Măsurarea precisă a temperaturii este importantă într-o gamă largă de aplicații, inclusiv pentru dispozitive purtabile, dispozitive de monitorizare medicală, dispozitive de urmărire a stării de sănătate și de fitness, monitorizarea lanțului frigorific și a mediului, precum și pentru sistemele informatice industriale. Deși se aplică pe scară largă, implementarea unei măsurători digitale foarte precise a temperaturii implică în mod frecvent calibrarea sau liniarizarea senzorilor de temperatură, precum și un consum mai mare de putere, ceea ce poate reprezenta o problemă pentru aplicațiile compacte, cu consum foarte redus de putere și cu mai multe moduri de colectare a datelor. Provocările de proiectare se pot acumula rapid, ducând la depășiri de costuri și întârzieri în planificarea producției.
Complicând problema, unele aplicații implică mai mulți senzori de temperatură care împart un singur bus de comunicație. În plus, unele setări de testare în producție trebuie să fie calibrate în conformitate cu Institutul Național de Standarde și Tehnologie din SUA (NIST), în timp ce echipamentele de verificare trebuie să fie calibrate de un laborator acreditat ISO/IEC-17025. Dintr-o dată, ceea ce părea o funcție simplă devine atât descurajantă, cât și costisitoare.
Cerințe pentru monitorizarea temperaturii de mare precizie
Precizia este obligatorie în aplicațiile de monitorizare a sănătății. Așa cum sunt fabricați, senzorii digitali de temperatură prezintă variații de performanță de la o componentă la alta, care trebuie rezolvate. Deoarece calibrarea internă este costisitoare, iar utilizarea de senzori necalibrați crește costul obținerii preciziei dorite, proiectanții ar trebui să ia în considerare senzori care sunt complet calibrați și liniarizați. Cu toate acestea, este important să vă asigurați că producătorul de senzori utilizează instrumente de calibrare care pot fi urmărite conform standardelor NIST. Utilizarea instrumentelor cu o calibrare trasabilă asigură un lanț continuu până la standardele NIST de bază, iar incertitudinile de la fiecare verigă a lanțului sunt identificate și documentate, astfel încât să poată fi abordate în sistemul de asigurare a calității al producătorului de dispozitive.
Standardul principal pentru laboratoarele de testare și calibrare este ISO/CEI 17025 “Cerințe generale pentru competența laboratoarelor de testare și calibrare”. ISO/IEC 17025 se bazează pe principii tehnice axate în mod specific pe laboratoarele de calibrare și testare, este utilizat pentru acreditarea acestora și oferă baza pentru elaborarea planurilor de îmbunătățire continuă.
Senzor digital de temperatură testat în producție cu trasabilitate NIST
Pentru a îndeplini numeroasele cerințe de proiectare și certificare, proiectanții pot apela la senzorul digital de temperatură AS6211 de la ams OSRAM, care oferă o precizie de până la ±0,09°C și nu necesită calibrare sau liniarizare. Proiectat pentru a fi utilizat în dispozitive medicale, dispozitive purtabile și alte aplicații care necesită informații termice de înaltă performanță, testele de producție ale senzorului AS6211 sunt calibrate de un laborator acreditat ISO/IEC-17025 în conformitate cu standardele NIST. Testarea calibrată în cadrul producției accelerează procesul de obținere a certificării conform EN 12470-3, care este necesară pentru termometrele medicale în Uniunea Europeană.
AS6211 este un senzor de temperatură digital complet, disponibil într-o capsulă WLCSP (wafer level chip scale package) cu șase pini, cu dimensiunea de 1,5 × 1,0 milimetri (mm) și este gata pentru a fi integrat în sistem. Un exemplu de componentă ce poate fi comandată imediat, AS6221-AWLT-S, este livrată în loturi de 500 de bucăți, disponibilă în variantele de împachetare “tape & reel”. Măsurătorile efectuate de AS6211 sunt furnizate prin intermediul unei interfețe I²C standard și suportă opt adrese I²C, eliminând astfel preocupările legate de conflictele de bus în proiectele cu mai mulți senzori.
Precizie ridicată și consum redus de putere
AS6221 oferă o precizie ridicată cu un consum redus de putere pe întreaga sa gamă de alimentare, de la 1,71 la 3,6 volți CC, ceea ce este deosebit de important în aplicațiile alimentate de la o singură celulă de baterie. Acesta include un senzor de temperatură sensibil și precis din siliciu (Si) cu bandă interzisă, un convertor analog-digital și un procesor de semnal digital cu regiștri și logică de control asociate. Funcția de alertă integrată poate declanșa o întrerupere la un anumit prag de temperatură, care este programat prin setarea valorii unui registru.
