Como usar sensores digitais de temperatura de alta precisão em vestíveis para monitoramento da saúde

Medidas digitais precisas de temperatura são importantes em uma gama de aplicações, incluindo vestíveis, dispositivos de monitoramento médico, rastreadores de saúde e condição física, monitoramento ambiental e da cadeia frigorifica, além de sistemas industriais de computação. Embora amplamente aplicada, a implementação de medidas digitais de temperatura altamente precisas envolve frequentemente a calibração ou linearização do sensor de temperatura, bem como um maior consumo de energia, o que pode ser um problema para aplicações compactas, de potência ultra-baixa com vários modos de aquisição. Os desafios de projeto podem aumentar rapidamente, causando custos excessivos e prazos atrasados.

Complicando o assunto, algumas aplicações envolvem vários sensores de temperatura compartilhando um único barramento de comunicação. Além disso, alguns arranjos de teste de produção precisam ser calibrados de acordo com o NIST (National Institute of Standards and Technology) dos EUA, enquanto o equipamento de verificação precisa ser calibrado por um laboratório credenciado pela ISO/IEC-17025. De repente, o que parecia uma função simples torna-se tanto intimidante quanto onerosa.

Este artigo descreve brevemente os requisitos para medições de temperatura de alta precisão em aplicações móveis de monitoramento de saúde movidas à bateria. Em seguida, introduz um CI sensor digital de temperatura de baixa potência e alta precisão da ams OSRAM que não requer calibração ou linearização. Termina com recomendações de integração, uma placa de avaliação e um kit de demonstração com um aplicativo complementar que permite modificar as configurações dos sensores e observar o impacto no consumo de energia.

Requisitos para monitoramento de temperatura de alta precisão

A precisão é obrigatória nas aplicações de monitoramento de saúde. Como fabricados, os sensores digitais de temperatura exibem variações parciais no desempenho que precisam ser tratadas. Como a calibração na empresa é cara e o uso de sensores não calibrados aumenta o custo para atingir a precisão desejada, os projetistas devem considerar sensores totalmente calibrados e linearizados. Entretanto, é importante garantir que o fabricante do sensor utilize instrumentos de calibração rastreáveis aos padrões NIST. O uso de instrumentos com calibração rastreável assegura uma cadeia ininterrupta de volta aos padrões básicos do NIST, com as incertezas identificadas e documentadas em cada elo da cadeia para que possam ser tratadas no sistema de garantia de qualidade do fabricante do dispositivo.

O principal padrão para laboratórios de teste e calibração é a ISO/IEC 17025 "Requisitos gerais para a competência de laboratórios de teste e calibração". A ISO/IEC 17025 é baseada em princípios técnicos focados especificamente em laboratórios de calibração e testes, é utilizada para seu credenciamento e fornece a base para o desenvolvimento de planos de melhoria contínua.

Sensor digital de temperatura com teste de produção rastreável pelo NIST

Para atender às muitas exigências de projeto e certificação, os projetistas podem recorrer ao sensor digital de temperatura AS6211 da ams OSRAM que fornece precisão de até ±0,09°C e não requer calibração ou linearização. Projetado para uso em dispositivos de saúde, vestíveis e outras aplicações que requerem informações térmicas de alto desempenho, os testes de produção do AS6211 são calibrados por um laboratório credenciado pela ISO/IEC-17025 de acordo com as normas NIST. Os testes de produção calibrados aceleram o processo de obtenção da certificação segundo a norma EN 12470-3, que é exigida para termômetros médicos na União Européia.

O AS6211 é um sensor digital de temperatura completo em um invólucro WLCSP ("wafer level chip scale package") de seis pinos, 1,5 x 1,0 milímetros (mm), pronto para integração do sistema. Um exemplo de número de peça para encomenda, o AS6221-AWLT-S, é entregue em lotes de 500 peças em fita e carretel. As medidas do AS6211 são fornecidas através de uma interface I²C padrão, e suporta oito endereços I²C, eliminando assim as preocupações sobre conflitos de barramento em projetos com vários sensores.

