כיצד להשתמש בחיישני טמפרטורה דיגיטליים עם דיוק גבוה בהתקנים לבישים לניטור בריאות

מדידות טמפרטורה דיגיטליות מדויקות הן חשובות במגוון של יישומים, כולל התקנים לבישים, התקני ניטור רפואי, עוקבי בריאות וכושר, ניטור שרשרות וסביבות קור ומערכות מחשוב תעשייתיות. למרות היישום נרחב, המימוש של מדידות טמפרטורה דיגיטליות מדויקות ביותר כולל לעתים כיול או ליניאריזציה של חיישני טמפרטורה, כמו גם צריכת הספק גבוהה יותר היכולה להוות בעיה עבור יישומים קומפקטיים עם צריכת הספק אולטרה-נמוכה ועם מספר אופני איסוף. אתגרי התכנון יכולים להצטבר במהירות ולגרום לעלויות גבוהות מדי ולעיכובים בלוחות הזמנים.

יישומים מסוימים כוללים חיישני טמפרטורה רבים החולקים אפיק תקשורת אחד, המסבך את העניין עוד יותר. בנוסף, יש לכייל כמה מערכי בדיקות ייצור על פי המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה של ארה"ב (NIST), בעוד שציוד אימות צריך להיות מכויל על ידי מעבדה מוסמכת-ISO/IEC-17025‏. לפתע, מה שנראה כפונקציה פשוטה הופך להיות מפחיד ויקר כאחד.

מאמר זה מתאר בקצרה את הדרישות למדידת טמפרטורה עם דיוק גבוה ביישומי ניטור בריאות ניידים ומוזני סוללות. לאחר מכן הוא מציג מעגל-משולב (IC) של חיישן טמפרטורה דיגיטלי בהספק נמוך ודיוק גבוה של ams OSRAM‏שאינו דורש כיול או ליניאריזציה. הוא מסיים עם המלצות אינטגרציה, לוח הערכה וערכת הדגמה מאופשרת-Bluetooth עם אפליקציה נלווית המאפשרת לשנות את הגדרות החיישן ולצפות בהשפעה על צריכת ההספק.

הדרישות עבור ניטור טמפרטורה עם דיוק גבוה

דיוק הוא חובה ביישומי ניטור בריאות. כפי שהם מיוצרים, חיישני טמפרטורה דיגיטליים מציגים שונות בין חלק לחלק בביצועים שאיתה יש להתמודד. מכיוון שכיול בתוך-הבית הוא יקר ושימוש בחיישנים לא-מכוילים מעלה את עלות השגת הדיוק הרצוי, על המתכננים לשקול חיישנים מכוילים ולינאריים במלואם. עם זאת, חשוב לוודא שיצרנית החיישנים משתמשת במכשירי כיול העומדים בתקני NIST. השימוש במכשירים עם כיול מסוג זה מבטיח עקיבות רציפה חזרה לתקני NIST הבסיסיים, כאשר אי הוודאות בכל חוליה בשרשרת מזוהה ומתועדת כך שניתן לטפל בה במערכת אבטחת האיכות של יצרן ההתקן.

התקן העיקרי עבור מעבדות בדיקה וכיול הוא ISO/IEC 17025‏ "דרישות כלליות עבור כשירות של מעבדות בדיקה וכיול". תקן ISO/IEC 17025 מבוסס על עקרונות טכניים המתמקדים במיוחד במעבדות כיול ובדיקה, משמש עבור הסמכתן ומספק את הבסיס עבור פיתוח תוכניות שיפור מתמיד.

חיישן טמפרטורה דיגיטלי עם בדיקת ייצור עוקבת-NIST

כדי לעמוד בדרישות התכנון וההסמכה הרבות, המתכננים יכולים לפנות לחיישן הטמפרטורה הדיגיטלי AS6211‏של ams OSRAM המעניק דיוק של עד ±0.09°C ואינו דורש כיול או ליניאריזציה. בדיקות הייצור של ה-AS6211 מתוכננות עבור התקני בריאות, התקנים לבישים ויישומים אחרים הדורשים מידע תרמי עם ביצועים עיליים ומכוילים על ידי מעבדה מוסמכת ISO/IEC-17025 בהתאם לתקני NIST. בדיקת הייצור המכויל מאיצה את תהליך קבלת ההרשאה לתקן EN 12470-3‏, הנדרשת עבור מדי חום רפואיים באיחוד האירופי.

ה-AS6211 הוא חיישן טמפרטורה דיגיטלי שלם במארז בגודל שבב ברמת פרוסת סיליקון (WLCSP‏) עם שישה פינים ובגודל 1.0‏ x‏ 1.5 מילימטר (מ"מ), מוכן לאינטגרציה בתוך מערכת. דוגמה למק"ט ניתן להזמנה, ה-AS6221-AWLT-S‏ מסופק בקבוצות של 500 יחידות על סרט-וסליל. המדידות של ה-AS6211 מועברות דרך ממשק I²C סטנדרטי התומך בשמונה כתובות I²C, ובכך מבטל את החששות מפני התנגשויות אפיק בתכנים רבי-חיישנים.

