如何在健康監測穿戴式裝置中使用高準確度數位溫度感測器

準確的數位溫度量測在多種應用中非常重要，包括穿戴式裝置、醫療監測裝置、健康和健身追蹤器、冷鏈和環境監測以及工業運算系統。高準確度數位溫度量測的應用廣泛，其通常涉及溫度感測器校準或線性化，以及更高的功耗，這對於具有多種採集模式的緊湊型超低功率應用來說會是一個問題。設計挑戰不斷疊加，導致成本超支和進度延遲。

部分應用涉及多個溫度感測器共享單一通訊匯流排，使得問題更複雜。此外，部分生產測試設置需要遵循美國國家標準與技術研究院 (NIST) 進行校準，而驗證設備需要由 ISO/IEC-17025 認可的實驗室進行校準。於是，看似簡單的功能變得既令人生畏又昂貴。

本文簡單介紹行動和電池供電健康監測應用中對高準確度溫度量測的要求。接著介紹 ams OSRAM 的低功率、高準確度數位溫度感測器 IC，此 IC 無需經過校準或線性化。最後提出整合建議、評估板和支援藍牙的示範套件以及配套應用程式，以便修改感測器設置並觀察對功耗的影響。

高準確度溫度監測的要求

在健康監測應用中，準確性為強制要求。製造時，數位溫度感測器表現出零件間效能差異，必須加以處理。由於內部校準成本高昂，且使用未經校準的感測器會增加達到所需準確度的成本，因此設計人員應考慮經過完全校準和線性化的感測器。然而，重要的是要確保感測器製造商使用可追溯至 NIST 標準的校準儀器。使用具有可追溯校準的儀器，可確保鏈路完整回歸基本 NIST 標準，並可識別和記錄鏈路中每個環節的不確定性，以便在裝置製造商的品管系統中解決這些問題。

測試和校準實驗室的主要標準是 ISO/IEC 17025「測試和校準實驗室能力的一般要求」。ISO/IEC 17025 基於專用於校準和測試實驗室的技術原則，對其進行認證，並為發展持續改進計劃提供基礎。

通過 NIST 可追溯生產測試的數位溫度感測器

為滿足眾多設計和認證要求，設計人員可以使用 ams OSRAM 的 AS6211 數位溫度感測器，此感測器提供高達 ±0.09°C 的準確度，並且無需校準或線性化。AS6211 的生產測試專為醫療裝置、穿戴式裝置和其他需要高效能熱資訊的應用而設計，由 ISO/IEC-17025 認可的實驗室根據 NIST 標準進行校準。經過校準的生產測試可加速取得 EN 12470-3 認證的過程，這是歐盟醫用溫度計的要求。

AS6211 是完整的數位溫度感測器，採用六引腳、1.5 x 1.0 mm 晶圓晶片尺度封裝 (WLCSP)，可用於系統整合。AS6221-AWLT-S 零件編號為可訂購的其種一款，以 500 件的捲帶裝形式交付。AS6211 的透過標準 I²C 介面進行量測，支援八個 I²C 位址，消除了多感測器設計中對匯流排衝突的擔憂。

高準確度加上低功率

AS6221 在 1.71 至 3.6 VDC 的整個電源範圍內提供高準確度和低功耗，這在由單一電池供電的應用中尤為重要。其括一個靈敏且精確的矽 (Si) 帶隙溫度感測器、一個類比數位轉換器以及一個含相關暫存器和控制邏輯的數位訊號處理器。整合式警報功能會在特定溫度閾值觸發中斷，透過設置暫存器值進行編程。

AS6221 在每秒進行四次量測時消耗 6 µA，在待機模式下，功耗僅為 0.1 µA。整合警報功能僅會在達到溫度閾值時喚醒應用處理器，可進一步降低系統功耗。

穿戴式裝置整合選項

在穿戴式應用中，感測器與皮膚之間的熱連接越好，溫度量測就越準確。設計人員有多種方式可達到最佳熱連接。其中一種方法是在皮膚和感測器之間放置一個導熱針 (圖 1)。為了取得可靠結果，引腳需要與任何外部熱源 (例如裝置外殼) 隔離，並且應在引腳和 AS6211 之間使用導熱膏或黏合劑。使用撓性 (flex) 印刷電路板 (PCB) 來承載 AS6221 有助於更自由地置放感測器。

圖 1：撓性 PCB 和熱黏合劑可用於在皮膚和感測器之間提供低熱阻抗路徑。(圖片來源：ams OSRAM)

