Come utilizzare i sensori digitali di temperatura ad alta precisione nei dispositivi indossabili per il monitoraggio della salute

Le misurazioni digitali accurate della temperatura sono importanti in molte applicazioni, tra cui i dispositivi indossabili, quelli di monitoraggio medico, i tracker per la salute e il fitness, la catena del freddo, il monitoraggio ambientale e i sistemi informatici industriali. Sebbene sia ampiamente applicata, l'implementazione di misurazioni digitali di temperatura estremamente accurate comporta spesso la calibrazione o la linearizzazione del sensore di temperatura, nonché un maggior consumo energetico, che può essere un problema per le applicazioni compatte e a bassissimo consumo con molteplici modalità di acquisizione. Le sfide progettuali possono aumentare rapidamente, causando un superamento dei costi e ritardi nei tempi di commercializzazione.

A complicare la questione, in alcune applicazioni più sensori di temperatura devono condividere un unico bus di comunicazione. Inoltre, alcune configurazioni per i test di produzione devono essere calibrate secondo i criteri del National Institute of Standards and Technology (NIST) degli Stati Uniti, mentre le apparecchiature di verifica devono essere calibrate da un laboratorio accreditato ISO/IEC-17025. Improvvisamente, quella che sembrava una funzione semplice, diventa intimidatoria e costosa.

Questo articolo descrive brevemente i requisiti per le misurazioni di temperatura ad alta precisione nelle applicazioni di monitoraggio della salute mobili e alimentate a batteria. Presenta quindi un CI per sensori digitali di temperatura a basso consumo e ad alta precisione di ams OSRAM che non richiede calibrazione o linearizzazione. L'articolo si conclude con consigli per l'integrazione, una scheda di valutazione e un kit dimostrativo abilitato Bluetooth con un'applicazione che consente di modificare le impostazioni del sensore e di osservarne l'impatto sul consumo energetico.

Requisiti per il monitoraggio della temperatura ad alta precisione

La precisione è obbligatoria nelle applicazioni di monitoraggio della salute. I sensori digitali di temperatura, nel modo in cui sono prodotti, presentano variazioni prestazionali da un modello all'altro che devono essere affrontate. Poiché la calibrazione interna è costosa e l'uso di sensori non calibrati aumenta il costo per ottenere la precisione desiderata, i progettisti dovrebbero prendere in considerazione sensori completamente calibrati e linearizzati. È tuttavia importante assicurarsi che il produttore del sensore utilizzi strumenti di calibrazione riconducibili agli standard NIST. L'uso di strumenti con calibrazione tracciabile garantisce una catena ininterrotta fino agli standard NIST di base, dove le incertezze ad ogni anello della catena sono identificate e documentate in modo da essere affrontate nel sistema di garanzia della qualità del produttore del dispositivo.

Lo standard principale per i laboratori di prova e taratura è la norma ISO/IEC 17025 "Requisiti generali per la competenza dei laboratori di prova e taratura". La norma ISO/IEC 17025 si basa su principi tecnici specifici per i laboratori di prova e taratura, è utilizzata per il loro accreditamento e fa da base per lo sviluppo di piani di miglioramento continuo.

Sensore digitale di temperatura con test di produzione tracciabili NIST

Per soddisfare i numerosi requisiti di progettazione e certificazione, i progettisti possono rivolgersi al sensore digitale di temperatura AS6211 di ams OSRAM, che offre una precisione fino a ±0,09 °C e non richiede calibrazione o linearizzazione. Progettato per l'uso in dispositivi sanitari, indossabili e altre applicazioni che richiedono informazioni termiche ad alte prestazioni, il test di produzione per AS6211 è calibrato da un laboratorio accreditato ISO/IEC-17025 secondo gli standard NIST. I test di produzione calibrata accelerano il processo di certificazione secondo la norma EN 12470-3, richiesta per i termometri medici nell'Unione Europea.

AS6211 è un sensore digitale di temperatura completo in un contenitore WLCSP (Wafer Level Chip Scale Package) a sei pin da 1,5 x 1,0 mm pronto per l'integrazione nel sistema. Un esempio di codice componente ordinabile, il modello AS6221-AWLT-S, è fornito in lotti di 500 pezzi nastrato in bobina. Le misurazioni di AS6211 avvengono attraverso un'interfaccia I²C standard e il dispositivo supporta otto indirizzi I²C, eliminando così i conflitti di bus nei progetti con più sensori.