דיוק גבוה פלוס הספק נמוך

ה-AS6221 מספק דיוק גבוה עם צריכת הספק נמוכה על פני תחום מתחי ההספקה המלא שלו בין 1.71 עד 3.6 וולט DC, וזה חשוב במיוחד ביישומים המוזנים על ידי תא סוללה יחיד. הוא כולל חיישן טמפרטורת Bandgap סיליקון (Si) רגיש ומדויק, ממיר אנלוגי-לדיגיטלי ומעבד אותות דיגיטלי עם רגיסטרים ולוגיקת בקרה נלווים. פונקציית ההתרעה המשולבת יכולה להפעיל פסק (Interrupt) בסף טמפרטורה מסוים, המתוכנת על ידי הגדרת ערך הרגיסטר.

ה-AS6221 צורך 6 מיקרו-אמפר (µA) בעת ביצוע ארבע מדידות בשנייה, ובאופן המתנה צריכת ההספק היא רק µA‏ 0.1‏. השימוש בפונקציית ההתרעה המשולבת כדי להעיר את מעבד היישום רק כאשר הושג סף טמפרטורה יכול להפחית עוד יותר את צריכת ההספק של המערכת.

אפשרויות שילוב התקנים לבישים

ביישומי התקנים לבישים, ככל שהחיבור התרמי בין החיישן לבין העור טוב יותר, מדידת הטמפרטורה תהיה מדויקת יותר. למתכננים יש מספר אפשרויות עבור מיטוב החיבור התרמי. דרך אחת היא לשים פין מוליך תרמית בין העור לבין החיישן (איור 1). כדי להשיג תוצאות אמינות, יש לבודד את הפין מכל מקור חיצוני של אנרגיה תרמית, כגון מארז ההתקן, ויש להשתמש במשחה או דבק תרמי בין הפין לבין ה-AS6211. גישה זו נהנית משימוש בלוח מעגלים מודפסים (PCB‏) גמיש כדי לשאת את ה-AS6221, מה שמאפשר יותר חופש במיקום החיישן.

איור 1: ניתן להשתמש בלוח PCB גמיש ודבק תרמי כדי לספק מסלול אימפדנס תרמי נמוך בין העור לבין החיישן. (מקור התמונה: ams OSRAM‏)

בתכנים הנהנים מהחיישן על לוח ה-PCB הראשי, ניתן ליצור את החיבור התרמי באמצעות קפיץ מגע או פד תרמי. אם החיישן מותקן על החלק התחתון של לוח ה-PCB, ניתן להשתמש בקפיץ מגע כדי ליצור חיבור תרמי בין פין המגע לבין המעברים (Vias) התרמיים על לוח ה-PCB המחוברים לחיישן (איור 2). גישה זו יכולה להניב התקן יעיל וחסכוני התומך במרחקים ארוכים יותר בין החיישן לעור, אך היא דורשת התייחסות מדוקדקת לממשקים התרמיים השונים כדי להשיג רמות גבוהות של רגישות.

איור 2: כאשר החיישן מורכב על החלק התחתון של לוח ה-PCB, ניתן להשתמש בחיבורים תרמיים וקפיץ מגע כדי להתחבר לפין המגע. (מקור התמונה: ams OSRAM‏)

אפשרות שלישית היא להשתמש בפד תרמי כדי לחבר את הפין לחיישן המורכב על החלק העליון של לוח ה-PCB (איור 3). בהשוואה לשימוש במגע קפיצי או PCB גמיש, גישה זו דורשת משטח עם מוליכות תרמית גבוהה ותכנון מכני קפדני כדי להבטיח אימפדנס תרמי מינימלי בין פין המגע לבין החיישן. זה יכול להניב הרכבה פשוטה יותר עם רמות גבוהות של ביצועים.

איור 3‏: פד תרמי יכול לחבר חיישן מורכב-למעלה לפין המגע. זה מניב הרכבה פשוטה יותר ועדיין רמות גבוהות של ביצועים. (מקור התמונה: ams OSRAM‏)

שיפור זמן תגובה תרמית

על מנת להשיג זמני תגובה תרמית מהירים, חשוב להקטין למינימום את ההשפעות החיצוניות על המדידה, במיוחד על ידי חלק ה-PCB הסמוך ישירות לחיישן. שתי הצעות תכנון ברות-מימוש הן שימוש במיפתחים כדי להקטין למינימום משטחי נחושת כלשהם בקרבת החיישן בחלק העליון של ה-PCB (איור 4, למעלה), והפחתת העומס התרמי בתחתית ה-PCB על ידי שימוש באזור מיפתח מתחת לחיישן כדי להקטין את מסת ה-PCB הכוללת (איור 4, למטה).

