονται γραμμικότητα, προσφέρουν καλή ανοσία θορύβου και είναι σχετικά εύκολο να ενσωματωθούν σε φορητές και φορητές συσκευές υγειονομικής περίθαλψης. Για την ανίχνευση χωρίς επαφή, μπορούν να χρησιμοποιηθούν υπέρυθρα θερμόμετρα.
Οι βασικές παραμέτρους είναι το μέγεθος, η κατανάλωση ενέργειας και η θερμική ευαισθησία. Το τελευταίο είναι σημαντικό για ακρίβεια κλινικής ποιότητας, καθώς ακόμη και η παροδική ισχύς (μ.Μ.) μπορεί να θερμανθεί τον αισθητήρα και να προκαλέσει ανακριβείς αναγνώσεις. Μια άλλη σκέψη είναι ο τύπος διεπαφής (ψηφιακός ή αναλογικός), ο οποίος θα καθορίσει τα συναφή συστατικά, όπως ο μικροελεγκτής.
Κλινική ακρίβεια
Αντιμετώπιση ακρίβειας κλινικής ποιότητας, ανά ASTM E112 (τυποποιημένες μέθοδοι δοκιμής για τον προσδιορισμό του μέσου μεγέθους των κόκκων), ξεκινά με τον κατάλληλο αισθητήρα. Οι ψηφιακοί αισθητήρες θερμοκρασίας Max30208 του Maxim Integrated, για παράδειγμα, χαρακτηριστικά ακρίβεια ± 0,1 ° C από + 30 ° C έως + 50 ° C και ακρίβεια ± 0,15 ° C από 0 ° C έως 70 ° C. (Ο Maxim Integrated αποκτήθηκε από αναλογικές συσκευές τον Αύγουστο 2021.) Οι συσκευές μετρούν 2x2x0,75mm και βρίσκονται σε μια λεπτή συσκευασία LGA 10pin (Σχήμα 1). Το ICS λειτουργεί από τάση τροφοδοσίας 1,7V-3,6V και καταναλώνουν λιγότερο από 67ΜΑ σε λειτουργία και 0,5ΜΑ σε κατάσταση αναμονής.
Είναι σημαντικό η θερμοκρασία του αισθητήρα να μην επηρεάζει την ανάγνωση μέτρησης μιας φορετικής συσκευής. Η θερμότητα του αισθητήρα IC, η οποία ταξιδεύει από το PCB μέσω της συσκευασίας, οδηγεί στη μήτρα του αισθητήρα και μπορεί να επηρεάσει την ακρίβεια. Σε έναν αισθητήρα θερμοκρασίας IC, αυτή η θερμότητα διεξάγεται μέσω ενός μεταλλικού θερμικού μαξιλαριού στην κάτω πλευρά της συσκευασίας, με αποτέλεσμα την παρασιτική θέρμανση. Αυτό μπορεί να προκαλέσει θερμική αγωγιμότητα μέσα και έξω από άλλες ακίδες, παρεμβαίνοντας στις μετρήσεις θερμοκρασίας.
Υπάρχουν πολλές τεχνικές για την αντιμετώπιση της παρασιτικής θέρμανσης. Τα λεπτά ίχνη μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ελαχιστοποίηση της θερμικής αγωγιμότητας μακριά από τον αισθητήρα IC. Οι σχεδιαστές μπορούν να μετρήσουν τη θερμοκρασία στην κορυφή της συσκευασίας, όσο το δυνατόν πιο μακριά από τις ακίδες IC, αντί να χρησιμοποιούν το θερμικό μαξιλάρι. Αυτό συμβαίνει για τους ψηφιακούς αισθητήρες θερμοκρασίας Max30208ClB + και άλλων Max30208.
Μια άλλη επιλογή είναι να τοποθετήσετε άλλα ηλεκτρονικά εξαρτήματα όσο το δυνατόν πιο μακριά από το στοιχείο ανίχνευσης, για να ελαχιστοποιήσετε την επίδρασή τους στη μέτρηση της θερμοκρασίας.
Θεραπεία θερμικού σχεδιασμού
Για να εξασφαλιστεί η θερμική απομόνωση από πηγές θερμότητας σε φορητές συσκευές, πρέπει να υπάρχει μια καλή θερμική διαδρομή μεταξύ του στοιχείου ανίχνευσης της θερμοκρασίας και του δέρματος του χρήστη. Η τοποθεσία κάτω από το πακέτο καθιστά δύσκολο για το PCB να δρομολογεί μεταλλικά κομμάτια από το σημείο επαφής με το σώμα.
