Huipputarkkojen digitaalisten lämpötila-antureiden käyttö terveysseurantaan tarkoitetuissa puettavissa laitteissa

Tarkat digitaaliset lämpötilamittaukset ovat tärkeitä monenlaisissa sovelluksissa, kuten puettavissa laitteissa, lääketieteellisissä valvontalaitteissa, terveys- ja aktiivisuusrannekkeissa, kylmäketju- ja ympäristömonitoroinnissa sekä teollisissa laskentajärjestelmissä. Vaikka niitä käytetään laajalti, erittäin tarkkojen digitaalisten lämpötilamittausten toteuttaminen edellyttää usein lämpötila-anturin kalibrointia tai linearisointia. Se myös tarkoittaa suurempaa virrankulutusta, mikä voi olla ongelma pienikokoisissa, erittäin pienitehoisissa sovelluksissa, jotka tarjoavat useita mittaustoimintatiloja. Suunnitteluhaasteet voivat kasvaa nopeasti ja aiheuttaa kustannusten ylityksiä ja aikataulujen viivästymistä.

Asiaa mutkistaa se, että joissakin sovelluksissa useat lämpötila-anturit käyttävät samaa tietoliikenneväylää. Lisäksi jotkin tuotannon testauslaitteet on kalibroitava Yhdysvaltain National Institute of Standards and Technologyn (NIST) mukaisesti, kun taas verifiointilaitteet on kalibroitava ISO/IEC-17025-akkreditoidussa laboratoriossa. Suoraviivaiselta vaikuttanut tehtävä muuttuu yhtäkkiä sekä haastavaksi että kalliiksi.

Tässä artikkelissa kuvataan lyhyesti erittäin tarkkoja lämpötilamittauksia koskevia vaatimuksia langattomissa ja paristokäyttöisissä terveydenseurantasovelluksissa. Sen jälkeen siinä esitellään valmistajan ams OSRAM pienitehoinen ja huipputarkka digitaalinen lämpötila-anturimikropiiri, joka ei vaadi kalibrointia eikä linearisointia. Lopuksi artikkelissa esitellään integrointisuosituksia, evaluointikortti ja Bluetooth-yhteensopiva esittelysarja ja sen kumppanisovellus, jonka avulla voidaan muuttaa anturiasetuksia ja tarkkailla niiden vaikutusta virrankulutukseen.

Erittäin tarkan lämpötilanvalvonnan vaatimukset

Tarkkuus on välttämätöntä terveysseurantasovelluksissa. Kun digitaalisia lämpötila-antureita valmistetaan, niiden osakohtainen suorituskyky vaihtelee. Tämä on otettava huomioon. Koska sisäinen kalibrointi on kallista ja kalibroimattomien antureiden käyttö lisää halutun tarkkuuden saavuttamisen kustannuksia, suunnittelijoiden tulisi harkita täysin kalibroituja ja linearisoituja antureita. On kuitenkin tärkeää varmistaa, että anturivalmistaja käyttää NIST-standardien mukaisesti jäljitettäviä kalibrointilaitteita. Jäljitettävien kalibrointilaitteiden käyttö takaa katkeamattoman ketjun aina NIST-perusstandardeihin saakka. Ketjun jokaisen lenkin tekijät tunnistetaan ja dokumentoidaan, jotta ne voidaan ottaa huomioon laitteen valmistajan laadunvarmistusjärjestelmässä.

Tärkein testaus- ja kalibrointilaboratorioita koskeva standardi on ISO/IEC 17025 ”Testaus- ja kalibrointilaboratorioiden pätevyys. Yleiset vaatimukset”. ISO/IEC 17025 perustuu teknisiin periaatteisiin, jotka on suunnattu erityisesti kalibrointi- ja testauslaboratorioita varten. Standardia käytetään niiden akkreditoinnissa, ja se tarjoaa perustan, jonka mukaan voidaan kehittää jatkuvan parantamisen suunnitelmia.

