Integroi nopeasti kliinisen tason lämpötilamittaus kannettaviin tai puettaviin lääketieteellisiin tuotteisiin

COVID-19-pandemia on synnyttänyt globaaleja ongelmia ja niiden vanavedessä kannettavien ja puettavien lämpötilaa mittaavien laitteiden suunnittelijoilla on haasteena pienentää laitteiden kokoa, kustannuksia ja virrankulutusta, samalla kun tarkkuutta, herkkyyttä ja luotettavuutta on samalla parannettava. Tämän haasteen voittamiseksi antureita parannetaan ei ainoastaan suorituskyvyn suhteen vaan myös yleisessä helppokäyttöisyydessä. Tämä yksinkertaistaa niiden suunnittelu- ja integrointiprosessia.

Tässä artikkelissa käsitellään ensin lämpötila-antureiden perustyyppejä, jonka jälkeen siinä keskitytään digitaalisiin mikropiiriantureihin ja sellaisiin perusominaisuuksiin, jotka suunnittelijoiden tulisi ottaa huomioon. Artikkelissa esitellään esimerkkejä digitaalisista lämpötila-antureista ams- ja Maxim Integrated -yrityksiltä samoin kuin infrapunalämpömittari yritykseltä Melexis Technologies NV. Tämä jälkimmäinen toimii esimerkkinä kontaktittomasta lämpötilan mittauksesta. Artikkelissa näytetään myös miten nämä laitteet täyttävät seuraavan sukupolven järjestelmien vaatimukset ja siinä kuvataan niitä vastaavia arviointialustoja ja mittapääsarjoja sekä miten suunnittelijat pääsevät alkuun niiden avulla.

Lämpötila-antureiden valinta

Yleisiä lämpötila-anturityyppejä, jotka suunnittelijat voivat valita lämpötilan tunnistukseen, on neljä: lämpöparit, RTD:t (Resistance Temperature Device), termistorit ja mikropiirillä toteutetut lämpötila-anturit. Näistä jälkimmäiset muodostavat hyvän vaihtoehdon kontaktia käyttäviin lääketieteellisiin ja terveydenhuollon tuotteisiin. Tämä seuraa suurelta osin siitä, että ne eivät vaadi linearisointia, ne tarjoavat hyvän immuniteetin kohinalle ja ne on suhteellisen helppo integroida kannettaviin ja puettaviin terveydenhuoltolaitteisiin. Jos halutaan kontaktiton mittaus, voidaan käyttää Infrapunalämpömittaria.

Avainparametreihin, joita suunnittelijoiden tulee harkita erityisesti puettavissa sovelluksissa, olipa kyseessä ranteessa pidettävä laite, vaatteisiin sulautettu laite tai lääketieteellinen tarralappu, kuuluvat koko, virrankulutus ja terminen herkkyys. Herkkyys on tärkeää, koska suunniteltaessa kliinisen tason tarkkuutta jopa mikrowattien (µW) suuruinen transienttiteho (µW) saattaa lämmittää anturia ja lisätä epätarkkuuksia mittauksiin. Toinen harkittava seikka on rajapinnan tyyppi (digitaalinen tai analoginen), koska tämä määrää vaatimukset muille komponenteille, esimerkkinä mikrokontrolleri.

Miten saavuttaa kliinisen tason tarkkuus

ASTM E112 -standardin mukaisen kliinisen tason tarkkuuden saavuttaminen alkaa sopivan anturin valitsemisesta. Esimerkiksi Maxim Integrated -yrityksen digitaaliset MAX30208- lämpötila-anturit tarjoavat tarkkuuden ±0,1 °C lämpötila-alueella +30 °C – +50 °C ja ±0,15 °C lämpötila-alueella 0 °C – +70 °C. Laitteen koko on vain 2 x 2 x 0,75 millimetriä (mm) ja se toimitetaan ohuessa 10-jalkaisessa LGA-kotelossa (kuva 1). Mikropiirit toimivat 1,7 – 3,6 voltin käyttöjännitteellä ja ne kuluttavat vähemmän kuin 67 mikroampeeria (µA) käyttötilassa ja 0,5 µA valmiustilassa.

Kuva 1: Digitaaliset MAX30208-lämpötila-anturit tarjoavat kliinisen tason mittaustarkkuuden ±0,1 °C akkukäyttöisille laitteille, esimerkkinä älykellot ja älylaastarit. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

Kuten mainittu, yksi kriittinen haaste kliinisen tason tarkkuuteen pyrittäessä on varmistaa, ettei anturin oma lämpötila vaikuta lämpötilan lukemiseen puettavassa laitteessa.