Το σύστημα πρέπει να σχεδιάζεται έτσι ώστε ο αισθητήρας να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στη θερμοκρασία στόχου που πρέπει να μετρηθεί. Χρησιμοποιώντας τους αισθητήρες Max30208, τα φορητά σχέδια και τα ιατρικά έμπλαστρα μπορούν να χρησιμοποιήσουν εύκαμπτα ή ημι-άκαμπτα PCBs. Οι αισθητήρες ψηφιακής θερμοκρασίας Max30208 μπορούν να συνδεθούν απευθείας σε ένα μικροελεγκτή χρησιμοποιώντας ένα επίπεδο εύκαμπτο καλώδιο ή ένα επίπεδο καλώδιο εκτυπωτή.
Είναι απαραίτητο να τοποθετηθεί ο αισθητήρας θερμοκρασίας IC στην πλευρά Flex του PCB, η οποία μειώνει τη θερμική αντίσταση μεταξύ της επιφάνειας του δέρματος και του αισθητήρα. Οι σχεδιαστές θα πρέπει επίσης να ελαχιστοποιήσουν το πάχος του πλακέτα Flex για αποτελεσματική κάμψη και καλύτερη επαφή.
Οι αισθητήρες θερμοκρασίας Ψηφιακή τυπικά συνδέεται με μικροελεγκτές μέσω μιας σειριακής διεπαφής I2C. Αξιώματος MAX30208CLB +, για παράδειγμα, χρησιμοποιεί ένα 32-λέξη πρώτη στον πρώτο στόχο να δημιουργήσει ένα μητρώο εγκατάστασης αισθητήρα θερμοκρασίας προσφέροντας μέχρι 32 αναγνώσεις θερμοκρασίας, που το καθένα περιλαμβάνει δύο bytes. Αυτό επιτρέπει ένα μικροελεγκτή για ύπνο για μεγάλα χρονικά διαστήματα στην εξουσία Conserve (Σχήμα 2). Οι καταχωρητές μνήμης-χαρτογραφήθηκαν επιτρέπουν επίσης αισθητήρες για την προσφορά υψηλό και χαμηλό όριο συναγερμού ψηφιακή θερμοκρασία.
Ένας πείρος εισόδου / εξόδου γενικού σκοπού μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να προκαλέσει μια μετατροπή θερμοκρασίας και μια άλλη διαμορφωμένη να παράγει μια διακοπή για επιλέξιμο bits κατάστασης.
βαθμονόμησης Εργοστάσιο
Πολλοί αισθητήρες ψηφιακή θερμοκρασία είναι εργοστασιακά βαθμονομημένη, εξαλείφοντας την ανάγκη για εκ νέου βαθμονόμηση μία φορά το χρόνο, όπως συμβαίνει για πολλούς αισθητήρες θερμοκρασίας κληρονομιά. Αυτό παρακάμπτει την ανάγκη για την ανάπτυξη λογισμικού για να γραμμικοποιηθεί την έξοδο, καθώς και προσομοίωση και να τελειοποιήσουν το κύκλωμα. Επιπλέον, εξαλείφει την ανάγκη για πολλαπλές εξαρτήματα ακριβείας και ελαχιστοποιεί τον κίνδυνο της αναντιστοιχίας αντίστασης.
Η οικογένεια AS621x των αισθητήρων θερμοκρασίας από AMS είναι βαθμονομημένο εργοστάσιο και έχει ενσωματωμένο γραμμικοποίησης (Σχήμα 3). Έχει, επίσης, οκτώ διευθύνσεις I2C για την παρακολούθηση της θερμοκρασίας σε οκτώ δυνητικούς hot spots μέσω ενός και μόνο το λεωφορείο. Η σειριακή διασύνδεση και πολλαπλές διευθύνσεις I2C κάνουν προτυποποίηση και να σχεδιάσουν την επαλήθευση ευκολότερη.
Εκδόσεις ακρίβεια έως ± 0,2 ° C, ± 0,4 ° C και ± 0.8 ° C είναι διαθέσιμα. Για συστήματα παρακολούθησης που αφορούν την υγεία, την ακρίβεια εντός ± 0.2 ° C είναι επαρκής (η AS6212-AWLT-L). Όλες οι συσκευές AS621x έχουν ανάλυση 16bit να ανιχνεύει μικρές μεταβολές σε θερμοκρασία πάνω από την -40 ° C έως + 125 ° C εύρος λειτουργίας.
Η AS621x μετρά 1.5mm2 και έρχεται σε ένα chip πακέτο κλίμακα επίπεδο πλακιδίων. τάση τροφοδοσίας είναι 1.71V με την κατανάλωση 6μA κατά τη λειτουργία και 0.1μA σε κατάσταση αναμονής, καθιστώντας το AS6212-AWLT-L ιδιαίτερα κατάλληλη για εφαρμογές που τροφοδοτείται από μπαταρία.
