医療機器のためのセンサー設計の簡素化
Nov 17,2021
一般的なタイプの温度センサーの4つの方法 - 熱電対、抵抗温度デバイス、サーミスタ、温度センサーICS - 温度センサICは、接点ベースの医療およびヘルスケアの設計に適しています。主に、彼らは直線化を必要とせず、彼らは良い騒音免疫を提供し、携帯用およびウェアラブルヘルスケア装置に統合することが比較的簡単です。非接触検知のために、赤外線温度計を使用することができる。
キーパラメータはサイズ、消費電力、および熱感度です。過渡的な電力（μW）でさえもセンサーを加熱し、不正確な読み取りを引き起こす可能性があるため、最後のものは臨床グレードの精度にとって重要です。もう1つの考慮事項は、マイクロコントローラなどの関連コンポーネントを決定するインターフェース（デジタルまたはアナログ）のタイプです。
臨床グレードの正確さ
ASTM E112あたりの臨床グレードの精度を満たす（平均粒子サイズを決定するための標準試験方法）、適切なセンサーから始まります。 Maxim IntegratedのMAX30208デジタル温度センサー、たとえば、±0.1°C精度+ 30°C~ + 50°C、±0.15°C精度0°Cから70°Cの精度。 （2021年8月にAnalog Deviesitionによって統合されたマキシムは統合されました。）デバイスは2x2x0.75mmを測定し、薄い10ピンLGAパッケージにあります（図1）。 ICは1.7V-3.6Vの電源電圧で動作し、動作中67μA未満、スタンバイ内0.5μAを消費します。
センサー自身の温度がウェアラブルデバイスの測定読み取りに影響を与えないことが重要です。 PCBからパッケージを通過するセンサーICの熱は、センサーダイにつながり、精度に影響を与える可能性があります。温度センサICでは、この熱はパッケージの下側の金属サーマルパッドを介して伝導され、寄生加熱が生じる。これは他のピンの内外の熱伝導を引き起こし、温度測定を妨げる可能性があります。
寄生暖房に対抗するためのいくつかの技術があります。センサICからの熱伝導率を最小限に抑えるために、薄いトレースを使用することができる。設計者は、サーマルパッドを使用するのではなく、ICピンからできるだけ遠く離れて、パッケージの上部の温度を測定できます。これは、MAX30208CLB +および他のMAX30208デジタル温度センサーの場合です。
もう1つの選択肢は、温度測定への影響を最小限に抑えるために、他の電子部品を可能な限り遠く離れて配置することである。
熱設計の考慮事項
ウェアラブルデバイス内の熱源からの熱絶縁を確実にするために、温度検知要素とユーザの肌との間に良好な熱経路がなければならない。パッケージの下の位置は、PCBが体との接触点から金属トラックをルーティングするのに挑戦します。
システムは、センサが測定される目標温度にできるだけ近くなるように設計されているべきです。 MAX30208センサー、ウェアラブル・デザインおよび医療用パッチを使用すると、FLEXまたはSEMI RIGID PCBを使用できます。 MAX30208デジタル温度センサーは、平らなフレキシブルケーブルまたはフラットプリンタケーブルを使用してマイクロコントローラに直接接続できます。
温度センサーICをPCBの屈曲側に配置することが不可欠であり、これは皮膚の表面とセンサの間の熱抵抗を減少させる。設計者はまた、効率的な屈曲とより良い接触のためのフレックスボードの厚さを最小限に抑えるべきです。
デジタル温度センサは通常、I2Cシリアルインタフェースを介してマイクロコントローラにリンクされています。例えば、MaximのMAX30208CLB +は、最初に32ワードを使用して、最大32個の温度測定値を提供し、それぞれ2バイトを含む温度センサー設定レジスタを作成します。これにより、マイクロコントローラが長期間にわたって眠ることができ、電力を節約することができます（図2）。メモリマップされたレジスタはまた、センサが高および低いしきい値デジタル温度アラームを提供することを可能にする。
