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來(lái)源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 精確數字溫度測量在各種應用中非常重要，具體應用如可穿戴設備、醫療監測設備、健康和健身追蹤器、冷鏈和環(huán)境監測以及工業(yè)計算系統。雖然應用廣泛，但高精度數字溫度測量的實(shí)現經(jīng)常涉及溫度傳感器的校準或線(xiàn)性化，并需要更高的功耗，這對具有多種采集模式的緊湊型超低功耗應用來(lái)說(shuō)是個(gè)問(wèn)題。設計方面的挑戰也會(huì )迅速增加，造成成本超支和進(jìn)度延遲。 讓問(wèn)題復雜化的是，有些應用涉及多個(gè)溫度傳感器共享一條通信總線(xiàn)。此外，一些生產(chǎn)測試裝置需要根據美國國家標準與技術(shù)研究所 (NIST) 進(jìn)行校準，而驗證設備又需要由 ISO/IEC-17025 認可的實(shí)驗室進(jìn)行校準。忽然間，是不是看似簡(jiǎn)單的功能變得既令人生畏又代價(jià)高昂。 本文簡(jiǎn)要介紹了移動(dòng)和電池供電型健康監測應用中對高精度溫度測量的要求。然后，它介紹了 ams OSRAM 的一種低功耗、高精度數字溫度傳感器 IC，它不需要校準或線(xiàn)性化。文章最后提供了一些集成建議、一塊評估板和一個(gè)帶有藍牙功能的演示套件，配套有 APP，可以修改傳感器設置并觀(guān)察對功耗的影響。 高精度溫度監測的要求 在健康監測應用中，精度是必須的。在制造過(guò)程中，數字溫度傳感器在性能上會(huì )出現部件間差異，這需要加以解決。廠(chǎng)家進(jìn)行內部校準很昂貴，而且使用未經(jīng)校準的傳感器會(huì )增加實(shí)現所需精度的成本，因此設計者應該考慮使用經(jīng)過(guò)完全校準和線(xiàn)性化的傳感器。當然，重要的是要確保傳感器制造商使用可按照 NIST 標準進(jìn)行追溯的校準儀器。使用校準可追溯的儀器可以確保設備按照基本 NIST 標準進(jìn)行閉鏈管理，鏈條中每個(gè)環(huán)節的不確定性都會(huì )被識別和記錄下來(lái)，從而在設備制造商的質(zhì)量保證體系中加以解決。 測試和校準實(shí)驗室的主要標準是 ISO/IEC 17025“關(guān)于測試和校準實(shí)驗室能力的一般要求”。ISO/IEC 17025 基于專(zhuān)門(mén)針對校準和測試實(shí)驗室的技術(shù)原則，用于其認證，并為制定持續改進(jìn)計劃提供基礎。 支持 NIST 可追溯生產(chǎn)測試的數字溫度傳感器 為了滿(mǎn)足許多設計和認證要求，設計人員可以使用 ams OSRAM 的 AS6211 數字溫度傳感器，該傳感器的精度達 ±0.09°C，并且無(wú)需校準或線(xiàn)性化。AS6211 旨在用于醫療保健設備、可穿戴設備和其他需要高性能熱信息的應用，其生產(chǎn)測試是由獲得 ISO/IEC-17025 認可的實(shí)驗室根據 NIST 標準進(jìn)行校準的。經(jīng)過(guò)校準的生產(chǎn)測試加快了獲得歐盟對醫用溫度計要求的 EN 12470-3 認證的進(jìn)度。 AS6211 是一個(gè)完整的數字溫度傳感器，采用六引腳、1.5 x 1.0 毫米 (mm) 的晶圓級芯片尺寸封裝 (WLCSP)，可隨時(shí)用于系統集成。以可訂購零件編號 AS6221-AWLT-S 為例，它以 500 片為一卷的卷帶方式提供。AS6211 的測量是通過(guò)標準 I2C 接口進(jìn)行的，支持 8 個(gè) I2C 地址，從而消除了多傳感器設計中總線(xiàn)沖突的擔憂(yōu)。 高精度加低功率 AS6221 在 1.71 至 3.6 伏直流電壓全范圍內提供高精度和低功耗，這對于由單電池供電的應用特別重要。它包括一個(gè)敏感而精確的硅 (Si) 帶隙溫度傳感器，一個(gè)模數轉換器，以及一個(gè)帶有相關(guān)寄存器和控制邏輯的數字信號處理器。集成的警報功能可以在一個(gè)特定的溫度閾值上觸發(fā)中斷，這個(gè)閾值是通過(guò)設置一個(gè)寄存器值來(lái)編程的。 AS6221 在進(jìn)行每秒四次測量時(shí)，消耗為 6 微安 (μA)，在待機模式下，功耗僅為 0.1 μA。使用集成報警功能時(shí)，只有在達到溫度閾值時(shí)才喚醒應用處理器，可以進(jìn)一步降低系統功耗。 可穿戴設備集成選擇 在可穿戴應用中，傳感器和皮膚之間的熱連接越好，溫度測量就越準確。設計人員有幾種選擇來(lái)優(yōu)化熱連接。一種方法是在皮膚和傳感器之間放一個(gè)導熱接片（圖 1）。為了獲得可靠的結果，導熱接片需要與任何外部熱源（如設備外殼）隔離，在導熱接片和 AS6211 之間應使用熱敏膏或粘合劑。這種方法的好處是使用柔性印刷電路板 (PCB) 來(lái)承載 AS6221，讓傳感器的定位更加自由。 