αισθητήρες θερμοκρασίας Contactless
Υπέρυθρα θερμόμετρα εκτελέσει μετρήσεις θερμοκρασίας χωρίς επαφή της θερμοκρασίας περιβάλλοντος και της θερμοκρασίας ενός αντικειμένου.
Τέτοια θερμόμετρα ανιχνεύσει οποιαδήποτε ενέργεια άνω των 0 Kelvin (απόλυτο μηδέν) που εκπέμπεται από ένα αντικείμενο μπροστά μέρος της συσκευής. Ο ανιχνευτής μετατρέπει την ενέργεια σε ηλεκτρικό σήμα και το μεταδίδει σε έναν επεξεργαστή να ερμηνεύσει και να εμφανίσει τα δεδομένα μετά από αντιστάθμιση των διακυμάνσεων που προκαλούνται από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος.
Ένα παράδειγμα είναι η υπέρυθρη θερμόμετρο MLX90614ESF-BCH-000-TU από MELEXIS. Περιλαμβάνει ένα υπέρυθρο ανιχνευτή τσιπ θερμοστήλη και ένα τσιπ κλιματισμού σήμα ενσωματωθούν σε ένα πακέτο TO-39 (Σχήμα 4). Υπάρχει επίσης ένα ενισχυτή χαμηλού θορύβου, 17-bit μετατροπέα αναλογικού προς ψηφιακό και ο επεξεργαστής ψηφιακού σήματος για την ακρίβεια και ανάλυση.
Οι υπέρυθρες θερμόμετρα είναι εργοστάσιο βαθμονομείται για μία περιοχή θερμοκρασιών από -40 ° C έως 85 ° C (περιβάλλοντος) και -70 ° C έως 382,2 ° C για θερμοκρασία αντικειμένου. Τυπική ακρίβεια είναι 0,5 ° C σε θερμοκρασία δωματίου.
Ο αισθητήρας είναι εργοστάσιο βαθμονομηθεί με μια ψηφιακή έξοδο SMBus και έχει ανάλυση 0,02 ° C. Εναλλακτικά, οι σχεδιαστές να ρυθμίσετε το 10bit Πλάτους Παλμού (PWM) ψηφιακή έξοδο με ανάλυση 0,14 ° C.
υποστήριξη της ανάπτυξης
Οι αισθητήρες MAX30208 που υποστηρίζονται από το σύστημα # αξιολόγησης MAX30208EVSYS, η οποία περιλαμβάνει ένα flex PCB για να κρατήσει τη θερμοκρασία MAX30208 αισθητήρα IC (Σχήμα 5). Η πλακέτα MAX32630FTHR μικροελεγκτή και η πλακέτα διεπαφής MAX30208 συνδέονται μέσω κεφαλίδες. Το υλικό αξιολόγηση μπορεί να συνδεθεί με έναν υπολογιστή χρησιμοποιώντας το παρεχόμενο καλώδιο USB. Το σύστημα τότε θα εγκαταστήσει αυτόματα τα απαραίτητα προγράμματα οδήγησης συσκευών είναι έτοιμη για το λογισμικό πακέτο EV για να κατεβάσετε.
Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας του σώματος σε πολλαπλές θέσεις, MAX30208 ICs θερμοκρασίας μπορεί να συνδεθεί μέσω διευθύνσεις I2C σε διάταξη μαργαρίτας αλυσίδας σε ένα μόνο μπαταρία και υποδοχής μικροελεγκτή. Κάθε αισθητήρας θερμοκρασίας που ρωτήθηκαν από το μικροελεγκτή τακτικά για να δημιουργήσετε ένα προφίλ και των δύο θερμοκρασίας τοπικών και ολόκληρο το σώμα.
Οι προγραμματιστές μπορούν να χρησιμοποιήσουν την πλακέτα κλικ Mikroe-1362 Irthermo από το Mikroelektronika για χρήση με τον αισθητήρα υπερύθρων MLX90614.Αυτό συνδέει τη μονάδα θερμόμετρου μονής ζώνης μονής ζώνης MLX90614ESF-AAA με την πλακέτα μικροελεγκτών μέσω της γραμμής Mikrobus I2C ή της γραμμής PWM (Εικόνα 6).
Η πλακέτα 5V βαθμονομείται για -40 ° C έως 85 ° C θερμοκρασία περιβάλλοντος και -70 ° C έως + 380 ° C σειρές θερμοκρασίας αντικειμένων.
