Top-Fokus – Sensorik
Schnelle Integration in tragbare medizinische Geräte und Wearables
Auswahlkriterien für Temperatursensoren
Temperatursensoren für tragbare Geräte und Wearables im klinischen und Gesundheitsbereich müssen harte Kriterien erfüllen.
Doch welche Grundtypen von Temperatursensoren gibt es überhaupt?
Welche Kernmerkmale müssen sie erfüllen?
Und was ist darüber hinaus zu beachten?
Einige Beispiele aus der Praxis geben Aufschluß.
Im Zuge der weltweiten Besorgnis über Covid-19 stehen die Entwickler portabler Geräte und Wearables zur Temperaturmessung vor der Herausforderung, die Gerätegröße, die Kosten und den Stromverbrauch zu verringern und dabei gleichzeitig die Genauigkeit, Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit zu verbessern. Um dieser Herausforderung gerecht zu werden, verbessern die Hersteller ihre Sensoren nicht nur in Sachen Leistung, sondern auch hinsichtlich der allgemeinen Benutzerfreundlichkeit, um den Entwurfs- und Integrationsprozeß zu vereinfachen.
Auswahl von Temperatursensoren
Von den vier gebräuchlichen Arten von Temperatursensoren – Temperaturfühler-Thermoelemente, Widerstands-Temperaturbauteile (RTDs), Thermistoren und Temperatursensor-ICs – sind Temperatursensor-ICs eine gute Option für kontaktbasierte Designs in der Medizin und im Gesundheitswesen. Das liegt vor Allem daran, daß sie keine Linearisierung erfordern, eine gute Störfestigkeit bieten und sich relativ einfach in tragbare Gesundheitsgeräte und Wearables integrieren lassen. Für berührungslose Messungen eignen sich Infrarot-Thermometer.
Zu den Schlüsselparametern, die Designer berücksichtigen müssen – ob es sich um ein am Handgelenk getragenes Gerät, in Kleidung eingebettet oder ein medizinisches Pflaster handelt – gehören Größe, Stromverbrauch und thermische Empfindlichkeit. Die Empfindlichkeit ist wichtig, weil beim Design für klinische Genauigkeit selbst eine transiente Leistung in der Größenordnung von Mikrowatt (μW) den Sensor erwärmen und ungenaue Meßwerte verursachen kann. Eine weitere Überlegung ist die Art der Schnittstelle (digital oder analog), da diese die Anforderungen der zugehörigen Komponenten, wie z.B. des Mikrocontrollers, bestimmt.
Wie man Genauigkeit auf klinischem Niveau erreicht
Die Erfüllung der klinischen Genauigkeit gemäß ASTM E112 beginnt mit der Auswahl des geeigneten Sensors. Die digitalen Temperatursensoren MAX30208 von Maxim Integrated bieten beispielsweise eine Genauigkeit von ±0,1 °C von +30 bis +50 °C und eine Genauigkeit von ±0,15 °C von 0 bis +70 °C. Die Bauelemente sind 2 mm . 2 mm . 0,75 mm klein und werden in einem dünnen 10-Pin-LGA-Gehause geliefert (Bild 1).
Bild 1: Die digitalen Temperatursensoren MAX30208 bieten eine Meßgenauigkeit in klinischer Qualität von ±0,1°C für batteriebetriebene Geräte wie Smartwatches und medizinische Patches.
Die ICs arbeiten mit einer Versorgungsspannung von 1,7 bis 3,6 Volt und benötigen im Betrieb weniger als 67 μA, im Standby weniger als 0,5 μA.
Wie bereits erwähnt, besteht eine kritische Herausforderung beim Design mit klinischer Genauigkeit darin, sicherzustellen, daß die Eigentemperatur des Sensors den Meßwert eines tragbaren Geräts nicht beeinflußt. Die Wärme des Sensor-IC, die von der Leiterplatte durch das Gehäuse bis zum Sensor-Chip wandert, kann die Genauigkeit der Temperaturmessungen beeinträchtigen. In einem Temperatursensor-IC wird diese Wärme durch ein Wärmekissen aus Metall geleitet, das sich an der Unterseite des Gehäuses befindet, was zu einer parasitären Erwärmung führt. Dies wiederum kann zu Wärmeleitung in und aus anderen Anschlüssen führen – was zwangsläufig die Temperaturmessungen stört.