Anturimikropiirin lämpö, joka kulkee piirilevyltä kotelon johtimia pitkin anturisirulle, voi vaikuttaa lämpötilalukemien tarkkuuteen. Anturimikropiirillä tämä lämpö siirtyy kotelon alapuolella sijaitsevan metallisen termisen alueen kautta aiheuttaen parasiittista lämpenemistä. Tämä voi vuorostaan aiheuttaa lämmön johtumiseen muiden jalkojen kautta ulos- ja sisäänpäin. Tämä väistämättä häiritsee lämpötilamittausta.

Suunnittelijat voivat käyttää erilaisia tekniikoita parasiittisen lämpenemisen vähentämiseksi. Ensimmäinen keino on käyttää ohuita johtimia, jotka minimoivat lämmön johtumista anturimikropiiriltä. Suunnittelijat voivat myös mitata lämpötilan kotelon yläpuolelta, sen sijaan että mittaus suoritettaisiin alapuolella sijaitsevassa termisestä alueesta. Tällöin mittauspiste on mahdollisimman kaukana mikropiirin jaloista. MAX30208CLB+-piirissä sekä muissa digitaalisissa MAX30208-lämpötila-antureissa lämpötilamittaus suoritetaan kotelon yläpuolelta.

Toinen vaikutuksia vähentävä tekniikka on sijoittaa muut elektroniset komponentit, jotka saattaisivat lisätä lämpötilan seurantajärjestelmään lämpöenergiaa, mahdollisimman kauaksi mittauselementistä, jotta niiden vaikutus lämpötilamittausdataan voitaisiin minimoida.

Lämpötilasuunnittelussa huomattavia seikkoja järjestelmän ja käyttäjän välillä

Suunnittelijoiden on varmistettava terminen erotus lämpölähteistä ja lisäksi myös varmistettava hyvä terminen reitti lämpötilan mittauselementin ja käyttäjän ihon välillä. Jos elementti sijaitsee piirin alapuolella, on haastavaa tuoda metallijohtimet piirilevyn läpi kontaktipisteeseen kehon kanssa.

Järjestelmä on siis ennen kaikkea suunniteltava siten, että anturi on mahdollisimman lähellä mitattavaa kohdelämpötilaa. Toiseksi puettavat tuotteet ja älylaastarit voivat käyttää joustavia tai puolijäykkiä piirilevyjä. MAX30208-anturit tukevat tätä. Digitaaliset MAX30208-lämpötila-anturit voidaan kytkeä suoraan mikrokontrolleriin käyttäen FFC-kaapelia (Flat Flexible Cable) tai FPC-kaapelia (Flat Printer Cable).

Näitä kaapeleita käytettäessä on oleellisen tärkeää sijoittaa anturimikropiiri piirilevyn joustavalle puolelle. Tämä vähentää ihonpinnan ja anturin välistä termistä vastusta. Suunnittelijoiden tulisi myös saada joustolevyn paksuus mahdollisimman ohueksi; ohuempi levy voi joustaa tehokkaammin ja se mahdollistaa paremman kontaktin.

Digitaaliset lämpötila-anturit yhdistetään mikrokontrollereihin tyypillisesti I²C-sarjaliitännällä. Tämä pitää paikkansa myös Maximin MAX30208CLB+ -piirin kanssa, joka myös käyttää FIFO-jonoa lämpötiladataa varten. Tämän ansiosta mikrokontrolleri voi nukkua pitkiä aikoja ja vähentää virrankulutusta.

Kuva 2: Digitaaliset MAX30208-lämpötila-anturit on tarkoitettu lääketieteellisiin lämpömittareihin ja kehon lämpötilaa seuraaviin puettaviin laitteisiin. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

Digitaalinen MAX30208CLB+ -lämpötila-anturi käyttää 32 sanan FIFO-jonoa ja muodostaa asetusrekisterin lämpötila-anturille. Se tarjoaa 32 lämpötilalukemaa, joista kukin sisältää kaksi tavua. Näiden muistiavaruudessa näkyvien rekisterien ansiosta anturit voivat myös tarjota ylä- ja alarajat digitaalisille lämpötilahälytyksille.

