W jaki sposób osiągnąć dokładność temperatury klasy klinicznej

Zagadnienia projektowe dotyczące interakcji użytkownika z systemem

Projektanci muszą z jednej strony zapewnić izolację od źródeł ciepła, a jednocześnie zagwarantować dobre przewodzenie ciepła pomiędzy elementem mierzącym temperaturę i skórą użytkownika. Umiejscowienie na spodzie obudowy sprawia problemy w poprowadzeniu szyn metalowych po płytce drukowanej do miejsca kontaktu z ciałem.

Dlatego przede wszystkim system należy zaprojektować tak, aby czujnik znajdował się możliwie blisko miejsca docelowego pomiaru temperatury. Po drugie, czujniki MAX30208 pozwalają na stosowanie elastycznych lub częściowo sztywnych płytek drukowanych w projektach urządzeń ubieralnych i plastrów medycznych. Cyfrowe czujniki temperatury MAX30208 można podłączać bezpośrednio do mikrokontrolerów za pomocą płaskich kabli elastycznych (FFC) lub płaskich kabli drukowanych (FPC).

W przypadku korzystania z tych kabli konieczne jest umieszczenie scalonego czujnika temperatury po elastycznej stronie płytki drukowanej, co zmniejsza opór cieplny pomiędzy powierzchnią skóry i czujnikiem. Ponadto projektanci powinni stosować możliwie cienkie płytki elastyczne, ponieważ zapewnia to lepszą elastyczność i lepszy kontakt.

Cyfrowe czujniki temperatury zwykle łączą się z mikrokontrolerami za pośrednictwem interfejsu szeregowego I2C. Taka sytuacja ma miejsce w przypadku układu MAX30208CLB+ firmy Maxim, wykorzystującego również bufor FIFO danych temperatury, który pozwala na długie okresy uśpienia mikrokontrolera i oszczędzanie energii.

Ilustracja 2: Cyfrowe czujniki temperatury MAX30208 przeznaczone są do termometrów medycznych i ubieralnych monitorów temperatury ciała. (Źródło ilustracji: © Maxim Integrated)

Cyfrowy czujnik temperatury MAX30208CLB+ wykorzystuje bufor FIFO o pojemności 32 słów, tworzący rejestr maksymalnie 32 odczytów temperatury o wielkości dwóch bajtów każdy. Rejestry zmapowanej pamięci pozwalają również na implementację alarmów wysokiej i niskiej wartości progowej temperatury. Występują również dwa wtyki wejścia-wyjścia ogólnego przeznaczenia (GPIO): GPIO1 może służyć do aktywowania przeliczania temperatury, natomiast GPIO0 może być skonfigurowany do generowania przerwań dla wybieranych bitów statusu.

Skalibrowane fabrycznie czujniki temperatury

Wiele współczesnych cyfrowych czujników temperatury jest fabrycznie kalibrowanych, co eliminuje konieczność kalibracji w miejscu instalacji oraz ponownej kalibracji raz w roku, co było konieczne w czujnikach temperatury starszego typu. Ponadto dzięki kalibracji fabrycznej nie ma konieczności opracowywania oprogramowania do linearyzacji sygnału wyjściowego oraz symulacji i strojenia obwodu. Eliminuje ona również potrzebę stosowania wielu precyzyjnych komponentów i minimalizuje ryzyko braku dopasowania impedancyjnego.

Na przykład grupa czujników temperatury AS621x firmy ams jest skalibrowana fabrycznie i posiada zintegrowaną linearyzację (ilustracja 3). Posiada ona również osiem adresów I2C, które pozwalają projektantom monitorować temperaturę w ośmiu różnych punktach z wykorzystaniem jednej magistrali.

Ilustracja 3: Czujniki AS621x stanowią kompletny cyfrowy system pomiaru temperatury z kalibracją fabryczną. (Źródło ilustracji: © ams)

Interfejs szeregowy z ośmioma adresami I2C ułatwia również prototypowanie i weryfikację projektów przez projektantów systemów monitorowania stanu zdrowia.

Aby ułatwić dobór czujnika do wymogów konkretnego zastosowania, czujniki AS621x są dostępne w trzech wersjach dokładności: ±0,2°C, ±0,4°C oraz ±0,8°C. Układ AS6212-AWLT-L o dokładności ±0,2°C jest odpowiedni do zastosowań w systemach monitorowania stanu zdrowia. Wszystkie urządzenia AS621x posiadają rozdzielczość 16 bitów, która zapewnia wykrywanie niewielkich zmian temperatury w pełnym zakresie temperatur roboczych od -40°C do +125°C.

Układ AS621x ma powierzchnię 1,5mm2 i zamknięty jest w obudowie WLCSP (Wafer-Level Chip-Scale Package), co ułatwia jego integrację w urządzeniach medycznych. Działa on przy napięciu zasilania 1,71V i zużywa 6µA podczas pracy oraz 0,1µA w trybie pogotowia. Dzięki miniaturowym rozmiarom i niskiemu zużyciu energii, czujniki temperatury AS6212-AWLT-L szczególnie dobrze nadają się do stosowania w urządzeniach ubieralnych i mobilnych zasilanych z baterii.