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來源：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、冷鏈和環境監測以及工業計算系統。雖然應用廣泛，但高精度數字溫度測量的實現經常涉及溫度傳感器的校準或線性化，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說是個問題。設計方面的挑戰也會迅速增加，造成成本超支和進度延遲。 讓問題復雜化的是，有些應用涉及多個溫度傳感器共享一條通信總線。此外，一些生產測試裝置需要根據美國國家標準與技術研究所 (NIST) 進行校準，而驗證設備又需要由 ISO/IEC-17025 認可的實驗室進行校準。忽然間，是不是看似簡單的功能變得既令人生畏又代價高昂。 本文簡要介紹了移動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，它不需要校準或線性化。文章最后提供了一些集成建議、一塊評估板和一個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。在制造過程中，數字溫度傳感器在性能上會出現部件間差異，這需要加以解決。廠家進行內部校準很昂貴，而且使用未經校準的傳感器會增加實現所需精度的成本，因此設計者應該考慮使用經過完全校準和線性化的傳感器。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 標準進行閉鏈管理，鏈條中每個環節的不確定性都會被識別和記錄下來，從而在設備制造商的質量保證體系中加以解決。 測試和校準實驗室的主要標準是 ISO/IEC 17025“關于測試和校準實驗室能力的一般要求”。ISO/IEC 17025 基于專門針對校準和測試實驗室的技術原則，用于其認證，并為制定持續改進計劃提供基礎。 支持 NIST 可追溯生產測試的數字溫度傳感器 為了滿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，并且無需校準或線性化。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，其生產測試是由獲得 ISO/IEC-17025 認可的實驗室根據 NIST 標準進行校準的。經過校準的生產測試加快了獲得歐盟對醫用溫度計要求的 EN 12470-3 認證的進度。 AS6211 是一個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 的測量是通過標準 I2C 接口進行的，支持 8 個 I2C 地址，從而消除了多傳感器設計中總線沖突的擔憂。 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。它包括一個敏感而精確的硅 (Si) 帶隙溫度傳感器，一個模數轉換器，以及一個帶有相關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特定的溫度閾值上觸發中斷，這個閾值是通過設置一個寄存器值來編程的。 AS6221 在進行每秒四次測量時，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，只有在達到溫度閾值時才喚醒應用處理器，可以進一步降低系統功耗。 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優化熱連接。一種方法是在皮膚和傳感器之間放一個導熱接片（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行熱連接。如果傳感器安裝在 PCB 的底部，可以用一個接觸彈簧在接片和 PCB 上與傳感器相連的熱過孔之間建立熱連接（圖 2）。這種方法可以實現一個高性價比器件，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，才能實現高水平的靈敏度。
圖 2：當傳感器安裝在 PCB 的底部時，可以使用熱過孔和接觸彈簧來連接到接片。（圖片來源：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。這可以實現更簡單的裝配，同時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。這提供了更簡單的組裝方式，同時仍保持了高性能。（圖片來源：ams OSRAM） 改善熱響應時間 為了獲得快速的熱響應時間，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。有兩個可行的設計建議，一是使用切口來盡量減少 PCB 頂部傳感器附近的任何銅平面（圖 4，頂部），并通過使用傳感器下面的切口區域來減少 PCB 底部的熱負荷，以減少 PCB 的整體質量（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圍的 PCB 質量，并提高其響應時間。（圖片來源：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，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，以實現設備性能要求。 · 設計封裝將 PCB 上的傳感器與周圍的元件和外部環境進行熱隔離。 環境溫度檢測 在使用多個溫度傳感器時，還需要考慮其他因素，例如在同時使用皮膚溫度和周圍環境溫度的設計中。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，并在兩個傳感器部分之間插入熱隔離柵。
圖 5：為了準確檢測環境溫度，皮膚和環境溫度傳感器之間應該有很高的熱阻。（圖片來源：ams OSRAM） 評估套件促進了 AS6221 的開發 為了加快應用開發和上市速度，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，實現對其能力的快速評估。這個評估套件直接連接到一個外部微控制器 (MCU)，可以用來訪問溫度測量值。
圖 6：AS62xx 評估套件可用于設置和評估 AS6221。（圖片來源：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發平臺。該演示套件包括一個 AS6221 溫度按鈕和一個 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傳感器按鈕（圖 7）。該 APP 通過藍牙與傳感器按鈕進行通信，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行比較。設計人員還可以使用演示套件來試驗警報模式，了解如何利用它來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發平臺。（圖片來源：ams OSRAM） 結語 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復雜的過程，涉及設計、測試和認證方方面面。為了簡化流程，降低成本，并更快地進入市場，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 就是這樣一個器件。它不需要校準或線性化，生產測試設備由 ISO/IEC-17025 認可的實驗室按照 NIST 標準進行了校準，加快了醫療設備的設計和審批過程。 |
