Utiliser des capteurs de température numériques haute précision dans les dispositifs corporels de surveillance de santé

Des mesures de température numériques précises sont importantes dans de nombreuses applications, y compris les dispositifs corporels, les dispositifs de surveillance médicale, les traceurs d'activités et de santé, la surveillance de la chaîne du froid et de l'environnement, et les systèmes informatiques industriels. Bien que la mise en œuvre de mesures de température numériques haute précision soit largement répandue, elle implique fréquemment la linéarisation ou l'étalonnage des capteurs de température ainsi qu'une consommation d'énergie plus élevée, ce qui peut être un problème pour les applications compactes ultrabasse consommation avec plusieurs modes d'acquisition. Les défis de conception peuvent rapidement s'accumuler, entraînant des dépassements de coûts et des retards dans les calendriers.

Pour compliquer les choses, certaines applications impliquent plusieurs capteurs de température partageant un seul bus de communication. De plus, certaines installations de tests de production doivent être étalonnées conformément au NIST (U.S. National Institute of Standards and Technology), tandis que les équipements de vérification doivent être étalonnés par un laboratoire accrédité ISO/CEI 17025. Ce qui semblait être une fonction simple se transforme en processus à la fois intimidant et coûteux.

Cet article décrit brièvement les exigences relatives aux mesures de température haute précision dans les applications de surveillance de la santé mobiles et alimentées par batterie. Il présente ensuite un circuit intégré de capteur de température numérique basse consommation et haute précision d'ams OSRAM qui ne requiert ni étalonnage ni linéarisation. Enfin, des recommandations d'intégration, une carte d'évaluation et un kit de démonstration compatible Bluetooth avec une application auxiliaire permettant de modifier les paramètres du capteur et d'observer l'impact sur la consommation d'énergie sont présentés.

Exigences en matière de surveillance de la température haute précision

La précision est indispensable dans les applications de surveillance de la santé. Tels qu'ils sont fabriqués, les capteurs de température numériques présentent des variations de performances d'une pièce à l'autre qui doivent être prises en compte. Étant donné que l'étalonnage en interne est coûteux et que l'utilisation de capteurs non étalonnés augmente le coût pour atteindre la précision souhaitée, les concepteurs doivent envisager des capteurs entièrement étalonnés et linéarisés. Il est toutefois important de s'assurer que le fabricant de capteurs utilise des instruments d'étalonnage qui sont traçables selon les normes NIST. L'utilisation d'instruments avec un étalonnage traçable garantit une chaîne ininterrompue jusqu'aux normes NIST de base, les incertitudes à chaque maillon de la chaîne étant identifiées et documentées de manière à pouvoir être prises en compte dans le système d'assurance qualité du fabricant de dispositifs.

La principale norme pour les laboratoires d'étalonnages et d'essais est la norme ISO/CEI 17025, « Exigences générales concernant la compétence des laboratoires d'étalonnages et d'essais ». La norme ISO/CEI 17025 repose sur des principes techniques axés spécifiquement sur les laboratoires d'étalonnages et d'essais, est utilisée pour leur accréditation et sert de base à l'élaboration de plans d'amélioration continue.

Capteur de température numérique avec test de production traçable NIST

Pour répondre aux nombreuses exigences de conception et de certification, les concepteurs peuvent se tourner vers le capteur de température numérique AS6211 d'ams OSRAM qui offre une précision jusqu'à ±0,09°C et ne requiert aucun étalonnage ou linéarisation. L'AS6211 est conçu pour être utilisé dans les dispositifs de soins de santé, les dispositifs corporels et d'autres applications nécessitant des informations thermiques hautes performances, et les tests de production sont étalonnés par un laboratoire accrédité ISO/CEI 17025 selon les normes NIST. Les tests de production étalonnés accélèrent le processus de certification selon la norme EN 12470-3, qui est requise pour les thermomètres médicaux dans l'Union européenne.