Digitaalinen lämpötila-anturi NIST-jäljitettävällä tuotantotestauksella

Suunnittelijat voivat täyttää lukuisat suunnittelu- ja sertifiointivaatimukset käyttämällä ams OSRAMin digitaalista lämpötila-anturia AS6211, joka tarjoaa jopa ±0,09 °C:n tarkkuuden eikä vaadi kalibrointia tai linearisointia. AS6211 on suunniteltu terveydenhuoltolaitteisiin, puettaviin laitteisiin ja muihin sovelluksiin, jotka vaativat huipputehokasta lämpöinformaatiota. AS6211-anturin tuotantotestit kalibroidaan ISO/IEC-17025-akkreditoidussa laboratoriossa NIST-standardien mukaisesti. Kalibroitu tuotantotestaus nopeuttaa sertifiointia EN 12470-3 -standardin mukaisesti, joka vaaditaan lääketieteellisiltä lämpömittareilta Euroopan unionissa.

AS6211 on digitaalinen lämpötila-anturi kuusinapaisessa, 1,5 x 1,0 millimetrin (mm) kokoisessa WLCSP (Wafer Level Chip Scale Package) -kotelossa valmiina integroitavaksi järjestelmään. Tuotetta voidaan tilata esimerkiksi osanumerolla AS6221-AWLT-S, joka toimitetaan 500 kappaleen erissä nauhalla ja kelalla. AS6211-anturin mittaustiedot lähetetään I²C-perusliitännän kautta, ja se tukee kahdeksaa I²C-osoitetta, joten usean anturin ratkaisuissa voidaan välttää väyläristiriidat.

Korkea tarkkuus ja pieni virrankulutus

AS6221 tarjoaa huipputarkkuuden alhaisella virrankulutuksella koko syöttöjännitealueella 1,71–3,6 voltin tasavirralla, mikä on erityisen tärkeää sovelluksissa, joissa virtalähteenä käytetään yhtä ainutta paristokennoa. Se sisältää herkän ja tarkan piilämpötila-anturin (Si) kaistaerolla, analogia-digitaalimuuntimen ja digitaalisen signaaliprosessorin sekä siihen liittyvät rekisterit ja ohjauslogiikan. Integroitu hälytystoiminto voi laukaista keskeytyksen tietyssä lämpötilakynnyksessä, joka ohjelmoidaan asettamalla rekisteriarvo.

AS6221 kuluttaa 6 mikroampeeria (µA) suorittaessaan neljä mittausta sekunnissa, ja valmiustilassa virrankulutus on vain 0,1 µA. Järjestelmän virrankulutusta voidaan vähentää entisestään integroidulla hälytystoiminnolla, joka herättää sovellusprosessorin vasta silloin, kun lämpötilan kynnysarvo saavutetaan.

Puettavien laitteiden integrointivaihtoehdot

Mitä parempi anturin ja ihon välinen lämpöyhteys on puettavissa sovelluksissa, sitä tarkempi lämpötilan mittaus on. Suunnittelijoilla on useita vaihtoehtoja lämpöyhteyden optimointiin. Yksi tapa on asettaa lämpöä johtava tappi ihon ja anturin väliin (kuva 1). Luotettavien tulosten saamiseksi tappi on erotettava kaikista ulkoisista lämpöenergian lähteistä, kuten laitteen kotelosta, ja tapin ja AS6211-anturin välissä on käytettävä lämpötahnaa tai -liimaa. Tämä lähestymistavan etuna on, että AS6221 voidaan sijoittaa joustavalle piirilevylle, jolloin myös anturin sijoitus on joustavampi.

