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納芯微低功耗數(shù)字溫度傳感器NST112x用于可穿戴類設(shè)備測溫

發(fā)布時間:2022-10-25 來源:納芯微 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】可穿戴設(shè)備例如智能手表主打智能助理、健康、安全和運(yùn)動等多功能定位深受消費(fèi)者喜愛。后疫情時代,消費(fèi)者更加關(guān)注自身健康,體溫測量成為了健康監(jiān)測管理和多維預(yù)防的重要手段。人們可以通過具有體溫測量功能的可穿戴設(shè)備隨時隨地了解自身健康狀況,實(shí)現(xiàn)自我防護(hù)。


搭載溫度傳感器的可穿戴設(shè)備可以為消費(fèi)者帶來不一樣功能體驗(yàn)——實(shí)時守護(hù)人們健康每一刻。我們來看看溫度傳感器在可穿戴設(shè)備中將發(fā)揮哪些作用,又是如何實(shí)現(xiàn)的?


如何應(yīng)對可穿戴類設(shè)備測溫應(yīng)用的挑戰(zhàn)?


可穿戴類設(shè)備測溫應(yīng)用經(jīng)常會遇到一些挑戰(zhàn),對測溫傳感器提出了更高的要求。


首先,影響測溫精度的因素很多,特別是環(huán)境溫度。以納芯微溫度傳感器的NST112x為例,其高精測溫區(qū)間誤差典型值為0.1℃,主要是偏移誤差;但這并不是不確定度誤差,不確定度(復(fù)測跳動)為1個LSB(最低有效位),為±0.015625℃。而準(zhǔn)確測量溫度精度需要精準(zhǔn)的溫度環(huán)境,一般使用恒溫槽進(jìn)行測量。


第二是誤差的標(biāo)定,可用標(biāo)定方案有多種,目前納芯微提供的解決方案,溫度誤差典型值為0.1℃,推薦客戶做一次單點(diǎn)標(biāo)定,使其精度達(dá)到0.1℃以內(nèi)(醫(yī)用體溫計(jì)規(guī)范37-39℃范圍內(nèi)<0.1℃,35-42℃范圍內(nèi)<0.2℃)。


當(dāng)然,可穿戴類設(shè)備的使用中也要注意影響測溫精度的其他一些因素,例如,設(shè)備的溫度傳感器需要與待測熱源緊密耦合,以保證最優(yōu)的熱傳導(dǎo)路徑;溫度傳感器還應(yīng)遠(yuǎn)離其他熱源,并盡量縮短工作時間,降低其自發(fā)熱。


在測量準(zhǔn)確度方面,手腕測溫與腋下測溫存在溫差,主要適用于連續(xù)體溫監(jiān)測,特別是監(jiān)測變化量,測量絕對值需要用戶進(jìn)行標(biāo)定。另外,對溫度準(zhǔn)確度要求較高客戶,推薦使用2顆溫度傳感器分別測量環(huán)境溫度和皮膚溫度,通過補(bǔ)償即可得出較為準(zhǔn)確的體溫值。


不是什么樣的溫度傳感器都能用


手表可用空間非常有限,用在其中的溫度傳感器首先需要體積小,當(dāng)然還要滿足其他一些特殊要求,包括高精度、超低功耗、響應(yīng)速度和使用方便。


納芯微的接觸式體溫測量方案是采用高精度數(shù)字溫度傳感器NST112x-CWLR的解決方案。該方案具有溫度響應(yīng)速度快、測溫時間短、低功耗、高精度、自發(fā)熱小等特點(diǎn),特別適合手表、手環(huán)類以及藍(lán)牙體溫貼等產(chǎn)品使用。