Alta precisione e basso consumo

AS6221 offre un'elevata precisione con un basso consumo energetico nell'intero intervallo di alimentazione da 1,71 a 3,6 V c.c., un fattore particolarmente importante nelle applicazioni alimentate da una sola batteria. Include un sensore di temperatura a bandgap in silicio (Si) sensibile e preciso, un convertitore analogico/digitale e un processore di segnali digitali con registri e logica di controllo associati. La funzione di allarme integrata può attivare un interrupt a una soglia di temperatura specifica, programmata impostando un valore di registro.

AS6221 consuma 6 µA quando esegue quattro misurazioni al secondo, mentre in modalità standby il consumo energetico è di soli 0,1 µA. L'uso della funzione di allarme integrata per riattivare il processore applicativo solo quando viene raggiunta una soglia di temperatura può ridurre ulteriormente il consumo energetico del sistema.

Opzioni di integrazione dei dispositivi indossabili

Nelle applicazioni indossabili, migliore è la connessione termica tra il sensore e la pelle, più precisa è la misurazione della temperatura. I progettisti hanno diverse opzioni per ottimizzare il collegamento termico. Un modo prevede un pin termoconduttivo tra la pelle e il sensore (Figura 1). Per ottenere risultati affidabili, il pin deve essere isolato da qualsiasi fonte esterna di energia termica, come l'involucro del dispositivo, e si deve utilizzare una pasta termica o un adesivo termico tra il pin e il dispositivo AS6211. Questo approccio trae vantaggio dall'utilizzo di una scheda a circuiti stampati (PCB) flessibile per AS6221, dando una maggiore libertà nella posizione del sensore.

Figura 1: Per fornire un percorso a bassa impedenza termica tra la pelle e il sensore è possibile utilizzare una PCB flessibile e un adesivo termico. (Immagine per gentile concessione di ams OSRAM)

Nei progetti che sfruttano l'avere il sensore sulla PCB principale, il collegamento termico può essere realizzato con una molla di contatto o una piazzola termica. Se il sensore è montato sulla parte inferiore della PCB, è possibile utilizzare una molla di contatto per creare un collegamento termico tra il pin del contatto e i fori di via termici sulla PCB collegati al sensore (Figura 2). Questo approccio può comportare un dispositivo economico che supporta distanze maggiori tra il sensore e la pelle, ma richiede un'attenta considerazione delle diverse interfacce termiche per ottenere elevati livelli di sensibilità.

Figura 2: Quando il sensore è montato sulla parte inferiore di una PCB, è possibile utilizzare fori di via termici e una molla di contatto per collegarlo al pin di contatto. (Immagine per gentile concessione di ams OSRAM)

Una terza opzione è quella di utilizzare una piazzola termica per collegare il pin a un sensore montato sulla parte superiore della PCB (Figura 3). Rispetto all'utilizzo di un contatto a molla o di una PCB flessibile, questo approccio richiede una piazzola con un'elevata conducibilità termica e un'attenta progettazione meccanica per garantire un'impedenza termica minima tra il pin di contatto e il sensore. In questo modo il gruppo risultante è più semplice, pur garantendo prestazioni elevate.

Figura 3: Una piazzola termica può collegare un sensore montato in alto al pin di contatto. Ciò realizza un gruppo più semplice, pur garantendo prestazioni elevate. (Immagine per gentile concessione di ams OSRAM)

Migliorare il tempo di risposta termica

Per velocizzare i tempi di risposta termica, è importante ridurre al minimo le influenze esterne sulla misurazione, in particolare dalla porzione della PCB direttamente adiacente al sensore. Due suggerimenti validi per la progettazione sono l'utilizzo di intagli per ridurre al minimo i piani di rame in prossimità del sensore sulla parte superiore della PCB (Figura 4, in alto) e la riduzione del carico termico dalla parte inferiore della PCB utilizzando un'apertura sotto il sensore per ridurre la massa complessiva della PCB (Figura 4, in basso).