Käytössä on myös kaksi yleiskäyttöistä I/O-pinniä (GPIO): GPIO1 voidaan konfiguroida käynnistämään lämpötilamuunnos ja GPIO0 voidaan konfiguroida generoimaan keskeytys valittaville statusbiteille.

Tehtaalla kalibroidut lämpötila-anturit

Monet digitaaliset lämpötila-anturit kalibroidaan nykyään tehtaalla. Tämän ansiosta niitä ei tarvitse monien vanhempien lämpötila-antureiden tavoin kalibroida kentällä eikä uudelleenkalibroida kerran vuodessa. Lisäksi tehtaan kalibroinnin ansiosta niihin ei myöskään tarvitse kehittää ohjelmaa lähdön linearisointia, piirin simulointia eikä hienosäätöä varten. Se myös eliminoi useiden tarkkuuskomponenttien tarpeen ja minimoi impedanssiepäyhteensopivuuksien riskin.

Esimerkiksi ams-yrityksen AS621x-perheen lämpötila-anturit on kalibroitu tehtaalla ja ne toimitetaan integroidulla linearisoinnilla (kuva 3). Piirillä on myös kahdeksan I²C-osoitetta, joiden ansiosta suunnittelijat voivat seurata yhdellä väylällä lämpötilaa kahdeksassa mahdollisessa ongelmakohdassa.

Kuva 3: AS621x-anturit tarjoavat kattavan digitaalisen lämpötilajärjestelmän ja tehtaalla suoritetun kalibroinnin. (Kuvan lähde: ams)

Sarjaliitäntä kahdeksalla I²C-osoitteella tekee prototyyppien käyttämisestä ja suunnittelun varmennuksesta helpompaa terveyteen liittyvien seurantajärjestelmien suunnittelijoille.

Helpottaakseen anturien sovittamista sovelluskohtaisten vaatimusten mukaisesti AS621x-antureita on saatavana kolmena tarkkuusversiona: ±0,2 °C, ±0,4 °C ja ±0,8 °C. Terveyteen liittyvissä seurantajärjestelmissä ±0,2 °C:n tarkkuus on riittävä, joten AS6212-AWLT-L on sopiva vaihtoehto. Kaikki AS621x-laitteet tarjoavat 16-bitin resoluution. Tämä mahdollistaa pienten lämpötilavaihtelujen havaitsemisen koko käyttölämpötila-alueella -40 °C – +125 °C.

AS621x-piirin pinta-ala on vain 1,5 mm² ja se käyttää WLCSP-koteloa (Wafer-Level Chip-Scale Package), joten se on helpompi integroida terveydenhuoltolaitteeseen. Piirin käyttöjännite on 1,71 volttia ja se kuluttaa käyttötilassa 6 µA ja valmiustilassa 0,1 µA. Pieni koko ja alhainen virrankulutus tekevät sellaisista antureista kuten AS6212-AWLT-L erittäin sopivia akku- tai paristokäyttöisiin mobiileihin ja puettaviin laitesovelluksiin.

Kontaktittomat lämpötila-anturit

Toisin kuin mikropiirillä toteutetut lämpötila-anturit, jotka vaativat fyysistä kontaktia, infrapunalämpömittarit mittaavat lämpötilan ilman kontaktia. Nämä kontaktittomat anturit mittaavat kaksi parametria: ympäristön lämpötilan sekä kohteen lämpötilan.

Tällaiset lämpömittarit havaitsevat kaikki energiatasot 0 Kelvin-asteen (absoluuttinen nolla) yläpuolella, jotka objekti emittoi laitteen eteen. Tämän jälkeen ilmaisin muuntaa energian sähköiseksi signaaliksi ja välittää sen prosessorille. Prosessori tulkitsee sen ja näyttää datan sen jälkeen kun se on kompensoinut tiedoista ympäristön lämpötilan aiheuttamat vartiaatiot.

Esimerkiksi Melexis-yrityksen MLX90614ESF-BCH-000-TU -infrapunalämpömittari muodostuu infrapuna-lämpöelementti-ilmaisinsirusta sekä signaalinparannussirusta, jotka on integroitu TO-39-koteloon (kuva 4). MLX90614-perheeseen integroitu matalakohinainen vahvistin, 17-bitin analogia-digitaalimuunnin (ADC) sekä digitaalinen signaaliprosessori (DSP) takaavat korkean tarkkuuden ja resoluution.