若設計將感測器安裝在主 PCB 上，有助於使用接觸彈簧或導熱墊進行熱連接。如果感測器安裝在 PCB 的下方，則可以使用接觸彈簧在接觸引腳和 PCB 連接到感測器的熱通孔之間建立熱連接 (圖 2)。採用這種方法的裝置具有成本效益，支援感測器和皮膚之間的更遠距離，但需要仔細考量使用幾種熱介面，以達到高靈敏度。

圖 2：感測器安裝在 PCB 下方時，可以使用熱通孔和接觸彈簧連接接觸引腳。(圖片來源：ams OSRAM)

第三種方式是使用導熱墊將引腳連接到安裝在 PCB 上方的感測器 (圖 3)。與使用彈簧觸點或撓性 PCB 相比，此方法需要高導熱性焊盤和精心的機械設計，以確保接觸引腳和感測器之間達到最小熱阻抗。組裝更簡單，同時仍然提供高效能。

圖 3：熱墊片可以將上方安裝的感測器連接到接觸引腳。組裝更簡單，同時仍然提供高效能。(圖片來源：ams OSRAM)

提高熱響應時間

為了獲得快速的熱響應時間，必須盡量減少對量測的外部影響，尤其是與感測器直接相鄰的 PCB 部分。兩個可行的設計建議是使用切口，將 PCB 上方感測器附近的任何銅平面 (圖 4 上) 縮至最小，並藉由使用位於感測器下方的切口區域來減少來自 PCB 下方的熱負載，以減少 PCB 整體質量 (圖 4 下)。

圖 4：PCB 上方和下方的切口可以最大程度減少感測器周圍的 PCB 質量並提升其響應時間。(圖片來源：ams OSRAM)

除了將 PCB 的影響降至最低，其他有助於提高量測速度和效能的技術包括：

• 達到最大皮膚接觸面積，以增加感測器偵測的熱量。
• 使用薄銅跡線並將電源和接地層的尺寸縮至最小。
• 盡可能使用最小的電池和其他組件 (例如顯示器) 來達到裝置效能要求。
• 設計能將 PCB 上的感測器與周圍組件和外部環境熱隔離的封裝。

感測環境溫度

使用多個溫度感測器時會還有其他注意事項需要考量，例如同時使用皮膚溫度和周圍環境溫度的設計。每個量測都應使用單獨的感測器。裝置的熱設計應將兩個感測器之間的熱阻抗最大化 (圖 5)。較高的介入熱阻抗可在感測器之間提供更好的隔離，並確保量測不會相互干擾。元件封裝應使用低導熱率的材料製造，並且應在兩個感測器區域之間插入熱隔離屏障。

圖 5：為了準確感應環境溫度，皮膚和環境溫度感測器之間應該有很高的熱阻。(圖片來源：ams OSRAM)

AS6221 開發評估套件入門

為了加速應用開發和上市時間，ams OSRAM 為設計人員提供評估套件和示範套件。AS62xx 評估套件可用於快速設置 AS6221 數位溫度感測器，快速評估其功能。此評估套件直接連接到外接微控制器 (MCU)，存取溫度量測值。

圖 6：AS62xx 評估套件可用於設置和評估 AS6221。(圖片來源：ams OSRAM)

AS6221 示範套件

完成基本評估後，設計人員可以將 AS6221 示範套件用於應用開發平台。該示範套件包括一個 AS6221 溫度按鈕和一個 CR2023 鈕扣電池。從 App Store 或 Google Play Store 下載配套應用程式，可支援一次最多連接三個感測器按鈕 (圖 7)。該應用程式透過藍牙與感測器按鈕通訊，藉此修改量測頻率等所有感測器設置，並觀察對功耗的影響。此應用程式可以記錄量測序列，進而比較各種溫度感測器設置的效能。設計人員還可以使用示範套件實驗警報模式，並瞭解如何使用以提高解決方案的效能。

圖 7：AS6221 示範套件作為 AS6221 溫度感測器應用的開發平台。(圖片來源：ams OSRAM)

結論

為醫療保健、健身和其他穿戴式裝置設計高準確度數位溫度感測系統，是一個涉及設計、測試和認證的複雜過程。為了簡化流程、降低成本並更快速進入市場，設計人員可以使用高度整合、低功耗、高準確度的感測器。

如圖所示，AS6221 就是此類元件。此元件不需要校準或線性化，生產測試設備由 ISO/IEC-17025 認證的實驗室依據 NIST 標準經過校準，可加速醫療裝置的設計和核准過程。

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