Um parasitärer Erwärmung entgegenzuwirken, haben Entwickler eine Reihe von Möglichkeiten – beginnend mit der Verwendung dünner Leiterbahnen zur Minimierung der Wärmeleitfähigkeit weg vom Sensor-IC. Außerdem können sie, anstatt das thermische Pad auf der Unterseite des Gehäuses zu verwenden, die Temperatur an der Oberseite des Gehäuses messen, so weit wie möglich von den IC-Pins entfernt. Im Falle des MAX30208CLB+ und anderer digitaler Temperatursensoren MAX30208 wird die Temperaturmessung oben auf dem Gehäuse vorgenommen. Eine weitere Technik besteht darin, andere elektronische Komponenten, die Wärme in das Temperaturüberwachungssystem einbringen können, so weit wie möglich vom Sensorelement entfernt zu platzieren, um deren Einfluß auf die Temperaturmeßdaten zu minimieren.
Thermisches Design vom System zum Benutzer
Neben der thermischen Isolierung von Wärmequellen muß auch ein guter thermischer Pfad zwischen dem Temperaturfühlerelement und der Haut des Benutzers gewährleistet sein. Die Lage unter dem Gehäuse macht es für die Leiterplatte schwierig, Metallbahnen vom Kontaktpunkt mit dem Körper aus zu führen. Das System sollte also in erster Linie so ausgelegt sein, daß der Sensor möglichst nahe an der zu messenden Zieltemperatur liegt. Zweitens können, wie durch die MAX30208-Sensoren ermöglicht, bei tragbaren Designs und medizinischen Pflastern flexible oder halbstarre Leiterplatten verwendet werden. Die digitalen Temperatursensoren MAX30208 können über ein flexibles Flachbandkabel (FFC) oder ein flaches Druckerkabel (FPC) direkt an einen Mikrocontroller angeschlossen werden.
Bei der Verwendung dieser Kabel ist es wichtig, den Temperatursensor-IC auf der flexiblen Seite der Leiterplatte zu platzieren, wodurch der thermische Widerstand zwischen der Oberfläche der Haut und dem Sensor verringert wird. Außerdem sollten Designer die Dicke der Flex-Platte so weit wie möglich minimieren; eine dünnere Platte kann sich effizienter biegen und ermöglicht einen besseren Kontakt.
Digitale Temperatursensoren werden typischerweise über eine serielle Schnittstelle I²C mit Mikrocontrollern verbunden. Dies ist der Fall beim MAX30208CLB+ von Maxim, der ebenfalls einen FIFO für Temperaturdaten verwendet, wodurch ein Mikrocontroller für längere Zeiträume schlafen kann, um Strom zu sparen. Der digitale Temperatursensor MAX-30208CLB+ verwendet einen 32-Wort-FIFO, um ein Temperatursensor-Einrichtungsregister zu erstellen, das bis zu 32 Temperaturmeßwerte bietet, die jeweils zwei Bytes umfassen.
Diese speicherbezogenen Register ermöglichen es den Sensoren auch, digitale Temperaturalarme mit hoher und niedriger Schwelle anzubieten. Es gibt auch zwei General-Purpose-Ein/Ausgänge (GPIO) Pins: GPIO1 kann so konfiguriert werden, daß eine Temperaturumwandlung ausgelöst wird, während GPIO0 so konfiguriert werden kann, daß ein Interrupt für wählbare Statusbits erzeugt wird.
Bild 2: Die digitalen Temperatursensoren MAX30208 sind für medizinische Thermometer und tragbare Körpertemperaturmonitore vorgesehen.
