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苏州纳芯微电子股份有限公司

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智能化网头条
纳芯微:基于接触式温度传感器的可穿戴设备体温监测方案
发布时间:2020-03-26        浏览次数:108        返回列表
每个人上班、回家或是进出公共场合时都要测量体温,这让人们对体温的关注提升到了前所未有的高度,在红外额温/耳温枪市场炙手可热的同时,越来越多的制造商开始关注或尝试在手表、手环乃至耳机等可穿戴设备上增加体温监测功能,这无疑给可穿戴设备市场赋予了新的机会。
与人体密切接触的可穿戴设备,天然具备接触式测温的条件,虽然在严格医学意义上对体温测量有特定的位置和要求(例如口腔、直肠或腋窝),手臂或腕部等部位的体表皮肤温度并不能作为直接的体温值指征,但对于一般意义上的观测或者长期的体温变化监测还是有积极意义的。事实上,耳温枪或额温枪测量的也是相对温度,通过固定的结构和算法补偿,把相对温度转换为的体温数值。目前,手臂或腕部的体表皮肤温度还没有严格准确的模型和算法换算到标准体温,但通过长时间监测,可以提供相对的温度变化趋势,尤其是对于需要持续观察体温的特殊人群,通过佩戴此类设备,可以实现实时体温监测、异常报警等功能。
如果需要相对准确的测量体温,先要明确几个关键因素——体温模型、热传导路径和传感器。


首先我们来了解下体温模型。体温的测量模型研究较早,也取得了不少研究成果,总体来说,直肠、腋下等部位的温度测量已有相对准确的测量模型,且这些部位受外界环境影响较小,而皮肤的温度则受环境湿度、气流等影响较大。下图1说明不同环境温度下,不同部位的温度测量值有显著的差异,而图2 说明在稳态的温度及湿度条件下,人体不同部位的深度温度及体表皮肤温度等的梯度场。 
          
图1
图1:Skin temperatures on different parts of a nude person measured atdifferent ambient temperatures [Olesen, 1982].

图2

图2: 稳态节点温度(T∞=28.5℃和整个人体的相对湿度∞=31%变化),(a)从头部到脚部节点温度的分布 和(b)头到手节点的温度变化,A NEW TRANSIENT BIO-HEAT MODEL OF THE HUMAN BODY[M. Salloum,2005].
研究结果表明,环境温度对皮肤温度的影响最为显著,其次为服装热阻、风速等。具体到腕部温度来说,考虑一般腕部裸露及室内检测居多,可以忽略这两项因素,重点考虑环境温度的影响即可,通过腕部体表温度、环境温度、体温三者之间的补偿关系即可相应的建立简化测温模型。
接下来讨论热传导路径对温度测量的影响。根据傅立叶定律,热导率的定义式为

其中,x为热流方向,qx" 为该方向上的热通量,W/m2,为该方向上的温度梯度,单位是 K/m。对于各向同性的材料来说,各个方向上的热导率是相同的。热导系数的定义是指在稳定传热条件下,1m厚的材料,两侧表面的温差为1度(K,℃),在1秒内(1s),通过1平方米面积传递的热量,单位为瓦/米·度 (W/(m·K),此处为K可用℃代替)。
根据上述公式分析,材料和路径是影响热传导的主要因素,除此之外,热隔离也是重要因素。电子行业常用到的材料导热系数如下表:

表1:电子行业常用材料导热系数 
对于可穿戴测温方案,理想情况下,需要测量皮肤温度及环境温度,并通过补偿算法计算后得出较为准确的等价腋下温度。以手环或手表为例,典型的皮肤温度的最优化热传导路径如图3所示:皮肤→不锈钢→FPC柔板→温度传感器芯片。

图3:最优化皮肤温度到温度传感器芯片的热传导路径
这里有几点需要注意:
● 热传导路径上通过高导热系数材料形成紧耦合
● 温度传感器与待测热源尽量形成良好热传导,与无关热源尽量形成热隔离
● 温度传感器自发热越小越好  
针对热传导的路径来说,芯片PAD金属导入会比通过塑封体Compound要更好,而PCB越薄导热性能越好,因此建议使用柔性电路版FPC来布局温度传感器。在柔板与金属板之间可以考虑涂敷导热硅胶或者导热硅脂,以防出现空隙,避免空气传导降低热导率。与皮肤接触的导热界面建议选择304或316不锈钢材料,生物相容性较好,不会引起皮肤过敏,铜的导热系数更优,但容易氧化,因此不建议使用,铝材如能做好表面处理也是较为适合的接触皮肤的选材。此外,温度传感器PCB子板的尺寸应尽量小,板上不放置无关器件,并且器件与其他发热元件尽量远离,不采用金属接触,或者采用隔热材料形成热隔离。最后,为尽量降低温度传感器自发热,推荐选择纳芯微D-NTC®温度传感器,相比热敏电阻功耗更低,温度转换与热响应时间更短。
基于经过数亿颗信号调理芯片广泛验证过的CMOS测温IP及专利的传感器标定技术,纳芯微于2018年开始先后推出了NST1001、NS18B20、NST175等多款温度传感器IC,其NST1001采用2PIN脉冲输出方式,DFN2L封装与0603电阻尺寸相同,温度转换功耗仅30uA,脉冲输出阶段仅1uA,精度可达0.1℃,1Hz采样速率下平均功耗仅0.7uA。如需使用I2C协议产品可以选择NST175 MSOP8封装产品,可快速集成到可穿戴设备中实现测温功能。

图4:NST1001 芯片实物及PCB子板
● NST1001 DFN封装硅油中热响应时间为0.21S,空气中响应时间<3S
● 芯片正面(封装面)紧耦合贴合手腕,温度达到63%的响应时间为0.61S,达到体温的时间为16.9S
● 芯片背面(Pad面)通过FPC紧耦合贴合手腕,温度达到63%的响应时间为0.44S,达到体温(99%)的时间为12.73S
● 芯片腕部采集数据通过补偿计算后与腋窝体温相符

图5:NST1001封装体耦合皮肤热响应曲线
上述图5实测数据说明纳芯微NST1001是较为理想的接触式体温监测传感器,两种方案响应时间差异也说明通过芯片Pad侧导热效率优于通过塑封体测传热,与图3导热路径分析及表1中材料特性分析相吻合,建议制造商在产品设计中综合考虑上述因素设计产品结构。
面对行业的积极需求,纳芯微推出了一系列基于接触式温度传感器的体温监测应用解决方案。纳芯微D-NTC®系列温度传感器NST1001及NST175提供从 ±0.1℃到±0.5℃的宽范围精度并拥有出色的低功耗特性,满足可穿戴设备延长电池寿命的需求。NST1001及NST175等温度传感器可通过脉冲输出或标准 I²C 接口,并且封装尺寸小至1.6x0.8mm或3x3mm,有助于客户开发测温手表、测温手环、体温测量贴片等应用。
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