วิธีการใช้เซ็นเซอร์อุณหภูมิแบบดิจิตอลความแม่นยำสูงในอุปกรณ์สวมใส่สำหรับตรวจสอบสุขภาพ
Contributed By DigiKey's North American Editors
2022-08-02
การวัดอุณหภูมิแบบดิจิตอลที่แม่นยำมีความสำคัญในการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงอุปกรณ์สวมใส่ อุปกรณ์ตรวจสอบทางการแพทย์ เครื่องติดตามสุขภาพและฟิตเนส ห่วงโซ่ความเย็นและการตรวจสอบสิ่งแวดล้อม และระบบคอมพิวเตอร์อุตสาหกรรม แม้ว่าจะมีการนำไปใช้กันอย่างแพร่หลาย การใช้งานการวัดอุณหภูมิแบบดิจิตอลที่มีความแม่นยำสูงมักเกี่ยวข้องกับการสอบเทียบเซ็นเซอร์อุณหภูมิหรือการทำให้เป็น linear ตลอดจนการใช้พลังงานที่สูงขึ้นซึ่งอาจเป็นปัญหาสำหรับแอปพลิเคชันที่มีขนาดกะทัดรัดและใช้พลังงานต่ำเป็นพิเศษด้วยโหมดการรับข้อมูลหลายแบบ ความท้าทายในการออกแบบอาจเกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งทำให้ต้นทุนสูงเกินกว่าที่กำหนดและความล่าช้าของกำหนดการ
ความซับซ้อนของเรื่องนี้เกิดจากการใช้งานบางอย่างที่เกี่ยวข้องกับเซ็นเซอร์อุณหภูมิหลายตัวซึ่งมีการใช้งานบนบัสสื่อสารเดียวกัน นอกจากนี้ การตั้งค่าการทดสอบการผลิตบางอย่างจำเป็นต้องได้รับการสอบเทียบตามสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา (NIST) ในขณะที่อุปกรณ์ตรวจสอบต้องได้รับการสอบเทียบโดยห้องปฏิบัติการที่ได้รับการรับรองมาตรฐาน ISO/IEC-17025 ซึ่งทันใดนั้นเอง สิ่งที่ดูเหมือนจะเป็นฟังก์ชันที่ตรงไปตรงมา กลับกลายเป็นทั้งการข่มขู่และมีค่าใช้จ่ายสูง
บทความนี้เป็นการอธิบายสั้น ๆ เกี่ยวกับข้อกำหนดสำหรับการวัดอุณหภูมิที่มีความแม่นยำสูงในการใช้งานด้านการตรวจสอบสุขภาพแบบเคลื่อนที่และแบบใช้แบตเตอรี่ จากนั้นจะแนะนำ IC เซ็นเซอร์อุณหภูมิดิจิตอลกำลังต่ำและมีความแม่นยำสูงจาก ams OSRAM ที่ไม่ต้องการการสอบเทียบหรือการทำให้เป็น linear ปิดท้ายด้วยคำแนะนำในการรวมเอาการทำงานของบอร์ดประเมินผลและชุดสาธิตที่เปิดใช้งาน Bluetooth พร้อมแอปร่วมที่ทำให้สามารถปรับเปลี่ยนการตั้งค่าเซ็นเซอร์และสังเกตผลกระทบต่อการใช้พลังงานได้
ข้อกำหนดสำหรับการตรวจสอบอุณหภูมิที่มีความแม่นยำสูง
ความแม่นยำเป็นสิ่งจำเป็นในใช้งานด้านการตรวจสอบสุขภาพ ในกระบวนการการผลิตเซ็นเซอร์อุณหภูมิแบบดิจิตอลจะแสดงความแตกต่างของประสิทธิภาพการทำงานแบบส่วนต่อส่วนซึ่งจำเป็นต้องได้รับการแก้ไข เนื่องจากการสอบเทียบภายในองค์กรมีราคาแพงและการใช้เซ็นเซอร์ที่ไม่ได้สอบเทียบเพื่อให้ได้ความแม่นยำตามที่ต้องการจะเพิ่มต้นทุนให้สูงขึ้น นักออกแบบจึงควรพิจารณาเซ็นเซอร์ที่สอบเทียบอย่างเต็มที่และปรับให้เป็น