NST112x是一款低功耗高精度數(shù)字溫度傳感器。其可兼容I2C和SMBus接口具有可編程警報(bào)和SMBus重置功能,在單路總線上最多可支持4個器件。在精度方面,無需校準(zhǔn)即可在-20℃至125℃范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高達(dá)±0.5℃的精度。由于是高線性度溫度傳感器,NST112x不需要重新組合計(jì)算或查表就可以導(dǎo)出溫度。其14bit模數(shù)轉(zhuǎn)換可提供高達(dá)0.015625℃的分辨率。NST112x溫度傳感器正常工作溫度范圍為-40℃至125℃,使其適合在通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類產(chǎn)品、環(huán)境、工業(yè)和儀表工作中運(yùn)行。由于NST112x是一款極低功耗的傳感器,可用于電池供電物聯(lián)網(wǎng)的測溫應(yīng)用。


NST112x的特點(diǎn)和典型應(yīng)用


以下是NST112x系列的特點(diǎn):


 - 采樣速率4Hz,平均功耗典型值僅為5.7μA


 - 提供SOT-563和DSBGA-4(0.75mm×0.75mm)兩種封裝,其中DSBGA-4可實(shí)現(xiàn)體溫范圍內(nèi)高達(dá)±0.1℃的輸出精度


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配圖1:納芯微NST112x系列的DSBGA-4封裝


 - 采用SMT工藝,裝配精度容差性強(qiáng),適用于大規(guī)模量產(chǎn)


 - 采用接觸式測溫?zé)醾鲗?dǎo)路徑,芯片焊盤通過FPC過孔覆銅傳導(dǎo)到背面,再通過不銹鋼片接觸皮膚


 - 芯片背面(焊盤面)通過FPC貼合手腕,在室溫23.5℃條件下,實(shí)測手腕溫度為33.0℃,補(bǔ)償后為36.48℃,與腋窩體溫相符


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配圖2:納芯微溫度傳感器校準(zhǔn)監(jiān)測體溫


 - 溫度達(dá)到63%的響應(yīng)時間為0.1s,達(dá)到體溫(99%)的時間為12.73s


接觸式測溫需要優(yōu)化熱傳導(dǎo)路徑


手表采用接觸式測溫作為熱傳導(dǎo)路徑,根據(jù)傅立葉定律的熱導(dǎo)率定義:


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配圖3:傅立葉定律的熱導(dǎo)率定義


因此,材料和路徑是影響熱傳導(dǎo)的主要因素,除此之外,熱隔離也是重要的因素。


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配圖4:不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)


皮膚傳導(dǎo)的導(dǎo)熱路徑有兩條,一是皮膚→不銹鋼→FPC柔板→溫度傳感器芯片;二是皮膚→溫度傳感器芯片焊盤→導(dǎo)熱膠→裸DIE。


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配圖5:皮膚→溫度傳感器芯片焊盤→導(dǎo)熱膠→裸DIE的皮膚傳導(dǎo)的導(dǎo)熱路徑


為了保證導(dǎo)熱效果,建議使用金屬導(dǎo)熱材料接觸皮膚,優(yōu)選材料是不銹鋼,而使用導(dǎo)熱硅脂、硅膠并不能提高導(dǎo)熱能力。


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配圖6:納芯微NST112x系列封裝小,適用于可穿戴集成度高的電子產(chǎn)品


納芯微其他的溫度傳感器產(chǎn)品型號還包括NST1001/HA、NST118、NST117系列,主要適用于包括智能眼鏡/AI、智能手環(huán)/智能手表、藍(lán)牙耳機(jī)TWS和藍(lán)牙貼膚測溫等應(yīng)用。


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配圖7:納芯微溫度傳感器產(chǎn)品的應(yīng)用


可穿戴手表搭載體溫傳感功能為消費(fèi)者帶來了更多的體驗(yàn)和選擇。未來,體溫傳感器有可能成為多種便攜式設(shè)備的標(biāo)配,為人們的日常生活帶來更多的便利,而納芯微的豐富溫度傳感器產(chǎn)品也將派上更多用場。



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