איור 4‏: מיפתחים בחלק העליון והתחתון של לוח ה-PCB מקטינים למינימום את מסת ה-PCB סביב החיישן ומשפרים את זמן התגובה שלו. (מקור התמונה: ams OSRAM‏)

בנוסף להקטנה למינימום של השפעות ה-PCB, טכניקות אחרות היכולות לעזור לשפר את מהירות המדידה והביצועים כוללות:

• מקסום אזור המגע עם העור כדי להגדיל את החום הזמין לחיישן.
• שימוש בפסים מוליכים מנחושת דקה והקטנה למינימום של גודל משטחי הספקת-הכוח וההארקה.
• שימוש בסוללות ורכיבים אחרים כגון צגים קטנים ככל האפשר כדי להשיג את דרישות הביצועים של ההתקן.
• תכנון המארז לבידוד תרמי של החיישן על ה-PCB מהרכיבים שמסביב ומהסביבה החיצונית.

חישת טמפרטורת הסביבה

שיקולים נוספים חלים בעת שימוש במספר חיישני טמפרטורה, כגון בתכנים המשתמשים גם בטמפרטורת העור וגם בטמפרטורת הסביבה הסובבת. מומלץ להשתמש בחיישן נפרד עבור כל סוג מדידה. התכן התרמי של ההתקן אמור למקסם את האימפדנס התרמי בין שני החיישנים (איור 5). אימפדנס תרמי מפריד גבוה יותר מספק בידוד טוב יותר בין החיישנים ומבטיח שהמדידות לא יפריעו זו לזו. את מארז ההתקן יש לייצר עם חומרים בעלי מוליכות תרמית נמוכה, ויש להכניס מחסום בידוד תרמי בין שני מקטעי החיישנים.

איור 5: עבור חישת טמפרטורת סביבה מדויקת צריכה להיות התנגדות תרמית גבוהה בין חיישני הטמפרטורה של העור לבין חיישני טמפרטורת הסביבה. (מקור התמונה: ams OSRAM‏)

ערכת ההערכה המתניעה את הפיתוח עם ה-AS6221‏

כדי להאיץ את פיתוח היישום ולקצר את זמן היציאה לשוק, ams OSRAM מציעה למתכננים גם ערכת הערכה וגם ערכת הדגמה. ערכת ההערכה AS62xx יכולה לשמש לכינון מהיר של חיישן הטמפרטורה הדיגיטלי AS6221, ומאפשרת הערכה מהירה של היכולות שלו. ערכת הערכה זו מתחברת ישירות למיקרו-בקר (MCU) חיצוני שניתן להשתמש בו כדי לגשת למדידות הטמפרטורה.

איור 6‏: ערכת ההערכה AS62xx יכולה לשמש לכינון מהיר והערכה של ה-AS6221. (מקור התמונה: ams OSRAM‏)

ערכת הדגמה עבור ה-AS6221‏

לאחר השלמת ההערכה הבסיסית, המתכננים יכולים לפנות לערכת ההדגמה AS6221 כפלטפורמת פיתוח יישומים. ערכת ההדגמה כוללת כפתור טמפרטורה AS6221 וסוללת תא מטבע CR2023. הורדת האפליקציה הנלווית מ-App Store או מחנות Google Play תומכת בחיבור לעד שלושה כפתורי חיישן בו-זמנית (איור 7). האפליקציה מתקשרת עם הכפתורי חיישן באמצעות Bluetooth, המאפשר לשנות את כל הגדרות החיישן, כולל תדירות המדידות, ולצפות בהשפעה על צריכת ההספק. האפליקציה יכולה להקליט רצפי מדידות, ובכך לאפשר השוואות בין הביצועים של הגדרות שונות של חיישני הטמפרטורה. המתכננים יכולים גם להשתמש בערכת ההדגמה כדי לנסות את אופן ההתרעה וללמוד כיצד ניתן להשתמש בו כדי לשפר את ביצועי הפתרון.

איור 7: ערכת ההדגמה של AS6221 משמשת כפלטפורמת פיתוח יישומי חיישן טמפרטורה עבור ה-AS6221. (מקור התמונה: ams OSRAM‏)

סיכום

תכנון מערכות חישת טמפרטורה דיגיטלית עם דיוק גבוה עבור שירותי בריאות, כושר והתקנים לבישים אחרים הוא תהליך מורכב בכל הנוגע לתכן, בדיקה והרשאה. כדי לפשט את התהליך, להוזיל את העלות ולהגיע לשוק מהר יותר, המתכננים יכולים להשתמש בחיישנים משולבים ביותר בהספק נמוך ודיוק גבוה.

כפי שהוצג, ה-AS6221 הוא התקן כזה. הוא אינו דורש כיול או ליניאריזציה, וציוד בדיקת הייצור מכויל בהתאם לתקני NIST על ידי מעבדה מוסמכת ISO/IEC-17025, מה שמאיץ את תהליך התכנון וההרשאה של התקנים רפואיים.

קריאה מומלצת

1. הארכת חיי הסוללות בהתקנים לבישים באמצעות מעקב זמן יעיל במהלך מצבי העדר פעילות
2. השתמשו במייצבי LDO עם זליגה נמוכה ומתכווננת כדי להאריך את חיי הסוללה בתכנים לבישים
3. שפרו את דיוק עוקב הכושר הגופני באמצעות חיישני לחץ בדיוק גבוה