linear อย่างไรก็ตาม สิ่งสำคัญคือต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าผู้ผลิตเซ็นเซอร์ใช้เครื่องมือสอบเทียบที่ตรวจสอบย้อนกลับได้ตามมาตรฐาน NIST การใช้เครื่องมือที่มีการสอบเทียบที่ตรวจสอบย้อนกลับได้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าห่วงโซ่ที่ต่อเนื่องจะกลับไปสู่มาตรฐาน NIST พื้นฐาน โดยมีการระบุความไม่แน่นอนที่แต่ละการเชื่อมต่อในห่วงโซ่และจัดทำเป็นเอกสารเพื่อให้สามารถระบุได้ในระบบการประกันคุณภาพของผู้ผลิตอุปกรณ์
มาตรฐานหลักสำหรับห้องปฏิบัติการทดสอบและสอบเทียบคือ ISO/IEC 17025 “ข้อกำหนดทั่วไปสำหรับความสามารถของห้องปฏิบัติการทดสอบและสอบเทียบ” ISO/IEC 17025 อิงตามหลักการทางเทคนิคที่เน้นเฉพาะในห้องปฏิบัติการสอบเทียบและทดสอบ ใช้สำหรับการรับรองระบบ และให้พื้นฐานสำหรับการพัฒนาแผนการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง
เซ็นเซอร์อุณหภูมิแบบดิจิตอลพร้อมการทดสอบการผลิตที่ตรวจสอบย้อนกลับได้ของ NIST
เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านการออกแบบและการรับรองมากมาย นักออกแบบสามารถหันไปใช้ AS6211 เซ็นเซอร์อุณหภูมิแบบดิจิตอลจาก ams OSRAM ที่ให้ความแม่นยำสูงถึง ±0.09°C และไม่ต้องสอบเทียบหรือการทำให้เป็นเส้นตรง ออกแบบมาเพื่อใช้ในอุปกรณ์ดูแลสุขภาพ อุปกรณ์สวมใส่ และการใช้งานอื่น ๆ ที่ต้องการข้อมูลความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูง การทดสอบการผลิตของ AS6211 ได้รับการสอบเทียบโดยห้องปฏิบัติการที่ได้รับการรับรอง ISO/IEC-17025 ตามมาตรฐาน NIST การทดสอบการผลิตที่ปรับเทียบแล้วช่วยเพิ่มความเร็วในกระบวนการได้รับการรับรองตามมาตรฐาน EN 12470-3 ซึ่งจำเป็นสำหรับเทอร์โมมิเตอร์ทางการแพทย์ในสหภาพยุโรป
AS6211 เป็นเซ็นเซอร์อุณหภูมิแบบดิจิตอลที่สมบูรณ์แบบในชุดสเกลชิประดับเวเฟอร์ (WLCSP) แบบหกพิน 1.5 x 1.0 มม. (มม.) พร้อมสำหรับใช้งานแบบการรวมระบบ ตัวอย่างหมายเลขผลิตภัณฑ์ที่สั่งซื้อได้ เช่น PN AS6221-AWLT-S จัดส่งเป็นล็อตจำนวน 500 ชิ้น บนเทปและม้วน การวัดของ AS6211 นั้นส่งผ่านอินเทอร์เฟซ I²C มาตรฐาน และรองรับที่อยู่I²C แปดที่อยู่ ดังนั้นจึงเป็นการตัดความกังวลเกี่ยวกับความขัดแย้งของบัสในการออกแบบเซ็นเซอร์หลายตัว
ความแม่นยำสูงที่มาพร้อมการใช้พลังงานต่ำ