Kuva 4: MLX90614-infrapunalämpömittarin vakiotarkkuus on 0,5 °C huoneenlämpötilassa. (Kuvan lähde: Melexis)

MLX90614-infrapunalämpömittarit on kalibroitu tehtaalla lämpötila-alueelle -40 °C – 85 °C ympäristön lämpötilan suhteen ja -70 °C – 382,2 °C objektin lämpötilan suhteen. Niiden vakiotarkkuus on 0,5 °C huoneenlämpötilassa.

Nämä kontaktittomat lämpötila-anturit tarjoavat kaksi lähtötilaa: pulssileveysmodulaatio (PWM) ja SMBus kaksijohtoisen TWI-rajapinnan (Two-Wire Interface ) kautta tai I²C-linkki. Anturi toimitetaan tehtaalla kalibroituna digitaalisella SMBus-lähdöllä ja se toimii koko lämpötila-alueella tarkkuudella 0,02 °C. Toisaalta kehittäjät voivat konfiguroida digitaalisen 10-bittisen PWM-lähdön tarkkuudella 0,14 °C.

Kehitysprosessi lämpötila-antureita käytettäessä

Maxim Integrated -yrityksen MAX30208EVSYS# -arviointijärjestelmä tukee MAX30208-linjan antureita ja se sisältää joustavan piirilevyn MAX30208-anturimikropiirin sijoittamista varten (kuva 5). Arviointijärjestelmä sisältää kaksi levyä: MAX32630FTHR-mikrokontrollerin levy sekä MAX30208-rajapintalevy. Nämä kaksi liitetään toisiinsa liittimillä. Kehittäjien täytyy vain yhdistää arviointilaitteisto tietokoneeseen laitteen mukana toimitettavalla USB-kaapelilla. Järjestelmä asentaa tämän jälkeen tarvittavat ajurit automaattisesti. Sen jälkeen kun ne on asennettu, EV Kit -ohjelma on ladattava.

Kuva 5: Kehittäjät voivat yhdistää arviointilaitteiston tietokoneeseen laitteen mukana toimitettavalla kaapelilla. Tarvittavat laiteajurit asennetaan automaattisesti. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

On myös tässä mainitsemisen arvoista, että mobiili tai puettava laite voi mitata kehon lämpötilan useista pisteistä. Esimerkiksi urheiluasusteissa voidaan käyttää useita MAX30208-lämpötilamikropiirejä, jotka yhdistetään I²C-osoitteiden avulla ketjuttamalla, ja joissa käytetään yhtä paristoa ja isäntänä mikrokontrolleria. Tällöin mikrokontrolleri lukee kunkin lämpötila-anturin arvon määräajoin pollaamalla ja luo profiilin sekä paikallisesta lämpötilasta että koko kehon lämpötilasta.

Lääketieteellisten laitteiden kehittäjät voivat aloittaa MLX90614-infrapuna-anturin käytön kompaktilla MIKROE-1362 IrThermo Click -levyllä MikroElektronikalta. Tämä yhdistää yhden vyöhykkeen MLX90614ESF-AAA -infrapunalämpömittarin moduulin mikrokontrollerikorttiin joko mikroBUS I²C -väylän tai PWM-linjan kautta (kuva 6).

Kuva 6: MIKROE-1362 IrThermo Click -levyn avulla voidaan aloittaa kehitystyö Maxim Integrated -yrityksen MLX9016-anturille. (Kuvan lähde: MikroElektronika)

MikroElektronikan 5 voltin levy on kalibroitu tehtaalla lämpötila-alueelle -40 °C – 85 °C ympäristön lämpötilan suhteen ja -70 °C – +380 °C objektin lämpötilan suhteen.

Yhteenveto

Suunnittelijoilla on haasteena tehdä kliinisen tason lämpötilanmittauksesta helpommin käytettävää massamarkkinoita varten, vaikka tähän liittyy sellaisia haasteita kuten teho, koko, hinta, luotettavuus ja tarkkuus. Tarjolla on arviointisarjojen tukemia kontaktia tarvitsevia ja kontaktittomia antureita, joiden avulla nämä vaatimukset voidaan tyydyttää nopeasti ja tehokkaasti. Kuten artikkelissa on osoitettu, nämä anturit eivät ainoastaan täytä kliinisen lämpötilamittauksen vaatimia suorituskykyominaisuuksia, vaan ne myös toimitetaan tehtaalla kalibroituina ja digitaalisilla rajapinnoilla. Näiden ansiosta ne on helpompi integroida seuraavan sukupolven tuotteisiin.