溫度感應(yīng)技術(shù)的原理

與醫(yī)療保健應(yīng)用

隨著人們對(duì)健康和環(huán)境越來越密切的關(guān)注，溫度感應(yīng)顯得日益重要。很多設(shè)備都添加了溫度感應(yīng)功能，如醫(yī)用體溫計(jì)和智能可穿戴設(shè)備等健康檢測(cè)設(shè)備，應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛。本文將探討非接觸式溫度感應(yīng)背后的原理與智能方案，以及由Melexis（邁來芯）推出的相關(guān)解決方案。

非接觸式溫度感應(yīng)的MEMS熱電堆技術(shù)

非接觸式溫度感應(yīng)可檢測(cè)在紅外（IR）波長范圍內(nèi)發(fā)射的能量。每個(gè)物體都以這種方式發(fā)射能量，因此我們可以通過測(cè)量能量來計(jì)算物體的溫度。但是，隨著傳感器件尺寸越來越小，它們更容易受到熱沖擊的影響，這可能會(huì)引起測(cè)量誤差和熱噪聲。

目前非接觸式溫度感應(yīng)的主流是集成MEMS熱電堆技術(shù)，熱電堆是一個(gè)可以將熱能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的電子傳感器，其工作原理是一切物體都會(huì)發(fā)射熱遠(yuǎn)紅外（FIR）輻射。

從電子角度來說，一個(gè)熱電堆由多個(gè)串聯(lián)的熱電偶組成。這些熱電偶所產(chǎn)生的電壓與兩點(diǎn)之間的溫差成比例，通過溫差則可以用來測(cè)量相對(duì)溫度。MEMS熱電堆傳感器IC采用熱隔離薄膜，由于該熱薄膜具有低熱容，因此可以通過快速加熱進(jìn)入的熱流，進(jìn)而產(chǎn)生熱電堆可報(bào)告的溫差。將參考熱敏電阻整合到MEMS系統(tǒng)后，即可生成絕對(duì)溫度測(cè)量值。

可穿戴設(shè)備需要大幅縮減

溫度傳感器的尺寸

溫度感應(yīng)在各種應(yīng)用中的作用越來越大，因此很多設(shè)備都增加了此功能，包括健康監(jiān)控器和可穿戴設(shè)備，如智能眼鏡、智能手環(huán)和耳內(nèi)設(shè)備，即“聽戴式裝置”。然而，接觸式溫度計(jì)解決方案經(jīng)常出現(xiàn)與目標(biāo)區(qū)域熱接觸不良的問題。遵循FIR原理的非接觸式溫度感應(yīng)非常適合這類新應(yīng)用，但是需要大幅縮減溫度傳感器的尺寸。

溫度測(cè)量的應(yīng)用日益廣泛，特別是通過智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備等便攜設(shè)備測(cè)量體溫已成為家庭護(hù)理的一部分。但是，溫度測(cè)量仍然面臨兩大挑戰(zhàn)。第一，傳感器IC組件必須尺寸足夠小才可用于各種應(yīng)用中，第二，傳感器IC組件必須安裝在大型金屬外殼中以提供足夠的熱容量，從而減輕快速熱沖擊的影響。

如果將小型FIR傳感器IC安裝在PCB上，則可能將其暴露于來自附近發(fā)熱組件（如微處理器或功率晶體管）的熱能中。FIR傳感器IC制造商試圖通過將傳感組件置于大型金屬罐（例如TO罐封裝）中來克服這一問題。金屬的顯著蓄熱性和高導(dǎo)熱性，確實(shí)能在一定程度上應(yīng)對(duì)快速熱梯度和沖擊的影響，但在熱特性動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中，這種方法并不能發(fā)揮多大作用。當(dāng)然，另一挑戰(zhàn)在于TO罐尺寸相對(duì)較大，并不適合可穿戴設(shè)備和聽戴式裝置等小型設(shè)備。

紅外溫度傳感器在PCR上的應(yīng)用

相信大家應(yīng)該對(duì)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）一詞感到非常熟悉，PCR的作用是于擴(kuò)增（復(fù)制）DNA，PCR最廣泛的一項(xiàng)應(yīng)用便是檢測(cè)感染。病毒或細(xì)菌等病原體在DNA/RNA經(jīng)擴(kuò)增之后，可以在患者樣品中檢測(cè)出來。這一應(yīng)用在新冠疫情的影響下蓬勃發(fā)展，PCR技術(shù)還可以用來檢測(cè)很多其他致病物。