汎用入出力端子は、温度変換をトリガするように設定することができ、別のものは選択可能なステータスビットの割り込みを生成するように構成されています。
工場校正
多くのデジタル温度センサーは工場校正されており、多くのレガシー温度センサーの場合と同様に、年に1回再校正の必要性を排除しています。これは、出力を線形化するためのソフトウェアを開発する必要性を迂回し、回路をシミュレーションして微調整する必要性を繰り広げます。さらに、それは複数の精密成分の必要性を排除し、インピーダンスの不整合の危険性を最小にする。
AMSからの温度センサーのAS621Xファミリは工場で校正されており、線形化が統合されています（図3）。それはまた単一のバスを介して8つの潜在的なホットスポットでの温度監視のための8つのI2Cアドレスを有する。シリアルインタフェースと複数のI2Cアドレスはプロトタイピングと設計検証を容易にします。
±0.2°C、±0.4°C、±0.8°Cまでのバージョンが利用可能である。健康関連の監視システムの場合、±0.2°C以内の精度で十分です（AS6212-AWLT-L）。すべてのAS621Xデバイスは、-40℃から+ 125℃の動作範囲にわたって温度の小さな変動を検出するための16ビットの解像度を持っています。
AS621Xは1.5mm2を測定し、ウェハレベルのチップスケールパッケージに入っています。電源電圧は、動作中6μAの消費量、スタンバイ内0.1μAで、AS6212-AWLT-Lをバッテリ駆動用途に特に適しています。
非接触温度センサー
赤外線温度計は、周囲温度と物体の温度の非接触温度測定を行います。
そのようなサーモメータは、装置の前の物体によって放出された0ケルビン（絶対ゼロ）を超える任意のエネルギーを検出する。検出器は、エネルギーを電気信号に変換し、周囲温度によって引き起こされる変動を補償した後にデータを解釈して表示するためにそれをプロセッサに通過させる。
一例は、MelexisからのMLX90614ESF-BCH-000-TU赤外線温度計です。それは、赤外線サーモパイル検出器チップと、TO-39パッケージに一体化されたシグナルコンディショニングチップを備えています（図4）。低雑音増幅器、デジタル変換器との17ビットのアナログ、および精度と解像度のためのデジタル信号プロセッサもあります。
赤外線温度計は、物体温度では、-40℃~85°C（雰囲気）および-70℃から382.2℃の温度範囲で校正されています。標準精度は室温で0.5℃です。
センサーはデジタルのSMBUS出力で校正されており、0.02°Cの解像度を持ちます。あるいは、設計者は、0.14℃の解像度で10ビットパルス幅変調（PWM）デジタル出力を設定することができる。
開発支援
MAX30208センサーは、MAX30208EVSYS＃評価システムによってサポートされています。これは、MAX30208温度センサーICを保持するためのFlex PCBを含む（図5）。 MAX32630FTHRマイクロコントローラボードとMAX30208インターフェイスボードはヘッダーで接続されています。評価ハードウェアは、提供されたUSBケーブルを使用してPCに接続できます。その後、システムは自動的にEVキットソフトウェアをダウンロードできるようにするために必要なデバイスドライバを準備します。
複数の場所で体温を測定するために、MAX30208温度ICは、デイジーチェーン配置でI2Cアドレスを介して単一のバッテリおよびホストマイクロコントローラに接続できます。各温度センサーは、マイクロコントローラによって定期的にポーリングされて、局所温度と全身温度の両方のプロファイルを作成します。
開発者はMIKROELEKTRONIKAからMIKROELEKTRONIKAのクリックボードを使用してMLX90614赤外線センサーを使用できます。これはMIKROBUS I2CラインまたはPWMラインを介してMLX90614ESF-AAAシングルゾーン赤外線温度計モジュールをマイクロコントローラボードにリンクします（図6）。
5Vボードは、-40℃から85℃の周囲温度、および-70℃から+ 380℃の物体の温度範囲で校正されています。