Alta precisão mais baixa potência

O AS6221 oferece alta precisão com baixo consumo de energia em toda sua faixa de alimentação de 1,71 a 3,6 volts CC, o que é especialmente importante em aplicações alimentadas por uma única célula de bateria. Inclui um sensor de temperatura sensível e preciso com banda proibida de silício (Si), um conversor analógico-digital e um processador de sinal digital com registradores associados e lógica de controle. A função de alerta integrada pode provocar uma interrupção em um limiar de temperatura específico, que é programado através da definição de um valor do registrador.

O AS6221 consome 6 microamperes (µA) ao fazer quatro medições por segundo, e no modo em espera, o consumo é de apenas 0,1 µA. O uso da função de alarme integrado para despertar o processador da aplicação só quando um limite de temperatura tiver sido atingido, e pode reduzir ainda mais o consumo de energia do sistema.

Opções de integração de vestíveis

Em aplicações de vestíveis, quanto melhor for a conexão térmica entre o sensor e a pele, mais precisa será a medição da temperatura. Os projetistas têm várias opções para otimizar a conexão térmica. Uma maneira é colocar um pino termicamente condutivo entre a pele e o sensor (Figura 1). Para alcançar resultados confiáveis, o pino precisa ser isolado de qualquer fonte externa de energia térmica, como o gabinete do dispositivo, e uma pasta térmica ou adesivo deve ser usado entre o pino e o AS6211. Esta abordagem se beneficia do uso de uma placa de circuito impresso (PCI) flexível para portar o AS6221, permitindo maior liberdade na localização do sensor.

Figura 1: Uma PCI flexível e um adesivo térmico podem ser usados para fornecer um caminho de baixa impedância térmica entre a pele e o sensor. (Fonte da imagem: ams OSRAM)

Em projetos que se beneficiam de ter o sensor no PCI principal, a conexão térmica pode ser feita usando uma mola de contato ou um pad térmico. Se o sensor for montado na parte inferior da PCI, uma mola de contato pode ser usada para fazer uma conexão térmica entre o pino de contato e as vias térmicas na PCI que estão conectadas ao sensor (Figura 2). Esta abordagem pode resultar em um dispositivo econômico que suporta distâncias mais longas entre o sensor e a pele, mas requer uma cuidadosa consideração das diversas interfaces térmicas para atingir altos níveis de sensibilidade.

Figura 2: Quando o sensor é montado na parte inferior de uma PCI, podem ser usadas vias térmicas e uma mola de contato para conectar ao pino. (Fonte da imagem: ams OSRAM)

Uma terceira opção é usar um pad térmico para conectar o pino a um sensor montado na parte superior da PCI (Figura 3). Em comparação com o uso de um contato por mola ou PCI flexível, esta abordagem requer um pad com alta condutividade térmica e projeto mecânico cuidadoso para garantir uma impedância térmica mínima entre o pino de contato e o sensor. Isto pode resultar em uma montagem mais simples e, ao mesmo tempo, proporcionar altos níveis de desempenho.

Figura 3: Um pad térmico pode conectar um sensor montado no topo ao pino de contato. Isto proporciona uma montagem mais simples, ao mesmo tempo em que proporciona alto desempenho. (Fonte da imagem: ams OSRAM)

Melhorando o tempo de resposta térmica

Para obter tempos rápidos de resposta térmica, é importante minimizar as influências externas sobre a medição, especialmente pela porção de PCI diretamente adjacente ao sensor. Duas sugestões de projeto viáveis são usar recortes para minimizar quaisquer planos de cobre nas proximidades do sensor na parte superior da PCI (Figura 4, parte superior), e reduzir a carga térmica da parte inferior da PCI, usando uma área de recorte abaixo do sensor para reduzir a massa total da PCI (Figura 4, parte inferior).

