שלבו במהירות חישת טמפרטורה בדירוג-קליני לתוך תכנים רפואיים ניידים ולבישים

לאור הדאגה העולמית מפני ה- COVID-19, המתכננים של התקנים ניידים ולבישים עבור חישת טמפרטורה מאותגרים להקטין את גודל ההתקן, את העלות ואת צריכת ההספק, אפילו כשהם חייבים לשפר את הדיוק, הרגישות והאמינות. כדי לעזור לעמוד באתגרים, החיישנים משתפרים לא רק בביצועים אלא גם בנוחות השימוש הכוללת כדי לפשט את תהליך התכנון והשילוב.

מאמר זה ידון בסוגים הבסיסיים של חיישני טמפרטורה לפני שיתמקד בחיישני IC דיגיטליים ובמאפייני הליבה שעליהם המתכננים צריכים לשים לב. הוא יציג דוגמאות של חיישן טמפרטורה דיגיטלי מבית ams ומבית Maxim Integrated, כמו גם מדחום אינפרה-אדום מבית Melexis Technologies NV כדוגמה לחישת טמפרטורה ללא-מגע. הוא גם יראה כיצד התקנים אלו יכולים לענות על הצרכים של מערכות הדור-הבא, ויתאר לוחות הערכה וערכות בדיקה נלווים וכיצד ניתן להשתמש בהם כדי לעזור למתכננים להתחיל בעבודתם.

בחירת חיישני טמפרטורה

מבין ארבעת הסוגים הנפוצים של חיישני טמפרטורה מהם המתכננים יכולים לבחור עבור חישת טמפרטורה - צמדים תרמיים, התקני טמפרטורה התנגדותים (RTD), תרמיסטורים ומעגלים-משולבים (IC) של חיישני טמפרטורה - האחרונים הם אפשרות טובה עבור תכני רפואה וטיפולי-בריאות מבוססי-מגע. הסיבה העיקרית היא שהם אינם דורשים לינאריזציה, מציעים חסינות רעש טובה וקל יחסית לשלב אותם בהתקני בריאות ניידים ולבישים. עבור חישה ללא-מגע ניתן להשתמש במדי-חום אינפרה-אדום.

הפרמטרים העיקריים אותם המתכננים צריכים להביא בחשבון, במיוחד עבור יישומים לבישים - בין אם מדובר בהתקן הנענד על פרק כף-היד, משובץ בבגדים או כמדבקה רפואית - כוללים גודל, צריכת הספק ורגישות תרמית. הרגישות חשובה מכיוון שכאשר מתכננים עבור דיוק בדירוג-קליני, אפילו הספק טרנזיינטי בסדר גודל של מיקרו-וואט (μW) יכול לחמם את החיישן ולגרום לקריאות לא-מדויקות. שיקול נוסף כולל את סוג הממשק (דיגיטלי או אנלוגי) מכיוון שזה יקבע את הדרישות של רכיבים נלווים, כגון המיקרו-בקר.

כיצד להשיג דיוק בדירוג-קליני

כדי לעמוד בדיוק בדירוג-קליני, לפי ASTM E112, יש להתחיל בבחירת החיישן המתאים. לחיישני הטמפרטורה הדיגיטליים MAX30208 מבית Maxim Integrated, כדוגמה, יש דיוק של C‏°‏0.1‏±‏ מ- 30°C+ עד 50°C+ ו- C‏°‏0.15‏±‏ מ- 0‎°C עד 70°C‏+. מידות ההתקנים הם ‎2 x 2 x 0.75‏ מילימטרים (מ"מ) והם מגיעים במארז LGA דק עם 10 פינים (איור 1). המעגלים-המשולבים (IC‏) פועלים ממתחי הספקה בתחום של 1.7 עד 3.6 וולט וצורכים פחות מ- 67 מיקרו-אמפר (µA‏) בפעולה ו- µA‏ 0.5‏ באופן-המתנה.

איור 1: חיישני הטמפרטורה הדיגיטליים MAX30208 מציעים דיוק מדידה בדירוג-קליני של C‏°‏0.1‏±‏ עבור התקנים מוזני-סוללות כגון שעונים חכמים ומדבקות רפואיות. (מקור התמונה: Maxim Integrated)

כאמור, אתגר קריטי בתכנון עבור דיוק בדירוג-קליני הוא להבטיח שהטמפרטורה של החיישן עצמו לא תשפיע על קריאת המדידה של התקן לביש.