Kuva 1: Joustavan piirilevyn ja lämpöliiman avulla voidaan luoda alhaisen lämpöimpedanssin reitti ihon ja anturin välille. (Kuvan lähde: ams OSRAM)

Ratkaisuissa, joissa anturi kannattaa sijoittaa pääpiirilevylle, lämpöyhteys voidaan luoda kosketinjousen tai lämmönjohtoalustan avulla. Jos anturi on asennettu piirilevyn alapuolelle, kosketinnastan ja piirilevyllä anturin kanssa kosketuksissa olevien lämpöläpivientien välinen lämpöyhteys voidaan luoda kosketinjousella (kuva 2). Tällä lähestymistavalla voidaan saada aikaan kustannustehokas laite, joka mahdollistaa pidemmät etäisyydet anturin ja ihon välillä. Se kuitenkin edellyttää useiden lämpörajapintojen huolellista suunnittelua korkean herkkyystason saavuttamiseksi.

Kuva 2: Kun anturi on asennettu piirilevyn alapuolelle, yhteys kosketinnastan voidaan luoda lämpöläpivientien ja kosketinjousen kautta. (Kuvan lähde: ams OSRAM)

Kolmas vaihtoehto on käyttää lämpöalustaa, jonka avulla kosketinnasta yhdistetään piirilevyn päälle asennettuun anturiin (kuva 3). Jousikoskettimeen tai joustavaan piirilevyyn verrattuna tämä lähestymistapa edellyttää alustaa, jolla on korkea lämmönjohtavuus, sekä huolellista mekaanista suunnittelua, jotta varmistetaan minimaalinen lämpöimpedanssi kosketinnastan ja anturin välillä. Näin voidaan saavuttaa yksinkertaisempi kokoonpano, mutta silti korkea suorituskyky.

Kuva 3: Lämpöalusta yhdistää piirilevyn päälle asennetun anturin kosketinnastaan. Tämä yksinkertaistaa asennusta ja takaa silti korkean suorituskyvyn. (Kuvan lähde: ams OSRAM)

Termisen vasteajan parantaminen

Nopeiden termisten vasteaikojen saavuttamiseksi on tärkeää minimoida mittaukseen kohdistuvat ulkoiset tekijät – erityisesti anturin välittömässä läheisyydessä olevan piirilevyalueen vaikutus. Kaksi käyttökelpoista ehdotusta on joko käyttää aukkoja kuparitasojen minimointiin anturin lähellä piirilevyn pinnalla (kuva 4, ylhäällä) tai vähentää piirilevyn alapuolelta tulevaa lämpökuormitusta käyttämällä aukko-aluetta anturin alapuolella piirilevyn kokonaismassan pienentämiseen (kuva 4, alhaalla).

Kuva 4: Piirilevyn ylä- ja alapuolen aukoilla voidaan minimoida piirilevyn massa anturin ympärillä ja parantaa sen vasteaikaa. (Kuvan lähde: ams OSRAM)

Piirilevyn vaikutusten minimoinnin lisäksi on myös muita tekniikoita, joiden avulla voidaan parantaa mittausnopeutta ja -tehokkuutta:

• ihon kosketuspinta-alan maksimointi lisää anturin saatavilla olevaa lämpöä
• ohuiden kuparijohtimien käyttö sekä virta- ja maatasojen koon minimointi
• mahdollisimman pienien paristojen ja muiden komponenttien, kuten näyttöjen, käyttö laitteen suorituskykyvaatimusten täyttämiseksi
• kotelon suunnittelu niin, että anturi eristetään piirilevyllä termisesti sitä ympäröivistä komponenteista ja ulkoympäristöstä.

Ympäristölämpötilan mittaus

Enemmän seikkoja on otettava huomioon käytettäessä useita lämpötila-antureita. Esimerkkejä tällaisesta ovat ratkaisut, joilla mitataan sekä ihon lämpötilaa että ympäristön lämpötilaa. Jokaiseen mittaukseen on käytettävä erillistä anturia. Kahden anturin välinen lämpöimpedanssi tulisi maksimoida laitteen lämpösuunnittelussa (kuva 5). Korkeampi antureiden välinen terminen impedanssi takaa paremman antureiden välisen erotuksen ja varmistaa, että mittaukset eivät häiritse toisiaan. Laitteen kotelo on valmistettava materiaaleista, joilla on alhainen lämmönjohtavuus, ja kahden anturiosuuden välille tulee lisätä lämmöneristyssuojus.

