Cómo utilizar sensores digitales de temperatura de alta precisión en los dispositivos para vestir de control de la salud

Las mediciones digitales precisas de la temperatura son importantes en una serie de aplicaciones, como los dispositivos para vestir, los dispositivos de monitorización médica, los rastreadores de salud y fitness, la monitorización de la cadena de frío y el medio ambiente, y los sistemas informáticos industriales. Aunque su aplicación está muy extendida, la realización de mediciones digitales de temperatura de alta precisión suele implicar la calibración o linealización del sensor de temperatura, así como un mayor consumo de energía que puede ser un problema para las aplicaciones compactas de muy bajo consumo con múltiples modos de adquisición. Los retos de diseño pueden aumentar rápidamente, provocando sobrecostos y retrasos en los plazos.

Para complicar el asunto, algunas aplicaciones incluyen varios sensores de temperatura que comparten un único bus de comunicación. Además, algunos equipos de pruebas de producción deben calibrarse según el Instituto Nacional de Normas y Tecnología de Estados Unidos (NIST), mientras que los equipos de verificación deben ser calibrados por un laboratorio acreditado según la norma ISO/IEC-17025. De repente, lo que parecía una función sencilla se convierte en algo intimidante y costoso.

En este artículo se describen brevemente los requisitos de las mediciones de temperatura de alta precisión en las aplicaciones móviles y de monitorización de la salud alimentadas por baterías. A continuación, presenta un CI de sensor de temperatura digital de bajo consumo y alta precisión de ams OSRAM que no requiere calibración ni linealización. Termina con recomendaciones de integración, una placa de evaluación y un kit de demostración con Bluetooth con una aplicación complementaria que permite modificar la configuración de los sensores y observar el impacto en el consumo de energía.

Requisitos para el control de la temperatura de alta precisión

La precisión es obligatoria en las aplicaciones de vigilancia de la salud. Tal y como se fabrican, los sensores digitales de temperatura presentan variaciones de rendimiento de una pieza a otra que es necesario abordar. Dado que la calibración interna es costosa y que el uso de sensores no calibrados aumenta el costo de conseguir la precisión deseada, los diseñadores deberían considerar sensores totalmente calibrados y linealizados. Sin embargo, es importante asegurarse de que el fabricante de sensores utilice instrumentos de calibración trazables a las normas NIST. El uso de instrumentos con calibración trazable garantiza una cadena ininterrumpida hasta los estándares básicos del NIST, con las incertidumbres en cada eslabón de la cadena identificadas y documentadas para que puedan ser abordadas en el sistema de garantía de calidad del fabricante del dispositivo.

La norma principal para los laboratorios de ensayo y calibración es la ISO/IEC 17025 "Requisitos generales para la competencia de los laboratorios de ensayo y calibración". La norma ISO/IEC 17025 se basa en principios técnicos centrados específicamente en los laboratorios de calibración y ensayo, se utiliza para su acreditación y proporciona la base para desarrollar planes de mejora continua.

Sensor de temperatura digital con pruebas de producción rastreables por el NIST

Para cumplir con los numerosos requisitos de diseño y certificación, los diseñadores pueden recurrir al sensor de temperatura digital AS6211 de ams OSRAM que proporciona una precisión de hasta ±0.09 °C y no requiere calibración ni linealización. Diseñada para su uso en dispositivos sanitarios, wearables y otras aplicaciones que requieren información térmica de alto rendimiento, las pruebas de producción de la AS6211 están calibradas por un laboratorio acreditado ISO/IEC-17025 según las normas del NIST. Las pruebas de producción calibradas aceleran el proceso de obtención de la certificación según la norma EN 12470-3, necesaria para los termómetros médicos en la Unión Europea.

El AS6211 es un completo sensor de temperatura digital en un encapsulado a escala de chip a nivel de oblea (WLCSP) de seis pines y 1.5 x 1.0 milímetros (mm), listo para la integración del sistema. Un ejemplo de número de pieza que se puede pedir, el AS6221-AWLT-S, se entrega en lotes de 500 unidades en cinta y carrete. Las mediciones del AS6211 se realizan a través de una interfaz I²C estándar y admite ocho direcciones I²C, lo que elimina las preocupaciones sobre los conflictos de bus en los diseños de varios sensores.