Werkskalibrierte Temperatursensoren
Viele digitale Temperatursensoren sind werkseitig kalibriert, sodaß sie nicht mehr vor Ort kalibriert oder einmal pro Jahr neu kalibriert werden müssen, wie dies bei vielen älteren Temperatursensoren der Fall ist. Darüber hinaus umgeht die Werkskalibrierung die Notwendigkeit, Software zur Linearisierung der Ausgabe sowie zur Simulation und Feinabstimmung der Schaltung zu entwickeln.
Es macht auch eine Vielzahl von Präzisionskomponenten überflüssig und minimiert das Risiko von Impedanzfehlanpassungen.
Zum Beispiel ist die AS621x-Familie der Temperatursensoren von ams werkseitig kalibriert und verfügt über eine integrierte Linearisierung (Bild 3).
Bild 3: Die Sensoren AS621x bieten ein komplettes digitales Temperatursystem mit werkseitiger Kalibrierung.
Bild: ams
Die Sensoren verfügen außerdem über acht I²C-Adressen, damit Entwickler die Temperatur an acht verschiedenen potenziellen Hotspots mit einem einzigen Bus überwachen können. Die serielle Schnittstelle mit acht I²C-Adressen erleichtert auch Entwicklern von gesundheitsbezogenen Überwachungssystemen das Prototyping und die Designverifizierung.
Um die Sensoren an ihre spezifischen Anwendungsanforderungen anzupassen, sind die AS621x-Sensoren in drei Genauigkeitsversionen erhältlich: ±0,2 °C, ±0,4 °C und ±0,8 °C.
Für gesundheitsbezogene Überwachungssysteme ist eine Genauigkeit innerhalb von ±0,2 °C ausreichend, sodaß die AS6212-AWLT-L eine geeignete Option darstellt. Alle AS621x-Bausteine verfügen über eine 16-bit-Auflösung zur Erkennung kleiner Temperaturschwankungen über den gesamten Betriebstemperaturbereich von -40 bis +125 °C. Der AS621x ist 1,5 mm² klein und wird in einem Wafer Level Chip Scale Package (WLCSP) geliefert, um die Integration in ein medizinisches Gerät zu erleichtern. Er arbeitet mit einer Versorgungsspannung von 1,71 Volt und benötigt 6 μA im Betrieb und 0,1 μA im Standby-Modus. Aufgrund der winzigen Grundfläche und des geringen Stromverbrauchs eignen sich Temperatursensoren wie der AS6212-AWLT-L besonders für batteriebetriebene mobile und tragbare Geräteanwendungen.
Berührungslose Temperatursensoren
Im Gegensatz zu Temperatursensor-ICs, die einen gewissen physischen Kontakt erfordern, führen Infrarot-Thermometer berührungslose Temperaturmessungen durch. Sie messen zwei Parameter: die Umgebungstemperatur und die Temperatur eines Objekts. Solche Thermometer erkennen jede Energie über 0 Kelvin (absoluter Nullpunkt), die von einem Objekt vor dem Gerät abgegeben wird. Der Detektor wandelt die Energie in ein elektrisches Signal um und leitet es an einen Prozessor weiter, der die Daten nach Kompensation der durch die Umgebungstemperatur verursachten Schwankungen interpretiert und anzeigt.
Das Infrarot-Thermometer MLX90614ESFBCH-000-TU von Melexis beispielsweise besteht aus einem Infrarot-Thermopile-Detektorchip und einem Signalkonditionierungschip, beide in ein TO-39-Gehäuse integriert. Ein rauscharmer Verstärker, ein 17-bit-Analog-Digital-Wandler (ADC) und ein digitaler Signalprozessor (DSP), die in der MLX90614-Familie integriert sind, gewährleisten eine hohe Genauigkeit und Auflösung.