圖 1：柔性 PCB 和熱敏膠可在皮膚和傳感器之間用于提供低熱阻路徑。（圖片來(lái)源：ams OSRAM） 在受益于將傳感器放在主 PCB 上的設計中，可以使用接觸彈簧或導熱墊進(jìn)行熱連接。如果傳感器安裝在 PCB 的底部，可以用一個(gè)接觸彈簧在接片和 PCB 上與傳感器相連的熱過(guò)孔之間建立熱連接（圖 2）。這種方法可以實(shí)現一個(gè)高性?xún)r(jià)比器件，支持更遠的傳感器與皮膚距離，但它需要仔細考慮多種熱界面形式，才能實(shí)現高水平的靈敏度。
圖 2：當傳感器安裝在 PCB 的底部時(shí)，可以使用熱過(guò)孔和接觸彈簧來(lái)連接到接片。（圖片來(lái)源：ams OSRAM） 第三種選擇是使用導熱墊將接片連接到安裝在 PCB 頂部的傳感器上（圖 3）。與使用彈簧觸頭或柔性 PCB 相比，這種方法需要一個(gè)具有高導熱性的墊子和細致的機械設計，以確保接片和傳感器之間的熱阻最小。這可以實(shí)現更簡(jiǎn)單的裝配，同時(shí)仍然提供高水平的性能。
圖 3：導熱墊可以將頂部安裝的傳感器連接到接片。這提供了更簡(jiǎn)單的組裝方式，同時(shí)仍保持了高性能。（圖片來(lái)源：ams OSRAM） 改善熱響應時(shí)間 為了獲得快速的熱響應時(shí)間，重要的是盡量減少對測量的外部影響，特別是直接與傳感器相鄰的 PCB 部分。有兩個(gè)可行的設計建議，一是使用切口來(lái)盡量減少 PCB 頂部傳感器附近的任何銅平面（圖 4，頂部），并通過(guò)使用傳感器下面的切口區域來(lái)減少 PCB 底部的熱負荷，以減少 PCB 的整體質(zhì)量（圖 4，底部）。
圖 4：PCB 頂部和底部的切口可以最大限度地減少傳感器周?chē)?PCB 質(zhì)量，并提高其響應時(shí)間。（圖片來(lái)源：ams OSRAM） 除了最大程度減少 PCB 影響外，其他有助于提高測量速度和性能的技術(shù)包括： · 最大限度地擴大與皮膚的接觸面積，以增加傳感器的可用熱量。 · 使用薄銅印制線(xiàn)，盡量減少電源和地平面的尺寸。 · 使用盡可能小的電池和其他部件，如顯示器，以實(shí)現設備性能要求。 · 設計封裝將 PCB 上的傳感器與周?chē)脑屯獠凯h(huán)境進(jìn)行熱隔離。 環(huán)境溫度檢測 在使用多個(gè)溫度傳感器時(shí)，還需要考慮其他因素，例如在同時(shí)使用皮膚溫度和周?chē)h(huán)境溫度的設計中。每次測量都應使用單獨的傳感器。器件的熱設計應使兩個(gè)傳感器之間的熱阻最大化（圖 5）。較高中間熱阻在傳感器之間提供了更好的隔離，確保測量不會(huì )相互干擾。器件封裝應使用具有低導熱性的材料制作，并在兩個(gè)傳感器部分之間插入熱隔離柵。
圖 5：為了準確檢測環(huán)境溫度，皮膚和環(huán)境溫度傳感器之間應該有很高的熱阻。（圖片來(lái)源：ams OSRAM） 評估套件促進(jìn)了 AS6221 的開(kāi)發(fā) 為了加快應用開(kāi)發(fā)和上市速度，ams OSRAM 為設計人員提供了評估套件和演示套件。AS62xx 評估套件可用于快速設置 AS6221 數字溫度傳感器，實(shí)現對其能力的快速評估。這個(gè)評估套件直接連接到一個(gè)外部微控制器 (MCU)，可以用來(lái)訪(fǎng)問(wèn)溫度測量值。
圖 6：AS62xx 評估套件可用于設置和評估 AS6221。（圖片來(lái)源：ams OSRAM） 用于 AS6221 的演示套件 一旦完成基本評估，設計人員就可以使用 AS6221演示套件作為應用開(kāi)發(fā)平臺。該演示套件包括一個(gè) AS6221 溫度按鈕和一個(gè) CR2023 紐扣電池。從 App Store 或 Google Play Store 下載配套的 APP，支持一次連接多達三個(gè)傳感器按鈕（圖 7）。該 APP 通過(guò)藍牙與傳感器按鈕進(jìn)行通信，使得修改所有傳感器設置成為可能（包括測量頻率），并可以觀(guān)察對耗電量的影響。該 APP 可以記錄測量序列，從而能夠對各種溫度傳感器設置的性能進(jìn)行比較。設計人員還可以使用演示套件來(lái)試驗警報模式，了解如何利用它來(lái)提高解決方案的性能。
圖 7：AS6221 演示套件可作為 AS6221 的溫度傳感器應用開(kāi)發(fā)平臺。（圖片來(lái)源：ams OSRAM） 結語(yǔ) 醫療保健、健身和其他可穿戴設備設計高精度的數字溫度傳感系統是一個(gè)復雜的過(guò)程，涉及設計、測試和認證方方面面。為了簡(jiǎn)化流程，降低成本，并更快地進(jìn)入市場(chǎng)，設計者可以使用高度集成的低功耗、高精度傳感器。 如上所述，AS6221 就是這樣一個(gè)器件。它不需要校準或線(xiàn)性化，生產(chǎn)測試設備由 ISO/IEC-17025 認可的實(shí)驗室按照 NIST 標準進(jìn)行了校準，加快了醫療設備的設計和審批過(guò)程。 |