Alta precisión y bajo consumo

El AS6221 ofrece una gran precisión con un bajo consumo de energía en todo su rango de alimentación, de 1.71 a 3.6 voltios de CC, lo que es especialmente importante en aplicaciones alimentadas por una sola célula de batería. Incluye un sensor de temperatura de banda prohibida de silicio (Si) sensible y preciso, un convertidor analógico-digital y un procesador de señales digitales con registros y lógica de control asociados. La función de alerta integrada puede activar una interrupción en un umbral de temperatura específico, que se programa fijando un valor de registro.

El AS6221 consume 6 microamperios (µA) cuando realiza cuatro mediciones por segundo, y en modo de espera, el consumo de energía es de sólo 0.1 µA. El uso de la función de alarma integrada para despertar el procesador de la aplicación sólo cuando se ha alcanzado un umbral de temperatura puede reducir aún más el consumo de energía del sistema.

Opciones de integración de los wearables

En las aplicaciones portátiles, cuanto mejor sea la conexión térmica entre el sensor y la piel, más precisa será la medición de la temperatura. Los diseñadores tienen varias opciones para optimizar la conexión térmica. Una de las formas es colocar una clavija conductora de calor entre la piel y el sensor (Figura 1). Para conseguir resultados fiables, el pin debe estar aislado de cualquier fuente externa de energía térmica, como la carcasa del dispositivo, y debe utilizarse una pasta térmica o un adhesivo entre el pin y el AS6211. Este enfoque se beneficia de la utilización de una placa de circuito impreso (PCB) flexible (flex) para transportar el AS6221, lo que permite una mayor libertad en la ubicación del sensor.

Figura 1: Se puede utilizar una placa de circuito impreso flexible y un adhesivo térmico para proporcionar una vía de baja impedancia térmica entre la piel y el sensor. (Fuente de la imagen: ams OSRAM)

En los diseños que se benefician de tener el sensor en la placa de circuito impreso principal, la conexión térmica puede realizarse mediante un muelle de contacto o una almohadilla térmica. Si el sensor está montado en la parte inferior de la placa de circuito impreso, se puede utilizar un muelle de contacto para realizar una conexión térmica entre la clavija de contacto y las vías térmicas de la placa de circuito impreso que están conectadas al sensor (Figura 2). Este enfoque puede dar lugar a un dispositivo rentable que admite distancias más largas entre el sensor y la piel, pero requiere una cuidadosa consideración de las diversas interfaces térmicas para lograr altos niveles de sensibilidad.

Figura 2: Cuando el sensor se monta en la parte inferior de una placa de circuito impreso, se pueden utilizar vías térmicas y un muelle de contacto para conectar con la clavija de contacto. (Fuente de la imagen: ams OSRAM)

Una tercera opción es utilizar una almohadilla térmica para conectar la clavija a un sensor montado en la parte superior de la placa de circuito impreso (Figura 3). En comparación con el uso de un contacto de resorte o una placa de circuito impreso flexible, este enfoque requiere una almohadilla con alta conductividad térmica y un diseño mecánico cuidadoso para garantizar una impedancia térmica mínima entre la clavija de contacto y el sensor. Esto puede dar lugar a un montaje más sencillo sin dejar de ofrecer altos niveles de rendimiento.

Figura 3: Una almohadilla térmica puede conectar un sensor montado en la parte superior con la clavija de contacto. Esto permite un montaje más sencillo, sin dejar de ofrecer un alto rendimiento. (Fuente de la imagen: ams OSRAM)

Mejora del tiempo de respuesta térmica

Para obtener tiempos de respuesta térmica rápidos, es importante minimizar las influencias externas en la medición, especialmente por la parte de la PCB directamente adyacente al sensor. Dos sugerencias de diseño viables son utilizar recortes para minimizar los planos de cobre en las proximidades del sensor en la parte superior de la placa de circuito impreso (Figura 4, arriba), y reducir la carga térmica de la parte inferior de la placa de circuito impreso utilizando un área de recorte debajo del sensor para reducir la masa total de la placa de circuito impreso (Figura 4, abajo).

