快速將臨床級溫度感測能力整合到可攜式、穿戴式醫療設計中

隨著新冠肺炎 (COVID-19) 在全球引起關注，可攜式及穿戴式溫度感測裝置的設計人員面臨縮減裝置尺寸、降低成本和功耗的挑戰，甚至還需要提高準確度、靈敏度及可靠性。為協助應付這些挑戰，感測器不只改進了效能，整體上也更好用，能簡化設計與整合過程。

本文會先探討溫度感測器的基本類型，然後會重點介紹數位 IC 感測器以及設計人員應注意的核心特點。文中將介紹 ams 與 Maxim Integrated 的產品，作為數位溫度感測器的範例，並介紹 Melexis Technologies NV 的紅外線溫度計，作為非接觸溫度感測的範例。此外，還會展示這些裝置如何滿足新一代系統的需要，並介紹相關的評估板與探針套件，以及如何使用這些工具來協助設計人員開始設計。

溫度感測器的選擇

設計人員在溫度感測方面，有四種常見的溫度感測器選擇，即熱電偶、電阻溫度元件 (RTD)、熱敏電阻和溫度感測器 IC，其中溫度感測器 IC 是接觸型醫療與保健設計的理想選擇。主要的原因是這種元件不需要線性化，具有良好的雜訊耐受性，而且較容易整合到可攜式與穿戴式醫療裝置中。對於非接觸式感測，則可使用紅外線溫度計。

設計人員應考慮的主要參數包括尺寸、功耗與熱敏度，尤其是對於穿戴式應用，無論是腕戴型裝置、嵌入衣服中的應用，還是醫療貼布。靈敏度很重要，因為在針對臨床級準確度進行設計時，即使是微瓦 (µW) 數量級的暫態功率也能導致感測器發熱，造成讀數不準確。另一個需要考量的因素則是介面類型 (數位或類比)，因為這將會決定相關組件的需求，如微控制器。

如何達到臨床級準確度

根據 ASTM E112，要達到臨床級準確度，首先需從選擇合適的感測器入手。例如，Maxim Integrated 的 MAX30208 數位溫度感測器，在 +30°C 至 +50°C 的準確度為 ±0.1°C，在 0°C 至 +70°C 的準確度為 ±0.15°C。這些裝置尺寸為 2 x 2 x 0.75 mm，並採用纖薄的 10 引腳 LGA 封裝 (圖 1)。IC 的電源電壓範圍為 1.7 V 至 3.6 V，工作時耗電量低於 67 µA，待機時耗電量則低於 0.5 µA。

圖 1：MAX30208 數位溫度感測器可為智慧型手錶及醫療貼布等電池供電元件，提供 ±0.1°C 的臨床級測量準確度。(圖片來源：Maxim Integrated)

如之前所述，設計符合臨床級準確度的關鍵挑戰，在於確保感測器自身的溫度不會影響到穿戴式裝置的測量讀數。

感測器 IC 的熱量會從 PC 板經過封裝引線到達感測器晶片，從而影響到溫度讀數的準確度。在溫度感測器 IC 中，此熱量會透過封裝底側的金屬導熱片傳導，進而導致寄生熱量。這又可能將熱量導入和導出其他引腳。因此，這勢必會干擾溫度的測量。

設計人員可使用許多技巧來抗衡寄生熱量，開始時可使用薄型走線，最大程度降低感測器 IC 的熱傳導率。另外，設計人員還可在封裝頂部盡可能遠離 IC 引腳的位置測量溫度，而不是使用封裝底側的導熱片。對於 MAX30208CLB+ 和其他 MAX30208 數位溫度感測器，溫度測量是在封裝的頂部進行。

另一個緩和技巧是放入其他會對溫度監測系統產生熱量的電子元件，位置盡可能遠離感測元件，徹底減少電子元件對溫度測量資料的影響。

系統到使用者的散熱設計考量事項

除了確保與熱源進行熱隔離，設計人員還必須保證溫度感測元件與使用者皮膚之間有良好的導熱路徑。在封裝下方的位置，PC 板很難從身體接觸點來佈置金屬走線。

因此，首要事項是，系統的設計應讓感測器盡可能靠近要測量溫度的目標。其次，在 MAX30208 感測器的支援下，穿戴式設計與醫療貼布可使用撓性或半硬質的電路板。MAX30208 數位溫度感測器可透過扁平撓性纜線 (FFC) 或扁平印表機纜線 (FPC)，直接連接至微控制器。

使用這些纜線時，請務必將溫度感測器 IC 放在電路板的撓性側，這可減少皮膚表面與感測器之間的熱阻。此外，設計人員應儘量減少撓性板的厚度，較薄的板件能更有效率地撓曲並實現更好的接觸。

數位溫度感測器通常都是透過 I²C 串列介面連結到微控制器。Maxim 的 MAX30208CLB+ 正是如此，該元件還使用 FIFO 處理溫度資料，能讓微控制器長時間處於睡眠狀態，節省電力。

圖 2：MAX30208 數位溫度感測器主要用於醫療溫度計與穿戴式體溫監測器。(圖片來源：Maxim Integrated)

MAX30208CLB+ 數位溫度感測器使用 32 字 FIFO，來建立溫度感測器設定暫存器，可提供多達 32 個溫度讀數，而每個讀數都包含兩個位元組。這些記憶體對映暫存器還允許感測器提供高低閾值的數位溫度警報。