很多生化反應(yīng)過程在醫(yī)學(xué)診斷中得以運(yùn)用，PCR只是其中一例。為了讓對(duì)溫度敏感的生化反應(yīng)能夠更快地發(fā)生，需要用到“熱循環(huán)儀”。熱循環(huán)儀配備一個(gè)或多個(gè)帶孔的加熱板，孔中可以插入裝有反應(yīng)物的管子。熱循環(huán)儀的目的是讓這些管子進(jìn)入預(yù)定的溫度程序，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確的溫度循環(huán)。一些模型支持控制加熱板的溫度梯度，以使不同的樣品能夠處在不同的溫度下。這一功能主要用于研究階段，旨在優(yōu)化溫度循環(huán)的某些關(guān)鍵步驟。

在測(cè)試過程中，樣品經(jīng)常被替換，這使得制造商很難通過直接接觸的方法可靠地測(cè)量管子的溫度。嚴(yán)格控制溫度循環(huán)取決于精確的傳感器輸入，這就是紅外溫度傳感器的作用所在。它們實(shí)現(xiàn)了非接觸式溫度測(cè)量，與接觸式溫度計(jì)相比，這是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。此外，避免直接接觸，大大降低了標(biāo)本間交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)。

目前，醫(yī)學(xué)診斷檢測(cè)正迅速轉(zhuǎn)變，過去需要送樣到專門的醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室并花幾周時(shí)間才能等到結(jié)果，而現(xiàn)在已經(jīng)可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，紅外溫度傳感器便起著至關(guān)重要的作用。通過使用紅外溫度傳感器，能夠更嚴(yán)格地控制溫度，進(jìn)一步調(diào)整生化反應(yīng)過程，從而實(shí)現(xiàn)更快速、更準(zhǔn)確且更可靠的診斷。

多功能與高度集成的紅外溫度計(jì)

Melexis MLX90614是一款用于非接觸式溫度測(cè)量的紅外溫度計(jì)，IR敏感型熱電堆檢測(cè)器芯片和信號(hào)調(diào)節(jié)ASIC都集成在同一TO-39罐封裝中。MLX90614集成有低噪聲放大器、17位ADC和強(qiáng)大的DSP單元，因此溫度計(jì)兼具高精度和高分辨率。

MLX90614溫度計(jì)出廠前已經(jīng)過校準(zhǔn)，可通過數(shù)字SMBus輸出提供整個(gè)溫度范圍內(nèi)的測(cè)量溫度（測(cè)量分辨率為0.02℃）。用戶可以將數(shù)字輸出配置為脈寬調(diào)制（PWM），在標(biāo)準(zhǔn)情況下，介于-20和120℃之間的測(cè)量溫度可將10位PWM配置為以0.14℃的分辨率連續(xù)傳輸。

MLX90614具有體積小、成本低與易于集成的主要優(yōu)勢(shì)，并已在寬溫度范圍內(nèi)執(zhí)行出廠校準(zhǔn)，包括傳感器溫度在-40至125℃，物體溫度為-70至380℃之間。在寬溫度范圍內(nèi)的精度高達(dá)0.5℃（Ta和To的溫度范圍均為0至+50℃），可應(yīng)要求在有限溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)0.2℃的醫(yī)療精度，可視角包括5°、10°、35°與90°，可決定測(cè)距范圍，并提供單區(qū)和雙區(qū)兩種版本，兼容SMBus的數(shù)字接口，方便快速讀取溫度和構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)，支持可自定義的PWM輸出，用于連續(xù)讀取，提供3V和5V兩種版本，經(jīng)過簡單調(diào)整后即可適應(yīng)8V到16V應(yīng)用，并支持節(jié)能模式，具有數(shù)字濾波功能，有多種封裝可供選擇，提供評(píng)估套件，可滿足多樣化的應(yīng)用和測(cè)量需求，屬于汽車級(jí)的器件。

高精度的非接觸式微型SMD溫度計(jì)IC

Melexis MLX90632則是一款微型SMD溫度計(jì)IC，可實(shí)現(xiàn)高精度非接觸式紅外溫度測(cè)量，在熱特性動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境以及空間受限的情況下作用尤為顯著，具有高穩(wěn)固性，醫(yī)療等級(jí)和消費(fèi)等級(jí)的產(chǎn)品已經(jīng)上市。

MLX90632可在高溫環(huán)境下精準(zhǔn)穩(wěn)定的工作，采用3mm x 3mm x 1mm QFN封裝，無需采用體積龐大的TO罐封裝，使用I2C數(shù)字接口進(jìn)行出廠校準(zhǔn)，具有50°的視場(chǎng)角，可編程刷新率為0.5Hz至32Hz，支持3.3V與1mA電源，占空比為1次/分鐘50μW，工作溫度范圍為-20℃至85℃，在Github上有驅(qū)動(dòng)程序，并已提供規(guī)格書與評(píng)估套件。

