如何在健康监测可穿戴设备中使用高精度数字温度传感器

作者：Jeff Shepard

精确数字温度测量在各种应用中非常重要，具体应用如可穿戴设备、医疗监测设备、健康和健身追踪器、冷链和环境监测以及工业计算系统。虽然应用广泛，但高精度数字温度测量的实现经常涉及温度传感器的校准或线性化，并需要更高的功耗，这对具有多种采集模式的紧凑型超低功耗应用来说是个问题。设计方面的挑战也会迅速增加，造成成本超支和进度延迟。

让问题复杂化的是，有些应用涉及多个温度传感器共享一条通信总线。此外，一些生产测试装置需要根据美国国家标准与技术研究所 (NIST) 进行校准，而验证设备又需要由 ISO/IEC-17025 认可的实验室进行校准。忽然间，是不是看似简单的功能变得既令人生畏又代价高昂。

本文简要介绍了移动和电池供电型健康监测应用中对高精度温度测量的要求。然后，它介绍了 ams OSRAM 的一种低功耗、高精度数字温度传感器 IC，它不需要校准或线性化。文章最后提供了一些集成建议、一块评估板和一个带有蓝牙功能的演示套件，配套有 APP，可以修改传感器设置并观察对功耗的影响。

高精度温度监测的要求

在健康监测应用中，精度是必须的。在制造过程中，数字温度传感器在性能上会出现部件间差异，这需要加以解决。厂家进行内部校准很昂贵，而且使用未经校准的传感器会增加实现所需精度的成本，因此设计者应该考虑使用经过完全校准和线性化的传感器。当然，重要的是要确保传感器制造商使用可按照 NIST 标准进行追溯的校准仪器。使用校准可追溯的仪器可以确保设备按照基本 NIST 标准进行闭链管理，链条中每个环节的不确定性都会被识别和记录下来，从而在设备制造商的质量保证体系中加以解决。

测试和校准实验室的主要标准是 ISO/IEC 17025“关于测试和校准实验室能力的一般要求”。ISO/IEC 17025 基于专门针对校准和测试实验室的技术原则，用于其认证，并为制定持续改进计划提供基础。

支持 NIST 可追溯生产测试的数字温度传感器

为了满足许多设计和认证要求，设计人员可以使用 ams OSRAM 的 AS6211 数字温度传感器，该传感器的精度达 ±0.09°C，并且无需校准或线性化。AS6211 旨在用于医疗保健设备、可穿戴设备和其他需要高性能热信息的应用，其生产测试是由获得 ISO/IEC-17025 认可的实验室根据 NIST 标准进行校准的。经过校准的生产测试加快了获得欧盟对医用温度计要求的 EN 12470-3 认证的进度。

AS6211 是一个完整的数字温度传感器，采用六引脚、1.5 x 1.0 毫米 (mm) 的晶圆级芯片尺寸封装 (WLCSP)，可随时用于系统集成。以可订购零件编号 AS6221-AWLT-S 为例，它以 500 片为一卷的卷带方式提供。AS6211 的测量是通过标准 I2C 接口进行的，支持 8 个 I2C 地址，从而消除了多传感器设计中总线冲突的担忧。

高精度加低功率

AS6221 在 1.71 至 3.6 伏直流电压全范围内提供高精度和低功耗，这对于由单电池供电的应用特别重要。它包括一个敏感而精确的硅 (Si) 带隙温度传感器，一个模数转换器，以及一个带有相关寄存器和控制逻辑的数字信号处理器。集成的警报功能可以在一个特定的温度阈值上触发中断，这个阈值是通过设置一个寄存器值来编程的。

AS6221 在进行每秒四次测量时，消耗为 6 微安 (μA)，在待机模式下，功耗仅为 0.1 μA。使用集成报警功能时，只有在达到温度阈值时才唤醒应用处理器，可以进一步降低系统功耗。

可穿戴设备集成选择

在可穿戴应用中，传感器和皮肤之间的热连接越好，温度测量就越准确。设计人员有几种选择来优化热连接。一种方法是在皮肤和传感器之间放一个导热接片（图 1）。为了获得可靠的结果，导热接片需要与任何外部热源（如设备外壳）隔离，在导热接片和 AS6211 之间应使用热敏膏或粘合剂。这种方法的好处是使用柔性印刷电路板 (PCB) 来承载 AS6221，让传感器的定位更加自由。