Figura 4: Los recortes en la parte superior e inferior de la placa de circuito impreso pueden minimizar la masa de la placa alrededor del sensor y mejorar su tiempo de respuesta. (Fuente de la imagen: ams OSRAM)

Además de minimizar los efectos de la PCB, otras técnicas que pueden ayudar a mejorar la velocidad y el rendimiento de las mediciones son:

• Maximizar el área de contacto con la piel para aumentar el calor disponible para el sensor.
• Utilizar trazas de cobre finas y minimizar el tamaño de los planos de potencia y tierra.
• Utilizar baterías y otros componentes, como las pantallas, lo más pequeños posible para cumplir los requisitos de rendimiento del dispositivo.
• Diseñar el envase para aislar térmicamente el sensor en la placa de circuito impreso de los componentes circundantes y del entorno exterior.

Detección de la temperatura ambiental

Se aplican consideraciones adicionales cuando se utilizan varios sensores de temperatura, como en los diseños que utilizan tanto la temperatura de la piel como la del entorno. Debe utilizarse un sensor distinto para cada medición. El diseño térmico del dispositivo debe maximizar la impedancia térmica entre los dos sensores (Figura 5). Una mayor impedancia térmica intermedia proporciona un mejor aislamiento entre los sensores y garantiza que las mediciones no interfieran entre sí. El paquete del dispositivo debe fabricarse con materiales que tengan una baja conductividad térmica, y debe insertarse una barrera de aislamiento térmico entre las dos secciones del sensor.

Figura 5: Para una detección precisa de la temperatura ambiental, debe haber una alta resistencia térmica entre la piel y los sensores de temperatura ambiental. (Fuente de la imagen: ams OSRAM)

El kit de evaluación pone en marcha el desarrollo del AS6221

Para acelerar el desarrollo de aplicaciones y el tiempo de comercialización, ams OSRAM ofrece a los diseñadores tanto un kit de evaluación como un kit de demostración. El Kit de evaluación AS62xx se puede utilizar para configurar rápidamente el sensor de temperatura digital AS6221, permitiendo una rápida evaluación de sus capacidades. Este kit de evaluación se conecta directamente a un microcontrolador externo (MCU) que puede utilizarse para acceder a las mediciones de temperatura.

Figura 6: El kit de evaluación AS62xx puede utilizarse para configurar y evaluar el AS6221. (Fuente de la imagen: ams OSRAM)

Kit de demostración para el AS6221

Una vez completada la evaluación básica, los diseñadores pueden recurrir al kit de demostración AS6221 como plataforma de desarrollo de aplicaciones. El kit de demostración incluye un botón de temperatura AS6221 y una pila de botón CR2023. La descarga de la aplicación complementaria desde la App Store o Google Play Store permite la conexión de hasta tres botones de sensor a la vez (Figura 7). La aplicación se comunica con los botones del sensor a través de Bluetooth, lo que permite modificar todos los ajustes del sensor, incluida la frecuencia de medición, y observar el impacto en el consumo de energía. La aplicación puede registrar secuencias de medición, lo que permite comparar el rendimiento de varias configuraciones de sensores de temperatura. Los diseñadores también pueden utilizar el kit de demostración para experimentar con el modo de alerta y aprender cómo puede utilizarse para mejorar el rendimiento de la solución.

Figura 7: El kit de demostración del AS6221 sirve como plataforma de desarrollo de aplicaciones de sensores de temperatura para el AS6221. (Fuente de la imagen: ams OSRAM)

Conclusión:

El diseño de sistemas digitales de detección de temperatura de alta precisión para la atención sanitaria, el fitness y otros dispositivos portátiles es un proceso complejo en lo que respecta al diseño, las pruebas y la certificación. Para simplificar el proceso, reducir el coste y llegar al mercado más rápidamente, los diseñadores pueden utilizar sensores altamente integrados, de bajo consumo y gran precisión.

Como se muestra, el AS6221 es uno de esos dispositivos. No requiere calibración ni linealización, y el equipo de pruebas de producción está calibrado según las normas NIST por un laboratorio acreditado ISO/IEC-17025, lo que acelera el proceso de diseño y aprobación de los dispositivos médicos.

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