該元件還有兩個一般用途 I/O (GPIO) 引腳，一個是 GPIO1，可設定觸發溫度轉換，一個是 GPIO0，可配置為針對可選式狀態位元產生中斷指令。

原廠校正的溫度感測器

如今，許多數位溫度感測器都經過原廠校正，而不需要像許多舊式溫度感測器一樣現場校正，或一年校正一次。此外，由原廠校正就不必開發軟體，對輸出進行線性化以及模擬和微調電路，也不必使用大量高精密度元件，同時還可將阻抗不匹配的風險降到最低。

例如，ams 的 AS621x 溫度感測器系列已經過原廠校正，並內建線性化功能 (圖 3)。另外，該系列還有八個 I²C 位址，可讓設計人員透過單條匯流排監測八個不同潛在熱點的溫度。

圖 3：AS621x 感測器提供經過原廠校正的完整數位溫度系統。(圖片來源：ams)

具備八個 I²C 位址的序列介面，也能讓健康相關監測系統的開發人員，更輕鬆地進行原型開發與設計驗證。

為了讓感測器符合特定的應用要求，AS621x 感測器有三種準確度版本，即 ±0.2°C、±0.4°C 和 ±0.8°C。對於與健康相關的監測系統而言，準確度在 ±0.2°C 內就已足夠，這使得 AS6212-AWLT-L 就是個合適的選擇。所有 AS621x 裝置均具有 16 位元解析度，可在 -40°C 至 +125°C 的完整工作溫度範圍內偵測到小幅的溫度變化。

AS621x 尺寸為 1.5 mm² 並採用晶圓級晶片尺寸封裝 (WLCSP)，可更輕鬆地整合到醫療裝置中。As621x 的電源電壓為 1.71 V，工作時的耗電量為 6 µA，待機模式下的耗電量為 0.1 µA。AS6212-AWLT-L 等溫度感測器具有很小的覆蓋區和較低的功耗，因此特別適合電池供電的行動與穿戴式裝置應用。

非接觸式溫度感測器

與需要進行實體接觸的溫度感測器 IC 不同，紅外線溫度計執行非接觸式溫度測量。這些非接觸式感測器會測量兩個參數，即環境溫度與物體的溫度。

此類溫度計會偵測裝置前方物體所放出的任何高於 0 K (絕對零度) 的能量。然後，偵測器會將該能量轉換成電氣訊號並傳送到處理器，以在補償環境溫度所造成的變化後解讀和顯示資料。

例如，Melexis 的 MLX90614ESF-BCH-000-TU 紅外線溫度計，內含紅外線熱電堆偵測器晶片與訊號調整晶片，並採用 TO-39 封裝 (圖 4)。MLX90614 系列整合了低雜訊放大器、17 位元類比數位轉換器 (ADC) 與數位訊號處理器 (DSP)，可確保高準確度與高解析度。

圖 4：MLX90614 紅外線溫度計在室溫下具有標準的準確度，即 0.5°C。(圖片來源：Melexis)

MLX90614 紅外線溫度計已經過原廠校正，其環境溫度為 -40°C 至 85°C，物體溫度為 -70°C 至 382.2°C。此溫度計在室溫下具有標準的準確度，即 0.5°C。

這些非接觸式溫度感測器可提供兩種輸出模式，即脈寬調變 (PWM)，以及透過雙線介面 (TWI) 或 I²C 連結的 SMBus。此感測器經過原廠校正，並具有數位 SMBus 輸出，能在整個溫度範圍內提供 0.02°C 的解析度。另一方面，設計人員能配置 10 位元的 PWM 數位輸出，解析度為 0.14°C。

使用溫度感測器進行開發

Maxim Integrated 的 MAX30208EVSYS# 評估系統支援 MAX30208 感測器系列，此系統包含一塊撓性電路板，其容納了 MAX30208 溫度感測器 IC (圖 5)。此評估系統內含兩個板件，即 MAX32630FTHR 微控制器板及 MAX30208 介面板，兩者透過排針座連接在一起。設計人員只需要使用隨附的 USB 纜線，將評估硬體連接到電腦即可。該系統隨即會自動安裝必要的元件驅動程式。安裝完畢後，需要下載評估套件軟體。

圖 5：設計人員可使用隨附的 USB 纜線將評估硬體連接到電腦。之後會自動安裝必要的元件驅動程式。(圖片來源：Maxim Integrated)

另外，值得一提的是，行動裝置或穿戴式裝置可在多個位置測量體溫。例如，在運動服裡，可透過 I²C 位址，以菊鏈方式將多個 MAX30208 溫度 IC 連接到單個電池與主機微控制器。微控制器會定期輪詢每個溫度感測器，以建立局部溫度與全身溫度概況。

對於 MLX90614 紅外線感測器，醫療裝置開發人員可從 MikroElektronika 的緊湊型 MIKROE-1362 IrThermo Click 板入手。此板件會透過 mikroBUS I²C 線或 PWM 線，將 MLX90614ESF-AAA 單區紅外線溫度計模組連結到微控制器板 (圖 6)。

圖 6：使用 Maxim Integrated 的 MLX9016 感測器進行開發時，可先從 MIKROE-1362 IrThermo Click 板開始。(圖片來源：MikroElektronika)

MikroElektronika 的 5 V 板已經過校正，其環境溫度為 -40°C 至 85°C，物體溫度為 -70°C 至 +380°C。

結論

儘管在功率、尺寸、成本、可靠性與準確度方面存在許多挑戰，但設計人員仍面臨讓大眾市場更能取得臨床級溫度感測能力的挑戰。現在，市面上已有評估套件支援的接觸式與非接觸式感測器，協助他們快速有效率地滿足這一需求。如本文所述，這些感測器不僅具有臨床溫度測量所需的效能特性，還經過原廠校正並隨附數位介面，能更輕鬆地整合到下一代設計中。