Kuva 5: Iho- ja ympäristölämpötila-anturien välille tarvitaan korkea lämpöresistanssi, jotta ympäristön lämpötila voitaisiin mitata tarkasti. (Kuvan lähde: ams OSRAM)

Evaluointisarja nopeuttaa AS221-kehitystä

ams OSRAM tarjoaa suunnittelijoille sekä evaluointisarjan että esittelysarjan sovelluskehityksen ja markkinoilletuonnin nopeuttamiseksi. AS62xx-evaluointisarjan avulla AS6221-digitaalilämpötila-anturi voidaan ottaa käyttöön ja sen ominaisuudet voidaan evaluoida nopeasti. Tämä evaluointisarja kytketään suoraan ulkoiseen mikrokontrolleriin (MCU), jota voidaan käyttää lämpötilamittauksien lukemiseen.

Kuva 6: AS6221-lämpötila-anturi voidaan ottaa käyttöön ja evaluoida nopeasti AS62xx-evaluointisarjan avulla. (Kuvan lähde: ams OSRAM)

AS6221:n esittelysarja

Kun perusevaluointi on suoritettu, suunnittelijat voivat käyttää AS6221-esittelysarjaa sovelluskehitysalustana. Esittelysarja sisältää AS6221-lämpötilapainikkeen ja CR2023-nappipariston. Kumppanisovelluksen lataaminen App Storesta tai Google Play Storesta tukee yhteyden muodostamista jopa kolmeen anturipainikkeeseen kerrallaan (kuva 7). Sovellus kommunikoi anturipainikkeiden kanssa Bluetoothin välityksellä, jolloin on mahdollista muuttaa kaikkia anturin asetuksia, kuten mittaustaajuutta, ja tarkkailla niiden vaikutusta virrankulutukseen. Sovellus voi tallentaa mittaussekvenssejä, mikä mahdollistaa eri lämpötila-anturiasetusten suorituskyvyn vertailun. Suunnittelijat voivat käyttää esittelysarjaa myös hälytystilan kokeilemiseen ja tutustua siihen, miten sen avulla voidaan parantaa ratkaisun suorituskykyä.

Kuva 7: AS6221-esittelysarja on tarkoitettu AS6221-lämpötila-anturin sovelluskehitysalustaksi. (Kuvan lähde: ams OSRAM)

Yhteenveto

Erittäin tarkkojen digitaalisten lämpötila-anturijärjestelmien suunnittelu terveydenhuolto- kuntoilu- ja muihin puettaviin laitteisiin on monimutkainen prosessi suunnittelun, testauksen ja sertifioinnin osalta. Suunnittelijat voivat yksinkertaistaa prosessia, laskea kustannuksia ja nopeuttaa markkinoilletuontia käyttämällä pitkälle integroituja, vähävirtaisia ja huipputarkkoja antureita.

Kuten edellä on kerrottu, AS6221 on yksi tällainen laite. Se ei vaadi kalibrointia eikä linearisointia, ja tuotantotestauslaitteisto on kalibroitu NIST-standardien mukaisesti ISO/IEC-17025-akkreditoidussa laboratoriossa, mikä nopeuttaa lääkinnällisten laitteiden suunnittelu- ja hyväksymisprosessia.

Suositeltavaa luettavaa

1. Paranna puettavien laitteiden akun kestoa valmistilojen tehokkaalla ajastuksella
2. Paranna paristojen kestoa puettavissa ratkaisuissa käyttämällä säädettäviä LDO-regulaattoreita, joiden vuotovirta on alhainen
3. Paranna liikuntasovelluksen tarkkuutta käyttämällä erittäin tarkkoja paineantureita