W jaki sposób osiągnąć dokładność temperatury klasy klinicznej

W następstwie globalnego kryzysu związanego z COVID-19, od projektantów przenośnych i ubieralnych urządzeń przeznaczonych do pomiaru temperatury odczekuje się urządzeń o coraz mniejszych rozmiarach, kosztach i zużyciu energii, a jednocześnie poprawy dokładności, czułości i niezawodności. Aby sprostać temu wyzwaniu, czujniki muszą nie tylko charakteryzować się coraz lepszymi parametrami, ale również ogólną łatwością użycia, upraszczającą proces projektowania i integracji.

Niniejszy artykuł omawia podstawowe typy czujników temperatury, a następnie koncentruje się na cyfrowych czujnikach scalonych oraz kluczowych cechach, na które projektanci powinni zwracać uwagę. Przedstawione zostaną przykładowe cyfrowe czujniki temperatury firm ams oraz Maxim Integrated, a także termometry na podczerwień firmy Melexis Technologies NV, jako przykład bezdotykowego pomiaru temperatury. Urządzenia te zostaną również omówione pod kątem spełnienia wymogów stawianych przez systemy następnej generacji, a także opiszemy powiązane z nimi zestawy sond i płytek ewaluacyjnych oraz sposób ich użycia przez projektantów.

Wybór czujników temperatury

Projektanci mogą wybierać spośród czterech głównych typów urządzeń pomiarowych temperatury, takich jak termopary, rezystancyjne czujniki temperatury (RTD), termistory oraz scalone czujniki temperatury. Te ostatnie szczególnie dobrze nadają się do kontaktowych zastosowań medycznych i zdrowotnych. Głównie dlatego, że nie wymagają linearyzacji, są odporne na zakłócenia i stosunkowo łatwe do zintegrowania w przenośnych i ubieralnych urządzeniach medycznych. Do pomiarów bezdotykowych można zastosować termometry na podczerwień.

Rozmiary, zużycie mocy i czułość termiczna to szczególnie istotne parametry, które muszą zostać uwzględnione przez projektantów urządzeń ubieralnych - zarówno naręcznych, jak i stanowiących część ubrania, a także w postaci plastrów medycznych. Czułość jest istotna, ponieważ w projektach wymagających dokładności klasy klinicznej, nawet moc stanów nieustalonych rzędu mikrowatów (µW) może powodować nagrzewanie czujnika i niedokładność odczytów. Innym zagadnieniem jest rodzaj interfejsu (cyfrowy lub analogowy), ponieważ określa on wymagania w odniesieniu do współpracujących komponentów, np. mikrokontrolerów.

W jaki sposób osiągnąć dokładność klasy klinicznej

Spełnienie wymogów dokładności klasy klinicznej według normy ASTM E112 rozpoczyna się od doboru odpowiedniego czujnika. Cyfrowe czujniki temperatury MAX30208 firmy Maxim Integrated oferują na przykład dokładność ±0,1°C w zakresie od +30°C do +50°C oraz dokładność ±0,15°C w zakresie od 0°C do +70°C. Urządzenie posiada 10-wtykową obudowę LGA o wymiarach 2 x 2 x 0,75mm (ilustracja 1). Te układy scalone działają przy napięciu zasilania od 1,7 do 3,6V i zużywają mniej niż 67µA podczas pracy oraz 0,5µA w trybie pogotowia.

Jak wspomniano wcześniej, najistotniejszym wyzwaniem podczas projektowania zgodnie z wymaganiami dokładności klasy klinicznej jest zapewnienie, że temperatura własna czujnika nie wpływa na odczyt pomiaru urządzenia ubieralnego.

Ciepło działające na czujnik scalony, które przepływa z płytki drukowanej przez odprowadzenia obudowy do mikrostruktury czujnika, może wpływać na dokładność odczytów temperatury. W scalonych czujnikach temperatury ciepło to jest przewodzone przez metalowe pole termiczne na spodzie obudowy, co skutkuje nagrzewaniem pasożytniczym. To z kolei może powodować przewodzenie cieplne na innych wtykach. W nieuchronny sposób zakłóca to pomiary temperatury.

Aby zniwelować nagrzewanie pasożytnicze, projektanci mogą stosować szereg technik, poczynając od użycia cienkich ścieżek w celu zminimalizowania przewodzenia ciepła od czujnika scalonego. Ponadto, zamiast wykorzystywać pole termiczne na spodzie obudowy, projektanci mogą mierzyć temperaturę w górnej części obudowy, możliwie daleko od wtyków układu scalonego. W przypadku układu MAX30208CLB+ i innych cyfrowych czujników temperatury MAX30208, temperatura jest mierzona w górnej części obudowy.

Inną techniką zapobiegającą wpływowi na pomiar temperatury jest umieszczenie wszystkich innych komponentów elektronicznych mogących dostarczać ciepło do układu pomiaru temperatury możliwie daleko od elementu czujnikowego.