Die Infrarot-Thermometer MLX90614 sind werkseitig für Umgebungstemperaturen von -40 bis +85 °C und für Objekttemperaturen von -70 bis +382,2 °C kalibriert. Die Standardgenauigkeit liegt bei 0,5 °C bei Raumtemperatur.
Es stehen zwei Ausgabemodi zur Wahl: Pulsweitenmodulation (PWM) und SMBus über eine Zweidraht-Schnittstelle (TWI) oder I²C-Link. Der Sensor ist werkseitig mit einem digitalen SMBus-Ausgang kalibriert und kann den gesamten Temperaturbereich mit einer Auflösung von 0,02 °C bedienen. Alternativ können Entwickler den 10-bit-PWM-Digitalausgang mit einer Auflösung von 0,14 °C konfigurieren.
Entwicklung mit Temperatursensoren
Die MAX30208-Sensorreihe wird durch das MAX30208EVSYS#-Auswertesystem von Maxim Integrated unterstützt, das eine flexible Leiterplatte zur Aufnahme des Temperatursensor-IC MAX30208 umfaßt. Das Evaluierungssystem besteht aus zwei Platinen: der Mikrocontroller-Platine MAX32630FTHR und der Schnittstellenplatine MAX30208, die über Stiftleisten verbunden sind. Designer müssen nur die Evaluierungshardware mit dem mitgelieferten USB-Kabel an einen PC anschließen.
Das System installiert dann automatisch die erforderlichen Gerätetreiber. Sobald diese installiert sind, muß die EV Kit Software heruntergeladen werden.
Bild 4: Das Infrarot-Thermometer MLX90614 hat eine Standardgenauigkeit von 0,5 °C bei Raumtemperatur.
Bild 5: Entwickler können die Evaluierungshardware mit dem mitgelieferten USB-Kabel an einen PC anschließen. Die erforderlichen Gerätetreiber werden automatisch installiert.
Erwähnenswert ist hier auch, daß ein mobiles oder tragbares Gerät die Körpertemperatur an mehreren Orten messen kann. Beispielsweise können in einer Sportbekleidung mehrere Temperatur-ICs MAX30208 über I²C-Adressen in einer Daisy-Chain-Anordnung an eine einzige Batterie und einen einzigen Host-Mikrocontroller angeschlossen werden. Hier wird jeder Temperatursensor regelmäßig vom Mikrocontroller abgefragt, um ein Profil sowohl der lokalen als auch der Ganzkörpertemperatur zu erstellen.
Für den Infrarotsensor MLX90614 können Entwickler medizinischer Geräte mit dem kompakten MIKROE-1362 IrThermo Click Board von MikroElektronika beginnen. Dadurch wird das MLX90614ESF-AAA-Einzelzonen-Infrarotthermometermodul entweder über die mikro-Bus-I²C-Leitung oder über die PWM-Leitung mit der Mikrocontroller-Platine verbunden. Die 5-Volt-Platine von MikroElektronika ist für Umgebungstemperaturen von -40 bis +85 °C und für Objekttemperaturen von -70 bis +380 °C kalibriert.
Bild 6: Das MIKROE-1362 IrThermo Click-Board kann verwendet werden, um mit der Entwicklung des MLX9016-Sensors von Maxim Integrated zu beginnen.
Bild: MikroElektronika
Fazit
Die Entwickler stehen vor der Herausforderung, die Temperaturmessung auf klinischer Ebene trotz Herausforderungen wie Leistung, Größe, Kosten, Zuverlässigkeit und Genauigkeit für den Massenmarkt verfügbarer zu machen. Kontakt- und kontaktlose Sensoren, unterstützt durch Evaluierungs-Kits, stehen nun zur Verfügung, um ihnen zu helfen, diese Nachfrage schnell und effizient zu erfüllen. Wie gezeigt, verfügen diese Sensoren nicht nur über die für die klinische Temperaturmessung erforderlichen Leistungsmerkmale, sondern auch über die Werkskalibrierung und die digitalen Schnittstellen, die für eine leichtere Integration in Designs der nächsten Generation erforderlich sind.