工程師溫度傳感指南—溫度傳感器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和解決方案， 從熱敏電阻到多通道遠(yuǎn)程傳感器IC②

簡(jiǎn)介

為了保持營(yíng)養(yǎng)并確保質(zhì)量和產(chǎn)品安全，制造商規(guī)定了包裝和易腐商品（尤其是食品和藥品）的運(yùn)輸和儲(chǔ)存溫度。 但是經(jīng)過(guò)當(dāng)?shù)仉s貨店到達(dá)消費(fèi)者手上之前，水果、蔬菜 和冷凍食品在運(yùn)輸期間和大型制冷設(shè)備貨架上停留了大量時(shí)間，如圖 1 所示。將這些商品保持在適當(dāng)溫度至關(guān)重要。

冷鏈管理將確保在包裝和易腐商品的生命周期每個(gè)階段 都滿足適當(dāng)條件。冷鏈管理還要確保操作員在運(yùn)輸或儲(chǔ) 存期間發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生偏離儲(chǔ)存溫度范圍的情況時(shí)可以采 取適當(dāng)?shù)拇胧?/p>

冷鏈拓?fù)?/strong>

帶有測(cè)量?jī)x表的溫度傳感器長(zhǎng)期以來(lái)一直很受歡迎。然而，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，而且大多數(shù)冷鏈管理發(fā)生在 -40°C 至 +10°C 的溫度范圍內(nèi)，集成的溫度傳感器成為了冷鏈管理的最佳選擇。

根據(jù)應(yīng)用，可能有不同的拓?fù)?。如圖 2 所示，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓 撲中，單個(gè)微控制器 (MCU) 連接到溫度傳感器，該傳感器可以是模擬或數(shù)字輸出傳感器。在運(yùn)輸過(guò)程中管理貨 物托盤時(shí)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)浞浅Ｓ杏谩?/p>

在感測(cè)一組制冷容器（如冰箱）時(shí)，由于單個(gè) MCU 的成本太高，無(wú)法在整個(gè)系統(tǒng)中多次實(shí)施。在此類情況下，最 常見的拓?fù)涫切切?、共享總線或菊花鏈拓?fù)洌▓D 3）：

? 星形拓?fù)淇梢栽谀骋粋€(gè)分支出現(xiàn)故障時(shí)輕松實(shí)現(xiàn)故 障隔離。星形拓?fù)淇梢酝瑫r(shí)使用模擬和數(shù)字輸出溫度傳感器，但由于控制器外設(shè)數(shù)量較高且系統(tǒng)無(wú)法充分?jǐn)U展，因此實(shí)施成本較高。

? 在共享總線拓?fù)渲?，一個(gè) MCU 充當(dāng)多個(gè)傳感器的主控制器。使用數(shù)字溫度傳感器即可輕松實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展。共享總線拓?fù)鋾?huì)共享線路，但仍然可以使用帶內(nèi)尋址（ 如 I2C 總線）或基于片選的帶外信令（串行外設(shè)接口 就是這種情況）進(jìn)行單獨(dú)尋址。然而，I2C 面臨的問(wèn)題 可能是長(zhǎng)鏈上的可靠電力輸送和信號(hào)完整性。

? 菊花鏈不需要帶外信令，而是使用帶內(nèi)尋址方案。一 個(gè)鏈的每一級(jí)充當(dāng)下一個(gè)鏈的緩沖器，因此可以改善更長(zhǎng)距離的信號(hào)完整性。

無(wú)論處于冷鏈管理的哪個(gè)監(jiān)測(cè)階段，電子系統(tǒng)都具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈儾粌H可以記錄托盤或制冷設(shè)備的溫度，還可以提供閾值以便在超過(guò)特定閾值時(shí)發(fā)出警報(bào)。此類事件可通過(guò)聲音或視覺警報(bào)（如蜂鳴器或閃爍的 LED 指示燈）的形式直觀地傳達(dá)給操作員，還可使用有線或無(wú)線 MCU 集成到云服務(wù)中，從而實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)記錄 。

圖 4 顯示了 9,600bps 的通信接口的信號(hào)完整性。SMAART wire ^TM 數(shù)字接口使用通用異步接收器/發(fā)送器總線，這是幾乎所有 MCU 上的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，因此可以更輕松地開發(fā)軟件。同時(shí)，菊花鏈實(shí)現(xiàn)方案更便于識(shí)別電纜斷裂的位置，因此更容易維護(hù)和提高整體系統(tǒng)可靠性。

器件建議

TMP107 數(shù)字輸出溫度傳感器支持總共 32 個(gè)菊花鏈器 件，可在需要高精度和系統(tǒng)范圍擴(kuò)展性的冷鏈管理應(yīng)用中替代NTC 熱敏電阻。TMP107 在 -20°C 至 +70°C 溫度 范圍內(nèi)的最高精度規(guī)格為 ±0.4°C，在 -40°C 至 +100°C 范圍內(nèi)為±0.55°C，且溫度分辨率為 0.015625°C。