AS6221 consumă 6 microamperi (µA) atunci când efectuează patru măsurători pe secundă, iar în modul de așteptare, consumul de putere este de numai 0,1 µA. Utilizarea funcției de alarmă integrată pentru a trezi procesorul de aplicații doar atunci când a fost atins un prag de temperatură poate reduce și mai mult consumul de energie al sistemului.
Figura 1: O placă PCB flexibilă și un adeziv termic pot fi utilizate pentru a oferi o cale cu impedanță termică scăzută între piele și senzor. (© ams OSRAM)
Opțiuni de integrare a dispozitivelor purtabile
În aplicațiile purtabile, cu cât este mai bună conexiunea termică dintre senzor și piele, cu atât mai precisă este măsurarea temperaturii. Proiectanții au la dispoziție mai multe opțiuni pentru optimizarea conexiunii termice. O modalitate este de a plasa un pin termoconductor între piele și senzor (Figura 1). Pentru a obține rezultate fiabile, pinul trebuie să fie izolat de orice sursă externă de energie termică, cum ar fi carcasa dispozitivului și trebuie să se utilizeze o pastă termică sau un adeziv între pin și AS6211. Această abordare beneficiază de utilizarea unei plăci de circuit imprimat (PCB) flexibil (flex) pentru a susține AS6221, permițând o mai mare libertate în ceea ce privește amplasarea senzorului.
Figura 2: Atunci când senzorul este montat pe partea inferioară a PCB-ului, se pot utiliza vias-uri termice și un resort de contact pentru conectarea la pinul de contact. (© ams OSRAM)
În proiectele în care senzorul se află montat pe PCB, conexiunea termică poate fi realizată cu ajutorul unui resort de contact sau al unui pad termic. În cazul în care senzorul este montat pe partea inferioară a PCB-ului, se poate utiliza un resort de contact pentru a realiza o conexiune termică între pinul de contact și vias-urile termice de pe PCB care sunt conectate la senzor (Figura 2). Această abordare poate avea ca rezultat un dispozitiv ieftin, care suportă distanțe mai mari între senzor și piele, dar necesită o analiză atentă a mai multor interfețe termice pentru a obține niveluri ridicate de sensibilitate.
Figura 3: Un pad termic poate conecta un senzor montat pe partea superioară a PCB-ului la pinul de contact. Acest lucru asigură o asamblare mai simplă, oferind în același timp performanțe ridicate. (© ams OSRAM)
O a treia opțiune constă în utilizarea unui pad termic pentru a conecta pinul la un senzor montat pe partea superioară a PCB-ului (Figura 3). Comparativ cu utilizarea unui arc de contact sau a unui PCB flexibil, această abordare necesită un pad cu o conductivitate termică ridicată și o proiectare mecanică atentă pentru a asigura o impedanță termică minimă între pinul de contact și senzor. Acest lucru poate duce la o asamblare mai simplă, oferind în același timp niveluri ridicate de performanță.
Îmbunătățirea timpului de răspuns termic
Figura 4: Decupajele din partea superioară și inferioară a PCB-ului pot reduce masa acestuia în jurul senzorului și pot îmbunătăți timpul de răspuns. (© ams OSRAM)
Pentru a obține timpi de răspuns termic rapizi, este important să se reducă la minimum influențele externe asupra măsurătorii, în special de către porțiunea de PCB direct adiacentă senzorului. Două sugestii viabile de proiectare sunt utilizarea de decupaje pentru a minimiza orice planuri de cupru în vecinătatea senzorului din partea superioară a PCB-ului (Figura 4, sus) și pentru a reduce încărcarea termică din partea inferioară a PCB-ului prin utilizarea unei zone de decupaj sub senzor pentru a reduce masa totală a PCB-ului (Figura 4, jos).
Pe lângă minimizarea efectelor PCB-ului, alte tehnici care pot contribui la îmbunătățirea vitezei de măsurare și a performanțelor includ:
- Maximizarea suprafeței de contact cu pielea pentru a crește căldura disponibilă pentru senzor.
- Utilizarea de trasee subțiri de cupru și reducerea la minimum a dimensiunii planurilor de alimentare și de masă.
- Utilizarea acelor baterii și a altor componente, cum ar fi display-urile, care să fie cât mai mici posibil dar care să îndeplinească cerințele de performanță ale dispozitivului.
- Proiectarea ansamblului astfel încât să se izoleze termic senzorul de pe PCB de componentele din jur și de mediul exterior.