图 1：柔性 PCB 和热敏胶可在皮肤和传感器之间用于提供低热阻路径。（图片来源：ams OSRAM）

在受益于将传感器放在主 PCB 上的设计中，可以使用接触弹簧或导热垫进行热连接。如果传感器安装在 PCB 的底部，可以用一个接触弹簧在接片和 PCB 上与传感器相连的热过孔之间建立热连接（图 2）。这种方法可以实现一个高性价比器件，支持更远的传感器与皮肤距离，但它需要仔细考虑多种热界面形式，才能实现高水平的灵敏度。

图 2：当传感器安装在 PCB 的底部时，可以使用热过孔和接触弹簧来连接到接片。（图片来源：ams OSRAM）

第三种选择是使用导热垫将接片连接到安装在 PCB 顶部的传感器上（图 3）。与使用弹簧触头或柔性 PCB 相比，这种方法需要一个具有高导热性的垫子和细致的机械设计，以确保接片和传感器之间的热阻最小。这可以实现更简单的装配，同时仍然提供高水平的性能。

图 3：导热垫可以将顶部安装的传感器连接到接片。这提供了更简单的组装方式，同时仍保持了高性能。（图片来源：ams OSRAM）

改善热响应时间

为了获得快速的热响应时间，重要的是尽量减少对测量的外部影响，特别是直接与传感器相邻的 PCB 部分。有两个可行的设计建议，一是使用切口来尽量减少 PCB 顶部传感器附近的任何铜平面（图 4，顶部），并通过使用传感器下面的切口区域来减少 PCB 底部的热负荷，以减少 PCB 的整体质量（图 4，底部）。

图 4：PCB 顶部和底部的切口可以最大限度地减少传感器周围的 PCB 质量，并提高其响应时间。（图片来源：ams OSRAM）

除了最大程度减少 PCB 影响外，其他有助于提高测量速度和性能的技术包括：

· 最大限度地扩大与皮肤的接触面积，以增加传感器的可用热量。
· 使用薄铜印制线，尽量减少电源和地平面的尺寸。
· 使用尽可能小的电池和其他部件，如显示器，以实现设备性能要求。
· 设计封装将 PCB 上的传感器与周围的元件和外部环境进行热隔离。

环境温度检测

在使用多个温度传感器时，还需要考虑其他因素，例如在同时使用皮肤温度和周围环境温度的设计中。每次测量都应使用单独的传感器。器件的热设计应使两个传感器之间的热阻最大化（图 5）。较高中间热阻在传感器之间提供了更好的隔离，确保测量不会相互干扰。器件封装应使用具有低导热性的材料制作，并在两个传感器部分之间插入热隔离栅。

图 5：为了准确检测环境温度，皮肤和环境温度传感器之间应该有很高的热阻。（图片来源：ams OSRAM）

评估套件促进了 AS6221 的开发

为了加快应用开发和上市速度，ams OSRAM 为设计人员提供了评估套件和演示套件。AS62xx 评估套件可用于快速设置 AS6221 数字温度传感器，实现对其能力的快速评估。这个评估套件直接连接到一个外部微控制器 (MCU)，可以用来访问温度测量值。

图 6：AS62xx 评估套件可用于设置和评估 AS6221。（图片来源：ams OSRAM）

用于 AS6221 的演示套件

一旦完成基本评估，设计人员就可以使用 AS6221演示套件作为应用开发平台。该演示套件包括一个 AS6221 温度按钮和一个 CR2023 纽扣电池。从 App Store 或 Google Play Store 下载配套的 APP，支持一次连接多达三个传感器按钮（图 7）。该 APP 通过蓝牙与传感器按钮进行通信，使得修改所有传感器设置成为可能（包括测量频率），并可以观察对耗电量的影响。该 APP 可以记录测量序列，从而能够对各种温度传感器设置的性能进行比较。设计人员还可以使用演示套件来试验警报模式，了解如何利用它来提高解决方案的性能。

图 7：AS6221 演示套件可作为 AS6221 的温度传感器应用开发平台。（图片来源：ams OSRAM）

结语

医疗保健、健身和其他可穿戴设备设计高精度的数字温度传感系统是一个复杂的过程，涉及设计、测试和认证方方面面。为了简化流程，降低成本，并更快地进入市场，设计者可以使用高度集成的低功耗、高精度传感器。

如上所述，AS6221 就是这样一个器件。它不需要校准或线性化，生产测试设备由 ISO/IEC-17025 认可的实验室按照 NIST 标准进行了校准，加快了医疗设备的设计和审批过程。