憑借自動(dòng)地址分配功能，TMP107 允許系統(tǒng)開發(fā)人員在編寫軟件時(shí)無(wú)需為每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配地址，因?yàn)橄到y(tǒng)會(huì)通過(guò)添加額外的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展。同時(shí)，通過(guò)使用推挽式通信輸入/輸出，系統(tǒng)可以更好地抵抗噪聲，防止噪聲影響長(zhǎng)電纜上的溫度值。這種彈性使得鏈中相鄰器件之間跨度為 1,000 英尺的數(shù)據(jù)傳輸成為可能。

使用有源總線通信執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換時(shí)，TMP107 的電流消耗通常為 300μA。在低功耗模式下的關(guān)斷電流為 3.8μA。 該器件具有 1.7V 至 5.5V 的寬工作電壓范圍，由于電流消耗很低，因此非常適合用于冷鏈管理運(yùn)輸階段的電池 供電型系統(tǒng)。提高波特率可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新，有助于儲(chǔ)存冷凍食品。

此外，TMP107 將配置和溫度限制存儲(chǔ)在內(nèi)部非易失性存儲(chǔ)器中。因此，該器件可以在上電時(shí)自動(dòng)配置，進(jìn)而無(wú)需單獨(dú)進(jìn)行器件配置，并可提高系統(tǒng)運(yùn)行速度。該器件還具有八個(gè)電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器 (EEPROM) 位置， 提供高達(dá) 128 位的 EEPROM 來(lái)存儲(chǔ)用戶信息或校準(zhǔn)信息。

菊花鏈拓?fù)涫菍?shí)現(xiàn)高效冷鏈溫度監(jiān)測(cè)的最佳方式。TMP107 實(shí)現(xiàn)了精度、功耗和功能的完美結(jié)合，可支持基于電池的冷鏈管理系統(tǒng)。

表 1 列出了此實(shí)現(xiàn)方案的備選器件建議。

有關(guān)此主題的更多信息，或有關(guān)冷鏈?zhǔn)袌?chǎng)的一般性建議， 請(qǐng)參閱表 2 中的相關(guān)內(nèi)容。

了解患者的體溫是任何臨床診斷的關(guān)鍵第一步，也是運(yùn) 動(dòng)員的重要關(guān)注點(diǎn)。除了要求超高精度外，行業(yè)正朝著緊 湊型可穿戴設(shè)備的方向發(fā)展，以提供持續(xù)的溫度監(jiān)測(cè)。精 度高達(dá) 0.1°C 的溫度傳感器不僅符合美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié) 會(huì) (ASTM) E1112 對(duì)醫(yī)用溫度計(jì)的要求，而且還經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可使電池供電的可穿戴設(shè)備保持緊湊和舒適。

可穿戴式溫度傳感的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

簡(jiǎn)介

在臨床環(huán)境中監(jiān)測(cè)患者生命體征通常是需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格校準(zhǔn)的昂貴系統(tǒng)所執(zhí)行的工作，需要將患者束縛在臨床監(jiān)護(hù)儀旁邊。無(wú)線患者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可提供患者舒適性和臨床便利性，只要仍然符合嚴(yán)格的醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)即可。

在設(shè)計(jì)可穿戴式溫度監(jiān)測(cè)儀時(shí)，需要在功耗、尺寸、系統(tǒng)性能（射頻 [RF] 和精度方面）和患者舒適度之間進(jìn)行許多權(quán)衡。例如，更輕薄、更柔軟的電池提供更大的舒適性， 但可能需要更精心的電源管理。

更小、更低成本的設(shè)計(jì)需要在隔熱和射頻性能方面做出犧牲。用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的解決方案必須充分利用電路板面 積來(lái)提高精度和信號(hào)完整性，同時(shí)盡可能降低電流消耗。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須平衡這些要求以及患者的舒適度和體驗(yàn)。

溫度計(jì)的合規(guī)性

美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì) (ASTM) E1112 和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 80601-2-56:2017 是間歇性電子式患者溫度計(jì)的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于符合 ASTM E1112 標(biāo)準(zhǔn)的臨床溫度測(cè)量應(yīng)用，體溫監(jiān)測(cè)儀必須能夠產(chǎn)生 ±0.1°C 精度的讀數(shù)，還必須讀取并顯示最低 35.8°C 至 41.0°C 的溫度。至少，任何溫度監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)都應(yīng)該包括一個(gè)能夠在校準(zhǔn)后滿足這些要 求的傳感元件。

TI 建議對(duì)可穿戴式溫度監(jiān)測(cè)儀使用 TMP117 超高精度數(shù)字溫度傳感器。該器件本身在 25°C 至 50°C 溫度范圍內(nèi)的精度優(yōu)于 0.1°C，無(wú)需校準(zhǔn)即可滿足 ASTM E1112 和 ISO 80601-2-56:2017 的要求。此外，TMP117 的低總電流消耗和單次觸發(fā)模式非常適合電池供電的應(yīng)用。與基于電阻溫度檢測(cè)器 (RTD) 或熱敏電阻的解決方案相比，TMP117 的數(shù)字 I2C 輸出還極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

布局注意事項(xiàng)