AS6221 ให้ความแม่นยำสูงพร้อมการสิ้นเปลืองพลังงานต่ำตลอดช่วงการจ่ายไฟทั้งหมดตั้งแต่ 1.71 ถึง 3.6 โวลต์ DC ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในการใช้งานที่ใช้พลังงานจากเซลล์แบตเตอรี่เพียงก้อนเดียว ประกอบด้วยเซ็นเซอร์อุณหภูมิแบบ bandgap แบบซิลิกอน (Si) ที่ละเอียดอ่อนและแม่นยำ ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล และตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัลที่มีรีจิสเตอร์และตรรกะการควบคุมที่เกี่ยวข้อง ฟังก์ชันการแจ้งเตือนแบบบูรณาการสามารถทริกเกอร์การขัดจังหวะที่ขีดจำกัดอุณหภูมิที่กำหนด ซึ่งตั้งโปรแกรมโดยการตั้งค่ารีจิสเตอร์
AS6221 กินไฟ 6 ไมโครแอมแปร์ (µA) เมื่อทำการวัดสี่ครั้งต่อวินาที และในโหมดสแตนด์บาย การใช้พลังงานเพียง 0.1 µA การใช้ฟังก์ชันสัญญาณเตือนแบบบูรณาการเพื่อปลุกตัวประมวลผลการใช้งานเฉพาะเมื่อถึงเกณฑ์อุณหภูมิเท่านั้น สามารถลดการใช้พลังงานของระบบได้มากยิ่งขึ้น
ตัวเลือกในการรวมเซนเซอร์เข้าไปในอุปกรณ์สำหรับสวมใส่
ในการใช้งานแบบสวมใส่ได้ หากมีการเชื่อมต่อทางความร้อนระหว่างเซ็นเซอร์กับผิวหนังดีขึ้นเท่าใด การวัดอุณหภูมิก็จะยิ่งแม่นยำมากขึ้นเท่านั้น นักออกแบบมีหลายทางเลือกในการปรับการเชื่อมต่อทางความร้อนให้เหมาะสม วิธีหนึ่งคือการติดหมุดนำความร้อนระหว่างผิวหนังกับเซ็นเซอร์ (รูปที่ 1) เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่เชื่อถือได้ หมุดจะต้องแยกออกจากแหล่งพลังงานความร้อนภายนอก เช่น เคสของอุปกรณ์ และควรใช้แผ่นแปะระบายความร้อนหรือกาวระหว่างพินกับ AS6211 วิธีนี้ได้ประโยชน์จากการใช้แผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่ยืดหยุ่น (ยืดหยุ่น) เพื่อพกพา AS6221 ทำให้มีอิสระในการค้นหาเซ็นเซอร์มากขึ้น
รูปที่ 1: สามารถใช้ PCB แบบยืดหยุ่นและกาวระบายความร้อนเพื่อให้เส้นทางความต้านทานความร้อนต่ำระหว่างผิวหนังและเซ็นเซอร์ (ที่มาของภาพ: ams OSRAM)
ในการออกแบบที่ได้รับประโยชน์จากการมีเซนเซอร์บน PCB หลัก การเชื่อมต่อทางความร้อนสามารถทำได้โดยใช้สปริงหน้าสัมผัสหรือแผ่นความร้อน หากติดตั้งเซ็นเซอร์ที่ด้านล่างของ PCB สามารถใช้สปริงหน้าสัมผัสเพื่อทำการเชื่อมต่อทางความร้อนระหว่างพินหน้าสัมผัสและจุดความร้อนบน PCB ที่เชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์ (รูปที่ 2) วิธีการนี้อาจส่งผลให้อุปกรณ์ที่คุ้มค่าคุ้มราคาซึ่งรองรับระยะห่างระหว่างเซ็นเซอร์กับผิวหนังได้ไกลขึ้น แต่ต้องใช้การพิจารณาอย่างรอบคอบถึงส่วนต่อประสานในการระบายความร้อนหลายอย่างเพื่อให้ได้ระดับความไวสูง
รูปที่ 2: เมื่อติดตั้งเซ็นเซอร์ที่ด้านล่างของ PCB สามารถใช้จุดความร้อนและสปริงหน้าสัมผัสเพื่อเชื่อมต่อกับพินหน้าสัมผัส (ที่มาของภาพ: ams OSRAM)