Detectarea temperaturii mediului
Figura 5: Pentru o detectare precisă a temperaturii mediului, ar trebui să existe o rezistență termică ridicată între piele și senzorii de temperatură ambientală. (© ams OSRAM)
Considerații suplimentare se aplică atunci când se utilizează mai mulți senzori de temperatură, cum ar fi în proiectele care utilizează atât temperatura pielii, cât și temperatura mediului înconjurător. Pentru fiecare măsurătoare trebuie utilizat un senzor separat. Proiectarea termică a dispozitivului trebuie să maximizeze impedanța termică dintre cei doi senzori (Figura 5). O impedanță termică intermediară mai mare asigură o mai bună izolare între senzori și garantează că măsurătorile nu vor interfera una cu cealaltă. Capsula dispozitivului ar trebui să fie fabricată din materiale care au conductivități termice scăzute, iar între cele două secțiuni ale senzorilor ar trebui să se introducă o barieră de izolare termică.
Kitul de evaluare dă startul pentru dezvoltarea de aplicații cu AS6221
Pentru a accelera dezvoltarea aplicațiilor și timpul de lansare pe piață, ams OSRAM oferă proiectanților atât un kit de evaluare, cât și un kit demonstrativ. Kitul de evaluare AS62xx Eval Kit poate fi utilizat pentru a configura rapid senzorul digital de temperatură AS6221, permițând o evaluare rapidă a capabilităților sale. Acest kit de evaluare se conectează la un microcontroler (MCU) extern ce poate fi utilizat pentru a accesa măsurătorile de temperatură.
Figura 6: Kitul de evaluare AS62xx poate fi utilizat pentru a configura și evalua AS6221. (© ams OSRAM)
Kit demonstrativ pentru AS6221
Odată ce evaluarea de bază este finalizată, proiectanții pot apela la kitul demo AS6221 ca platformă de dezvoltare a aplicațiilor. Kitul demonstrativ include un senzor de temperatură AS6221 și o baterie de tip monedă CR2023. Descărcarea aplicației însoțitoare din App Store sau Google Play Store permite conectarea în același timp a până la trei senzori (Figura 7). Aplicația comunică cu senzorii prin Bluetooth, făcând posibilă modificarea tuturor setărilor senzorului, inclusiv a frecvenței de măsurare și observarea impactului asupra consumului de putere. Aplicația poate înregistra secvențe de măsurare, permițând astfel compararea performanțelor diferitelor setări ale senzorilor de temperatură. De asemenea, proiectanții pot utiliza kitul demo pentru a experimenta modul de alertă și pentru a afla cum poate fi utilizat pentru a îmbunătăți performanța soluției.
Figura 7: Kitul demo AS6221 este utilizat ca o platformă de dezvoltare a aplicațiilor pentru senzorul de temperatură AS6221. © ams OSRAM)
Concluzie
Proiectarea unor sisteme digitale de detectare a temperaturii de mare precizie pentru aplicații în domeniul sănătății, al fitness-ului și al altor dispozitive purtabile este un proces complex în ceea ce privește proiectarea, testarea și certificarea. Pentru a simplifica procesul, reduce costurile și ajunge mai rapid pe piață, proiectanții pot utiliza senzori înalt integrați, cu consum redus de putere și precizie ridicată.
După cum s-a prezentat, AS6221 este un astfel de dispozitiv. Acesta nu necesită calibrare sau liniarizare, iar echipamentul de testare în producție este calibrat în conformitate cu standardele NIST de către un laborator acreditat ISO/IEC-17025, ceea ce accelerează procesul de proiectare și aprobare pentru dispozitivele medicale.
Lectură recomandată
Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf Horn, face parte din grupul European de Asistență Tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la întrebările venite din partea clienților finali din EMEA referitoare la Dezvoltare și Inginerie, precum și la scrierea și corectarea articolelor și postărilor de pe platforma TechForum a firmei Digi-Key pentru cititorii din Germania. Înainte de Digi-Key, el a lucrat la mai mulți producători din zona semiconductorilor, cu accent pe sistemele embedded ce conțin FPGA-uri, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto. Rolf este licențiat în inginerie electrică și electronică la Universitatea de Științe Aplicate din Munchen, Bavaria. Și-a început cariera profesională la un distribuitor local de produse electronice în calitate de Arhitect pentru Soluții de Sistem pentru a-și împărtăși expertiza și cunoștințele în calitate de consilier de încredere.
Hobby-uri: petrecerea timpului cu familia + prietenii, călătoriile (cu rulota familiei VW-California) și motociclismul (pe un BMW GS din 1988).
Digi-Key Electronics | https://www.digikey.ro