即使采用合適的傳感元件，確保整體系統(tǒng)精度仍然需要仔細(xì)進(jìn)行電路板布局。若要監(jiān)測(cè)皮膚溫度，最佳布局應(yīng)滿足以下條件：

? 最大限度提高傳感元件和其他器件之間的隔熱能力。

? 最大限度降低溫度傳感元件周圍的熱質(zhì)量以加快響應(yīng)速度。

? 在患者和傳感元件之間提供良好的熱接觸，使傳感器和目標(biāo)之間的溫度梯度最小化。

優(yōu)化隔熱和熱質(zhì)量

圖 1 顯示了一個(gè)皮膚溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示例。TMP117 數(shù)字溫度傳感器使用窄臂從印刷電路板 (PCB) 的其余部分進(jìn)行延伸，從而最大限度減少電路板其余部分的熱傳導(dǎo)。

圖 2 顯示了相同雙層柔性 PCB 的疊層。使用柔性板有助于減少總體熱質(zhì)量，從而改善患者監(jiān)測(cè)儀的熱響應(yīng)時(shí)間。 在電路板頂部和底部之間省略銅填充會(huì)阻止從 TMP117 吸走熱量并增加熱質(zhì)量。

熱接觸

為了對(duì)患者皮膚溫度進(jìn)行可靠測(cè)量，需要被監(jiān)測(cè)患者與傳感器件之間實(shí)現(xiàn)良好的熱接觸。這種熱接觸與電路板其余部分的熱隔離相互配合，可確保報(bào)告的溫度盡可能接近患者的實(shí)際皮膚溫度。使用 TMP117，牢固的覆銅和接觸過(guò)孔可以在電路板下面提供導(dǎo)熱路徑，如圖 3 所示。 焊盤與穿戴者的皮膚直接接觸，并確保該器件的主要熱源來(lái)自被監(jiān)測(cè)者。

自發(fā)熱

無(wú)論選擇何種傳感元件和布局，鑒于醫(yī)用溫度計(jì)的嚴(yán)格精度要求，均需要了解器件自發(fā)熱影響。由于所選的傳感元件會(huì)發(fā)生電阻損耗，因此始終存在一定程度的自發(fā)熱。TMP117 可配置為單次觸發(fā)模式轉(zhuǎn)換，并可在連續(xù)讀取之間保持關(guān)斷模式，從而最大限度減少自發(fā)熱。TMP117 的單次觸發(fā)特性可以使用可配置數(shù)量的平均讀數(shù)來(lái)觸發(fā)各個(gè)溫度讀數(shù)。人體溫度通常不會(huì)在大約幾秒鐘內(nèi)就出現(xiàn)變化，因此以 10 到 60 秒的間隔讀取這些讀數(shù)足以長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)患者體溫。此方法還具有延長(zhǎng)系統(tǒng)有效電池壽命的額外好處。

系統(tǒng)功率

電源要求將根據(jù)整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)而有所不同，但大多數(shù)無(wú)線患者監(jiān)測(cè)儀需要有足夠的能量存儲(chǔ)，確保能維持?jǐn)?shù)年的貨架期，并至少有 48 至 72 小時(shí)的有效使用壽命。紐扣電池輕而易舉就能滿足這些能量要求，但它們是完全剛性的，可能會(huì)讓患者感到不舒服。在一次性貼片中，基于紐扣電池的解決方案可能非常浪費(fèi)。

另一種能量存儲(chǔ)選擇是使用薄膜柔性電池。由于這些電池的存儲(chǔ)容量很小，若要使用這些電池，總系統(tǒng)功耗必須極小。如果僅進(jìn)行間歇性溫度監(jiān)測(cè)，使用柔性電池供電的系統(tǒng)可以輕松滿足具體應(yīng)用的電池要求，可確保數(shù)年的貨架期和 48 至 72 小時(shí)的有效使用時(shí)間。

進(jìn)行系統(tǒng)權(quán)衡

雖然遵循布局建議對(duì)于滿足 ASTM E1112 和 ISO 80601- 2-56 標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要，但還有其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。為了使患者感到舒適，最好將非溫度監(jiān)測(cè)器件和射頻區(qū)域 保持在盡可能小的面積內(nèi)。保持電路板的填充區(qū)域緊湊有助于減小監(jiān)測(cè)儀上使患者感到僵硬的區(qū)域。

對(duì)于射頻通信，任何能在柔性 PCB 上工作的無(wú)線協(xié)議都是可行的。由于大多數(shù)可穿戴式患者監(jiān)測(cè)儀都希望保持低功耗，因此 TI 建議使用低功耗 Bluetooth^? 無(wú)線通信鏈路。如果從監(jiān)測(cè)儀發(fā)送的信息只有溫度，則可以將監(jiān)測(cè)儀配置為連同其配對(duì) ID 一起廣播溫度讀數(shù)。以這種方式發(fā)送信息消除了建立和維持實(shí)際連接的必要，甚至可進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。

要獲得有關(guān)此主題的更多信息，或有關(guān)測(cè)量溫度的一般性建議，請(qǐng)參閱表 1 中的相關(guān) TI 內(nèi)容。