ตัวเลือกที่สามคือการใช้แผ่นระบายความร้อนเพื่อเชื่อมต่อพินกับเซ็นเซอร์ที่ติดตั้งที่ด้านบนของ PCB (รูปที่ 3) เมื่อเทียบกับการใช้หน้าสัมผัสสปริงหรือ PCB แบบยืดหยุ่น วิธีการนี้ต้องใช้แผ่นรองที่มีการนำความร้อนสูงและการออกแบบทางกลอย่างระมัดระวังเพื่อให้แน่ใจว่ามีความต้านทานความร้อนต่ำสุดระหว่างหมุดสัมผัสและเซ็นเซอร์ ซึ่งอาจส่งผลให้การประกอบง่ายขึ้นในขณะที่ยังให้ประสิทธิภาพในระดับสูง
รูปที่ 3: แผ่นความร้อนสามารถเชื่อมต่อเซ็นเซอร์ที่ยึดด้านบนเข้ากับหมุดสัมผัสได้ ให้การประกอบที่ง่ายกว่าในขณะที่ยังให้ประสิทธิภาพสูง (ที่มาของภาพ: ams OSRAM)
ปรับปรุงเวลาตอบสนองความร้อน
เพื่อให้ได้เวลาตอบสนองความร้อนที่รวดเร็ว สิ่งสำคัญคือต้องลดอิทธิพลภายนอกที่มีต่อการวัดให้เหลือน้อยที่สุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งโดยส่วนของ PCB ที่อยู่ติดกับเซ็นเซอร์โดยตรง คำแนะนำการออกแบบที่เป็นไปได้สองข้อคือการใช้ช่องเจาะเพื่อลดระดับทองแดงในบริเวณใกล้เคียงกับเซ็นเซอร์ที่ด้านบนของ PCB (รูปที่ 4 ด้านบน) และเพื่อลดภาระความร้อนจากด้านล่างของ PCB โดยใช้พื้นที่ตัดด้านล่าง เซ็นเซอร์เพื่อลดมวล PCB โดยรวม (รูปที่ 4 ด้านล่าง)
รูปที่ 4: ช่องเจาะที่ด้านบนและด้านล่างของ PCB สามารถลดมวล PCB รอบเซ็นเซอร์และปรับปรุงเวลาตอบสนองได้ (ที่มาของภาพ: ams OSRAM)
นอกจากการลดเอฟเฟกต์ PCB แล้ว เทคนิคอื่น ๆ ที่สามารถช่วยปรับปรุงความเร็วและประสิทธิภาพในการวัด ได้แก่
- เพิ่มพื้นที่สัมผัสกับผิวหนังให้สูงสุดเพื่อเพิ่มความร้อนให้กับเซ็นเซอร์
- ใช้ร่องรอยทองแดงบาง ๆ และลดขนาดของพลังงานและระนาบกราวด์
- การใช้แบตเตอรี่และส่วนประกอบอื่น ๆ เช่น จอแสดงผลที่มีขนาดเล็กที่สุดเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของอุปกรณ์
- การออกแบบแพ็คเกจเพื่อแยกเซ็นเซอร์บน PCB ออกจากส่วนประกอบโดยรอบและสภาพแวดล้อมภายนอกด้วยความร้อน
ตรวจจับอุณหภูมิสิ่งแวดล้อม
ข้อควรพิจารณาเพิ่มเติมเมื่อใช้เซ็นเซอร์อุณหภูมิหลายตัว เช่น ในการออกแบบที่ใช้ทั้งอุณหภูมิผิวและอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมโดยรอบ ควรใช้เซ็นเซอร์แยกกันสำหรับการวัดแต่ละครั้ง การออกแบบการระบายความร้อนของอุปกรณ์ควรเพิ่มความต้านทานความร้อนระหว่างเซ็นเซอร์ทั้งสอง (รูปที่ 5) อิมพีแดนซ์ความร้อนที่แทรกแซงสูงขึ้นช่วยให้แยกเซ็นเซอร์ระหว่างเซ็นเซอร์ได้ดีขึ้น และทำให้แน่ใจได้ว่าการวัดจะไม่รบกวนซึ่งกันและกัน แพ็คเกจอุปกรณ์ควรประดิษฐ์ด้วยวัสดุที่มีค่าการนำความร้อนต่ำ และควรใส่แผงกั้นการแยกความร้อนระหว่างส่วนเซ็นเซอร์ทั้งสองส่วน