החום של המעגל-המשולב (IC), העובר מלוח ה- PC דרך המארז אל פיסת-הסיליקון של החיישן, יכול להשפיע על הדיוק של קריאות הטמפרטורה. במעגל-משולב (IC) של חיישן טמפרטורה, חום זה מולך דרך פד תרמי ממתכת הממוקם על הצד התחתון של המארז, וגורם לחימום פרזיטי. זה, בתורו, יכול לגרום להולכה תרמית פנימה והחוצה בפינים אחרים. זה בהכרח מפריע למדידות הטמפרטורה.

כדי להתמודד עם חימום פרזיטי, המתכננים יכולים להשתמש במספר טכניקות, כשהראשונה היא שימוש בפסים מוליכים דקים כדי להקטין למינימום את המוליכות התרמית מחוץ ל- IC של החיישן. כמו כן, במקום להשתמש בפד התרמי שבצד התחתון של המארז, המתכננים יכולים למדוד את הטמפרטורה בצד העליון של המארז, רחוק ככל האפשר מהפינים של ה- IC. במקרה של חיישני הטמפרטורה הדיגיטליים +MAX30208CLB ואחרים של MAX30208, מדידת הטמפרטורה מתבצעת בצד העליון של המארז.

טכניקת מניעה נוספת היא למקם רכיבים אלקטרוניים אחרים - שיכולים לתרום חום למערכת ניטור הטמפרטורה - רחוק ככל האפשר מאלמנט החישה כדי להקטין למינימום את השפעתם על נתוני מדידת הטמפרטורה.

שיקולי תכנון תרמי ממערכת-למשתמש

תוך הקפדה על בידוד תרמי ממקורות חום, על המתכננים להבטיח גם מסלול תרמי טוב בין אלמנט חישת הטמפרטורה לבין עור המשתמש. המיקום שמתחת למארז מאתגר את ניתוב הפסים המוליכים ממתכת שעל לוח ה- PC מנקודת המגע עם הגוף.

לכן, בראש ובראשונה, יש לתכנן את המערכת כך שהחיישן יהיה קרוב ככל האפשר ליעד טמפרטורת שיש למדוד. שנית, כפי שמאופשר על ידי חיישני MAX30208, תכנים לבישים ומדבקות רפואיות יכולים להשתמש בלוחות PC גמישים או קשיחים-למחצה. את חיישני הטמפרטורה הדיגיטליים MAX30208 ניתן לחבר ישירות למיקרו-בקר באמצעות כבל גמיש שטוח (FFC) או מעגל מודפס שטוח (FPC).

כשמשתמשים בכבלים אלו, חשוב למקם את המעגל-המשולב (IC) של חיישן הטמפרטורה בצד הגמיש של לוח ה- PC, ובכך להקטין את ההתנגדות התרמית בין משטח העור לבין החיישן. כמו כן, המתכננים צריכים להקטין למינימום את עובי הלוח ההגמיש ככל האפשר; לוח דק יותר יכול להתכופף ביעילות רבה יותר ולאפשר מגע טוב יותר.

חיישני טמפרטורה דיגיטליים מקושרים בדרך כלל למיקרו-בקרים באמצעות ממשק טורי C‏^2‏I. זה המקרה עם ה- +MAX30208CLB מבית Maxim, המשתמש גם ב- FIFO עבור נתוני הטמפרטורה, ומאפשר למיקרו-בקר להיות באופן שינה תקופות ממושכות כדי לשמר את ההספק.

איור 2: חיישני הטמפרטורה הדיגיטליים MAX30208 מיועדים עבור מדי-חום רפואיים ומנטרי טמפרטורת גוף לבישים. (מקור התמונה: Maxim Integrated)

חיישן הטמפרטורה הדיגיטלי +MAX30208CLB משתמש ב- FIFO של 32 מילים כדי ליצור אוגר הגדרות חיישן טמפרטורה המציע עד 32 קריאות טמפרטורה, כשכל אחת מהן כוללת שני בתים. אוגרים ממופי-זיכרון אלו גם מאפשרים לחיישנים להציע התרעות טמפרטורה דיגיטליות בהתאם לסף גבוה ולסף נמוך.

ישנם גם שני פיני I/O לשימוש-כללי (GPIO‏): GPIO1 ניתן להגדרה להתנעת המרת טמפרטורה, בעוד ש- GPIO0 ניתן להגדרה ליצירת פסק (Interrupt) עבור ביטי סטטוס ניתנים-לבחירה.