Figura 4: Recortes na parte superior e inferior da PCI podem minimizar a massa da PCI ao redor do sensor e melhorar seu tempo de resposta. (Fonte da imagem: ams OSRAM)

Além de minimizar os efeitos da PCI, outras técnicas que podem ajudar a melhorar a velocidade de medição e o desempenho incluem:

• Maximizar a área de contato com a pele para aumentar o calor disponível para o sensor.
• Usar trilhas finas de cobre e minimizar o tamanho dos planos de alimentação e terra.
• Usar baterias e outros componentes, tais como displays que são tão pequenos quanto possível para alcançar os requisitos de desempenho do dispositivo.
• Projetar o invólucro para isolar termicamente o sensor na PCI dos componentes ao redor e do ambiente externo.

Sensoriamento da temperatura ambiental

Considerações adicionais se aplicam ao uso de múltiplos sensores de temperatura, tais como em projetos que utilizam tanto a temperatura da pele quanto a temperatura do ambiente ao redor. Um sensor separado deve ser usado para cada medição. O projeto térmico do dispositivo deve maximizar a impedância térmica entre os dois sensores (Figura 5). Uma impedância térmica mais alta de intervenção proporciona uma melhor isolação entre os sensores e garante que as medições não interferirão umas com as outras. O invólucro do dispositivo deve ser fabricado com materiais que tenham baixa condutividade térmica, e uma barreira de isolação térmica deve ser inserida entre as duas seções do sensor.

Figura 5: Para uma detecção precisa da temperatura ambiental, deve haver uma alta resistência térmica entre a pele e os sensores de temperatura ambiental. (Fonte da imagem: ams OSRAM)

O kit de avaliação dá o pontapé inicial ao desenvolvimento AS6221

Para acelerar o desenvolvimento de aplicações e o tempo para comercialização, a ams OSRAM oferece aos projetistas tanto um kit de avaliação quanto um kit de demonstração. O Kit de aval. AS62xx pode ser usado para configurar rapidamente o sensor digital de temperatura AS6221, permitindo uma rápida avaliação de suas capacidades. Este kit de avaliação se conecta diretamente a um microcontrolador externo (MCU) que pode ser usado para acessar medições de temperatura.

Figura 6: O kit de aval. AS62xx pode ser usado para configurar e avaliar o AS6221. (Fonte da imagem: ams OSRAM)

Kit de demonstração para o AS6221

Uma vez concluída a avaliação básica, os projetistas podem recorrer ao kit de demonstração AS6221 como uma plataforma de desenvolvimento de aplicações. O kit de demonstração inclui um botão de temperatura AS6221 e uma bateria de célula tipo moeda CR2023. Ao baixar o aplicativo complementar da App Store ou da Google Play Store, este dará suporte a conexão de até três botões de sensor de uma só vez (Figura 7). O aplicativo se comunica com os botões do sensor por Bluetooth, tornando possível modificar todas as configurações do sensor, incluindo a frequência de medição, e observar o impacto sobre o consumo de energia. O aplicativo pode registrar sequências de medição, permitindo assim comparações do desempenho de várias configurações dos sensores de temperatura. Os projetistas também podem usar o kit de demonstração para experimentar o modo de alerta e aprender como ele pode ser usado para melhorar o desempenho da solução.

Figura 7: O kit de demonstração AS6221 serve como plataforma de desenvolvimento de aplicações de sensores de temperatura para o AS6221. (Fonte da imagem: ams OSRAM)

Conclusão

Projetar sistemas digitais de sensoriamento de temperatura de alta precisão para a saúde, condicionamento físico e outros vestíveis é um processo complexo no que diz respeito ao projeto, teste e certificação. Para simplificar o processo, reduzir custos e chegar mais rapidamente ao mercado, os projetistas podem usar sensores altamente integrados, de baixa potência e alta precisão.

Como mostrado, o AS6221 é um desses dispositivos. Não requer calibração ou linearização, e o equipamento de teste de produção é calibrado de acordo com as normas NIST por um laboratório credenciado pela ISO/IEC-17025, acelerando o processo de projeto e aprovação de dispositivos médicos.

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