Figura 4: Gli intagli sulla parte superiore e inferiore della PCB possono ridurre al minimo la massa della stessa intorno al sensore e migliorare i suoi tempi di risposta. (Immagine per gentile concessione di ams OSRAM)

Oltre a ridurre al minimo gli effetti della PCB, vi sono altre tecniche che possono contribuire a migliorare la velocità di misurazione e le prestazioni, tra cui:

• massimizzare l'area di contatto con la pelle per aumentare il calore disponibile per il sensore;
• utilizzare tracce di rame sottili e ridurre al minimo le dimensioni dei piani di massa e di terra;
• utilizzare batterie e altri componenti, come i display, il più piccoli possibile per soddisfare i requisiti prestazionali del dispositivo;
• progettare il contenitore in modo da isolare termicamente il sensore sulla PCB dai componenti circostanti e dall'ambiente esterno.

Rilevamento della temperatura ambientale

Ci sono ulteriori considerazioni da fare quando si utilizzano più sensori di temperatura, come nel caso di progetti che utilizzano sia la temperatura della pelle sia la temperatura dell'ambiente circostante. È necessario utilizzare un sensore distinto per ogni misurazione. La progettazione termica del dispositivo deve massimizzare l'impedenza termica tra i due sensori (Figura 5). Un'impedenza termica intermedia più elevata garantisce un migliore isolamento tra i sensori e assicura l'assenza di interferenze tra le misurazioni. Il contenitore del dispositivo deve essere realizzato con materiali a bassa conducibilità termica e tra le due sezioni del sensore deve essere inserita una barriera di isolamento termico.

Figura 5: Per un rilevamento accurato della temperatura ambientale, la resistenza termica tra la pelle e i sensori di temperatura ambientale deve essere elevata. (Immagine per gentile concessione di ams OSRAM)

Il kit di valutazione dà il via allo sviluppo AS6221

Per accelerare lo sviluppo delle applicazioni e il time-to-market, ams OSRAM offre ai progettisti sia un kit di valutazione sia un kit dimostrativo. Il kit di valutazione AS62xx può essere utilizzato per configurare rapidamente il sensore digitale di temperatura AS6221 per la rapida valutazione delle sue capacità. Questo kit di valutazione si collega direttamente a un microcontroller (MCU) esterno utile per accedere alle misurazioni di temperatura.

Figura 6: Il kit di valutazione AS62xx può essere utilizzato per configurare e valutare AS6221. (Immagine per gentile concessione di ams OSRAM)

Kit dimostrativo per AS6221

Una volta completata la valutazione di base, i progettisti possono rivolgersi al kit dimostrativo AS6221 come piattaforma di sviluppo applicativo. Il kit comprende un pulsante di temperatura AS6221 e una batteria a bottone CR2023. Scaricando l'app associata da Apple App Store o da Google Play Store è possibile collegare contemporaneamente fino a tre pulsanti sensore (Figura 7). L'applicazione comunica con i pulsanti sensore tramite Bluetooth, al fine di poter modificare tutte le impostazioni del sensore, compresa la frequenza di misurazione e di osservare l'impatto sul consumo energetico. L'applicazione può registrare sequenze di misurazioni per confrontare le prestazioni di diverse impostazioni del sensore di temperatura. I progettisti possono anche utilizzare il kit dimostrativo per sperimentare la modalità di avviso e capire come utilizzarle per migliorare le prestazioni della soluzione.

Figura 7: Il kit dimostrativo AS6221 funge da piattaforma di sviluppo applicativo per il sensore di temperatura AS6221. (Immagine per gentile concessione di ams OSRAM)

Conclusione

La progettazione di sistemi digitali di rilevamento della temperatura ad alta precisione per l'assistenza sanitaria, il fitness e altri dispositivi indossabili è complessa in termini di progettazione, test e certificazione. Per semplificare il processo, ridurre i costi e abbattere il time-to-market, i progettisti possono utilizzare sensori altamente integrati, a basso consumo e ad alta precisione.

Come illustrato, AS6221 è uno di questi dispositivi. Non richiede calibrazione o linearizzazione e l'apparecchiatura di prova per la produzione è calibrata secondo gli standard NIST da un laboratorio accreditato ISO/IEC-17025, accelerando la progettazione e l'approvazione dei dispositivi medici.

Letture consigliate

1. Prolungare la durata della batteria dei dispositivi indossabili grazie a una temporizzazione efficiente durante gli stati di inattività
2. Usare LDO a bassa dispersione regolabili per estendere la durata della batteria nei progetti di dispositivi indossabili
3. Aumentare l'accuratezza dei fitness tracker con sensori di pressione ad alta precisione