חיישני טמפרטורה מכוילים במפעל

חיישני טמפרטורה דיגיטליים רבים מכוילים כעת במפעל, ובכך נחסך הצורך בכיול בשטח או בכיול-מחדש פעם בשנה, כפי שקורה עם חיישני טמפרטורה רבים מהדורות הקודמים. יתר על כן, כיול במפעל עוקף את הצורך בפיתוח תוכנה עבור לינאריזציית היציאה, כמו גם בביצוע סימולציה ובכוונון-עדין של המעגל. הוא גם חוסך את הצורך במספר רב של רכיבים מדויקים ומקטין למינימום את הסיכון לאי-תיאום עכבות.

לדוגמה, משפחת חיישני הטמפרטורה AS621x מבית ams מכוילת במפעל ומגיעה עם לינאריזציה משולבת (איור 3). יש לו גם שמונה כתובות C‏^2‏I‏ כדי לאפשר למתכננים לנטר את הטמפרטורה בשמונה נקודות חמות פוטנציאליות שונות באמצעות אפיק יחיד.

איור 3: חיישני AS621x מספקים מערכת טמפרטורה דיגיטלית שלמה עם כיול במפעל. (מקור התמונה: ams)

הממשק הטורי עם שמונה כתובות C‏^2‏I מקל גם על פיתוח אב-טיפוס ואימות התכן עבור מפתחי מערכות ניטור הקשורות לבריאות.

כדי לעזור להתאים את החיישנים לדרישות היישום הספציפיות שלהם, חיישני AS621x זמינים בשלוש גרסות דיוק: C‏°‏0.2‏±‏, C‏°‏0.4‏±‏ ו- C‏°‏0.8‏±‏. עבור מערכות ניטור הקשורות לבריאות, דיוק בתחום של C‏°‏0.2‏±‏ הוא מספיק, והופך את ה- AS6212-AWLT-L לאופציה מתאימה. לכל התקני AS621x יש רזולוציה של ‎16-bit כדי לגלות שינויי טמפרטורה קטנים על פני מלוא תחום טמפרטורות הפעולה שלהם של 40°C- עד 125°C+.

הגודל של התקני AS621x הוא 1.5 מ"מ² והם מגיעים במארז בגודל-שבב ברמת-פרוסת-סיליקון (WLCSP) כדי להקל על השילוב בתוך התקן טיפולי בריאות. הם פועלים ממתח הספקה של 1.71 וולט וצורכים μA‏ 6‏ במהלך פעולה ו- μA‏ 0.1‏ באופן המתנה. חתימת-השטח הזעירה וצריכת ההספק הנמוכה הופכים את חיישני הטמפרטורה כדוגמת ה- AS6212-AWLT-L למתאימים במיוחד עבור יישומים ניידים והתקנים לבישים מוזני-סוללות.

חיישני טמפרטורה ללא-מגע

בניגוד ל- IC של חיישני טמפרטורה הדורשים מגע פיזי מסוים, מדי חום אינפרה-אדום מבצעים מדידות טמפרטורה ללא-מגע. חיישנים ללא-מגע אלו מודדים שני פרמטרים: טמפרטורת הסביבה וטמפרטורת האובייקט.

מדי-חום אלו מגלים כל אנרגיה מעל 0 קלווין (האפס המוחלט) הנפלטת על ידי האובייקט שלפני ההתקן. לאחר מכן הגלאי ממיר את האנרגיה לאות חשמלי ומעביר אותו למעבד כדי לפענח ולהציג את הנתונים לאחר קיזוז עבור שינויים שנגרמו כתוצאה מטמפרטורת הסביבה.

לדוגמה, מד-חום אינפרה-אדום MLX90614ESF-BCH-000-TU מבית Melexis כולל שבב גלאי תרמופיל אינפרה-אדום ושבב אכשור אותות המשולב בתוך מארז TO-39 (איור 4). מגבר עם רעש נמוך, ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) של bit‏-17‏ ומעבד אותות דיגיטלי (DSP) המשולבים במשפחת MLX90614 מבטיחים דיוק ורזולוציה גבוהים.