MLX90632的消費(fèi)級(jí)器件支持的測(cè)量物體溫度為-20℃至200℃，精度±1℃，消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的主要應(yīng)用包括白色家電、監(jiān)測(cè)室溫的獨(dú)立智能溫控器，以及集成在便攜式電子產(chǎn)品中的室溫監(jiān)測(cè)類產(chǎn)品。

醫(yī)療級(jí)器件支持的測(cè)量物體溫度為-20℃至100℃，人體溫度測(cè)量精度高達(dá)±0.2℃。醫(yī)療級(jí)產(chǎn)品的主要應(yīng)用包括耳溫槍或額溫計(jì)、健康監(jiān)測(cè)的可穿戴設(shè)備以及護(hù)理站應(yīng)用。

Melexis也推出MLX90632評(píng)估板――EVB90632，具有紅外溫度傳感器芯片MLX90632（SMD封裝）與PC之間的簡單接口。該P(yáng)CB有助于用戶對(duì)MLX90632進(jìn)行快速簡易的測(cè)試。EVB90632可使用戶訪問傳感器內(nèi)部設(shè)置，通過改變光學(xué)窗口補(bǔ)償常量、刷新率和傳感器的集成電路總線地址的方式，來調(diào)整傳感器以適應(yīng)特定應(yīng)用。

位置傳感器應(yīng)用的低功耗

電池供電磁力計(jì)

Melexis還推出適用于經(jīng)濟(jì)型電池供電應(yīng)用的Triaxis磁力計(jì) ― MLX90397，這是一款專為位置傳感器應(yīng)用打造的3D磁力計(jì)，磁場(chǎng)范圍為±50mT，BZ自適應(yīng)范圍為±200mT，MLX90397具有微功耗優(yōu)勢(shì)，適用于空間受限的應(yīng)用，這些特性使其成為電池供電應(yīng)用的理想之選。

MLX90397支持動(dòng)態(tài)可編程參數(shù)，這是一款單片傳感器芯片，可感應(yīng)垂直和平行于芯片表面的磁通量密度。該器件可沿3個(gè)軸（X、Y軸與裸片表面平行，Z軸與裸片表面垂直）進(jìn)行磁力測(cè)量。用戶可選擇單獨(dú)測(cè)量磁場(chǎng)BX、磁場(chǎng)BY、磁場(chǎng)BZ或溫度，也可進(jìn)行組合測(cè)量。這些測(cè)量值和芯片溫度被轉(zhuǎn)換成16位數(shù)據(jù)，并根據(jù)請(qǐng)求通過I2C通信通道進(jìn)行傳輸，該器件傳輸?shù)氖茄a(bǔ)償后的原始測(cè)量數(shù)據(jù)。

MLX90397支持7nA的典型待機(jī)電流與1.7 ~ 3.6 V的工作電壓，復(fù)位引腳可使MLX90397實(shí)現(xiàn)超低待機(jī)電流消耗，非常適合更新率低的應(yīng)用，并簡化設(shè)計(jì)、降低了物料清單成本并節(jié)省了PCB空間。傳感器的尺寸僅為2 mm x 2.5 mm x 0.4 mm，采用UTDFN-8超薄扁平無引線8引腳封裝，可幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)空間受限的應(yīng)用需求，用戶可以實(shí)現(xiàn)更簡單的PCB。此外，MLX90397已經(jīng)過預(yù)編程，是一款即插即用的解決方案，非常便于集成，并可在-40℃至-105℃的環(huán)境溫度范圍下運(yùn)作，MLX90397磁力計(jì)在可穿戴設(shè)備上的使用場(chǎng)景則是旋鈕控制。

結(jié)語

通過新型的小型化溫度傳感器的推出，使得能夠傳感溫度的高度集成醫(yī)療保健可穿戴設(shè)備成為現(xiàn)實(shí)，也可以用于加快PCR檢測(cè)的速度并降低成本，具備極大的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿ΑＳ蒑elexis推出的多款小型化溫度傳感器與磁力計(jì)，將可大幅縮小可穿戴設(shè)備的體積與降低功耗，是有意開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品廠商的理想選擇，您可以到Melexis網(wǎng)站下載溫度傳感器的選購指南，以找到最適合您需求的溫度傳感器。

審核編輯：湯梓紅