รูปที่ 5: สำหรับการตรวจจับอุณหภูมิสิ่งแวดล้อมที่แม่นยำ ควรมีความต้านทานความร้อนสูงระหว่างผิวและเซ็นเซอร์อุณหภูมิสิ่งแวดล้อม (ที่มาของภาพ: ams OSRAM)
ชุด Eval เริ่มต้นการพัฒนา AS6221
เพื่อเพิ่มความเร็วในการพัฒนาแอปพลิเคชันและเวลาในการออกสู่ตลาด ams OSRAM นำเสนอทั้งชุดเครื่องมือประเมินและชุดสาธิตสำหรับนักออกแบบ AS62xx ชุดประเมินผล สามารถใช้ในการตั้งค่าเซ็นเซอร์อุณหภูมิดิจิตอล AS6221 ได้อย่างรวดเร็ว ทำให้ประเมินความสามารถได้อย่างรวดเร็ว ชุดประเมินผลนี้เชื่อมต่อโดยตรงกับไมโครคอนโทรลเลอร์ภายนอก (MCU) ที่สามารถใช้เพื่อเข้าถึงการวัดอุณหภูมิได้
รูปที่ 6: สามารถใช้ AS62xx eval kit เพื่อตั้งค่าและประเมิน AS6221 ได้ (ที่มาของภาพ: ams OSRAM)
ชุดสาธิตสำหรับ AS6221
เมื่อการประเมินขั้นพื้นฐานเสร็จสิ้น นักออกแบบสามารถเลือกใช้ ชุดสาธิต AS6221 เป็นแพลตฟอร์มการพัฒนาการใช้งานได้ ชุดสาธิตประกอบด้วยปุ่มอุณหภูมิ AS6221 และแบตเตอรี่เซลล์แบบเหรียญ CR2023 การดาวน์โหลดแอปร่วมจาก App Store หรือ Google Play Store รองรับการเชื่อมต่อกับปุ่มเซ็นเซอร์สูงสุดสามปุ่มในคราวเดียว (ภาพที่ 7) แอปจะสื่อสารกับปุ่มเซ็นเซอร์ผ่านบลูทูธ ทำให้แก้ไขการตั้งค่าเซ็นเซอร์ทั้งหมดได้ รวมถึงความถี่ในการวัด และสังเกตผลกระทบต่อการใช้พลังงาน แอปสามารถบันทึกลำดับการวัด ซึ่งช่วยให้สามารถเปรียบเทียบประสิทธิภาพของการตั้งค่าเซ็นเซอร์อุณหภูมิต่าง ๆ ได้ นักออกแบบยังสามารถใช้ชุดสาธิตเพื่อทดสอบโหมดการแจ้งเตือนและเรียนรู้วิธีนำไปใช้เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของโซลูชัน
รูปที่ 7: ชุดสาธิต AS6221 ทำหน้าที่เป็นแพลตฟอร์มการพัฒนาแอปพลิเคชันเซ็นเซอร์อุณหภูมิสำหรับ AS6221 (ที่มาของภาพ: ams OSRAM)
สรุป
การออกแบบระบบตรวจจับอุณหภูมิแบบดิจิทัลที่มีความแม่นยำสูงสำหรับการดูแลสุขภาพ ฟิตเนส และอุปกรณ์สวมใส่อื่น ๆ เป็นกระบวนการที่ซับซ้อนในด้านการออกแบบ การทดสอบ และการรับรอง เพื่อลดความซับซ้อนของกระบวนการ ลดต้นทุน และเข้าถึงตลาดได้รวดเร็วยิ่งขึ้น นักออกแบบสามารถใช้เซ็นเซอร์ที่มีความแม่นยำสูง ใช้พลังงานต่ำ และผสานรวมสูง
ดังที่แสดงไว้ AS6221 เป็นหนึ่งในอุปกรณ์ดังกล่าว ไม่จำเป็นต้องสอบเทียบหรือการทำให้เป็นเส้นตรง และอุปกรณ์ทดสอบการผลิตได้รับการสอบเทียบตามมาตรฐาน NIST โดยห้องปฏิบัติการที่ได้รับการรับรอง ISO/IEC-17025 ซึ่งช่วยเร่งกระบวนการออกแบบและอนุมัติเครื่องมือแพทย์
บทความแนะนำ

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.