איור 4: למד-חום אינפרה-אדום MLX90614 יש דיוק סטנדרטי של 0.5°C בטמפרטורת החדר. (מקור התמונה: Melexis)

מדי-חום אינפרה-אדום MLX90614 מכוילים במפעל עבור תחום טמפרטורות של 40°C- עד 85°Cעבור טמפרטורת הסביבה, ו- 70°C‏- עד C‏°‏ 382.2‏ עבור טמפרטורת האובייקט. יש להם דיוק סטנדרטי של 0.5°C בטמפרטורת החדר.

חיישני טמפרטורה ללא-מגע אלו מספקים שני אופני יציאה: אפנון רוחב פולס (PWM) ו- SMBus דרך ממשק דו-חוטי (TWI) או קישור C‏^2‏I‏. החיישן מגיע מכוייל מהמפעל עם יציאת SMBus דיגיטלית, ויכול לשרת את תחום הטמפרטורות כולו עם רזולוציה של C‏°‏0.02‏. מצד שני, המתכננים יכולים להגדיר את תצורת היציאה הדיגיטלת PWM של 10‎-bit עם רזולוציה של C‏°‏0.14‏.

הפיתוח עם חיישני טמפרטורה

קו החיישנים MAX30208 נתמך על ידי מערכת ההערכה #MAX30208EVSYS מביתMaxim Integrated, הכוללת לוח PC גמיש הנושא את המעגל-המשולב (IC) של חיישן הטמפרטורהMAX30208 (איור 5). מערכת ההערכה כוללת שני לוחות: לוח מיקרו-בקר MAX32630FTHR ולוח ממשק MAX30208, המחוברים באמצעות פסי-פינים. המתכננים צריכים רק לחבר את חומרת ההערכה ל- PC באמצעות כבל USB המסופק. לאחר מכן המערכת תתקין אוטומטית את מנהלי ההתקנים הנדרשים. לאחר התקנתם, יש להוריד את תוכנת ערכת EV.

איור 5: המתכננים יכולים לחבר את חומרת ההערכה ל- PC באמצעות כבל USB המסופק. מנהלי ההתקן הנדרשים מותקנים אוטומטית. (מקור התמונה: Maxim Integrated)

ראוי גם להזכיר כאן שהתקן נייד או לביש יכול למדוד את טמפרטורת הגוף במספר מיקומים. לדוגמה, בבגד ספורט ניתן לחבר מספר רכיבי IC לטמפרטורה MAX30208 באמצעות כתובות C‏^2‏I בסידור Daisy-Chain לסוללה בודדת ולמיקרו-בקר מארח. כאן, כל חיישן טמפרטורה נקרא על ידי המיקרו-בקר באופן מחזורי כדי ליצור פרופיל של הטמפרטורה הן המקומית והן של הגוף-השלם.

עבור חיישן אינפרה-אדום MLX90614, מפתחי התקנים רפואיים יכולים להתחיל לעבוד עם לוח Click‏ IrThermo‏ MIKROE-1362 הקומפקטי מבית MikroElektronika. הוא מקשר בין מודול מד-חום אינפרה-אדום אזור-יחיד MLX90614ESF-AAA לבין לוח המיקרו-בקר באמצעות קו C^‏2‏I‏ mikroBUS או קו PWM‏ (איור 6).

איור 6: ניתן להשתמש בלוח MIKROE-1362 IrThermo Click כדי להתחיל בפיתוח באמצעות חיישן MLX9016 מבית Maxim Integrated. (מקור התמונה: MikroElektronika)

לוח 5 וולט מבית MikroElektronika מכויל עבור תחום הטמפרטורות של -40°C- עד 85°C עבור טמפרטורת הסביבה ו- 70°C‏- עד C‏°‏380‏+ עבור טמפרטורת האובייקט.

סיכום

המתכננים מאותגרים להפוך את חישת הטמפרטורה בדירוג-קליני לזמינה יותר לשוק ההמוני, למרות אתגרים כמו הספק, גודל, עלות, אמינות ודיוק. חיישנים עם-מגע וללא-מגע, הנתמכים על ידי ערכות הערכה, זמינים כעת כדי לעזור להם לענות על ביקוש זה במהירות וביעילות. כפי שהוצג, חיישנים אלו מגיעים לא רק עם מאפייני הביצועים הנדרשים למדידת טמפרטורה בדירוג-קליני, אלא גם עם כיול במפעל וממשקים דיגיטליים הנדרשים כדי להקל על שילובם לתוך התכנים של הדור-הבא.