L'AS6211 est un capteur de température numérique complet, en boîtier WLCSP à 6 broches de 1,5 millimètre (mm) x 1,0 mm, prêt pour l'intégration système. Un exemple de numéro de référence pouvant être commandé, l'AS6221-AWLT-S, est livré par lots de 500 pièces sur bande et bobine. Les mesures de l'AS6211 sont fournies via une interface I²C standard, avec prise en charge de huit adresses I²C, éliminant ainsi les problèmes de conflits de bus dans les conceptions multi-capteurs.

Haute précision et basse consommation

L'AS6221 offre une haute précision et une faible consommation d'énergie sur toute sa plage d'alimentation de 1,71 volt CC (VCC) à 3,6 VCC, ce qui est particulièrement important dans les applications alimentées par une seule cellule de batterie. Il comprend un capteur de température à bande interdite en silicium (Si) sensible et précis, un convertisseur analogique-numérique et un processeur de signaux numériques avec registres et logique de commande associés. La fonction d'alerte intégrée peut déclencher une interruption à un seuil de température spécifique, qui est programmé en définissant une valeur de registre.

L'AS6221 consomme 6 microampères (µA) lorsqu'il effectue quatre mesures par seconde, et en mode veille, la consommation électrique n'est que de 0,1 µA. L'utilisation de la fonction d'alarme intégrée pour n'activer le processeur d'application que lorsqu'un seuil de température a été atteint permet de réduire davantage la consommation d'énergie du système.

Options d'intégration des dispositifs corporels

Dans les applications corporelles, plus la connexion thermique entre le capteur et la peau est bonne, plus la mesure de la température est précise. Les concepteurs disposent de plusieurs options pour optimiser la connexion thermique. L'un des moyens consiste à placer une broche thermoconductrice entre la peau et le capteur (Figure 1). Pour obtenir des résultats fiables, la broche doit être isolée de toute source externe d'énergie thermique, telle que le boîtier du dispositif, et une pâte ou un adhésif thermique doit être utilisé entre la broche et l'AS6211. Cette approche bénéficie de l'utilisation d'une carte à circuit imprimé (PCB) flexible pour l'AS6221, permettant une plus grande liberté dans le positionnement du capteur.

Figure 1 : Un circuit imprimé flexible et un adhésif thermique peuvent être utilisés pour fournir un chemin à faible impédance thermique entre la peau et le capteur. (Source de l'image : ams OSRAM)

Dans les conceptions où le capteur se trouve sur le circuit imprimé principal, la connexion thermique peut être réalisée à l'aide d'un ressort de contact ou d'une pastille thermique. Si le capteur est monté sur la face inférieure du circuit imprimé, un ressort de contact peut être utilisé pour établir une connexion thermique entre la broche de contact et les traversées thermiques du circuit imprimé qui sont connectées au capteur (Figure 2). Cette approche peut résulter en un dispositif rentable qui prend en charge de plus grandes distances entre le capteur et la peau, mais elle nécessite de prendre soigneusement en compte les différentes interfaces thermiques pour atteindre de hauts niveaux de sensibilité.

Figure 2 : Lorsque le capteur est monté sur la face inférieure d'un circuit imprimé, des traversées thermiques et un ressort de contact peuvent être utilisés pour la connexion à la broche de contact. (Source de l'image : ams OSRAM)

Une troisième option consiste à utiliser une pastille thermique pour connecter la broche à un capteur monté sur la face supérieure du circuit imprimé (Figure 3). Par rapport à l'utilisation d'un contact à ressort ou d'un circuit imprimé flexible, cette approche requiert une pastille à haute conductivité thermique et une conception mécanique minutieuse pour garantir une impédance thermique minimum entre la broche de contact et le capteur. Cela peut se traduire par un assemblage plus simple, tout en fournissant de hauts niveaux de performances.

Figure 3 : Une pastille thermique peut connecter un capteur monté sur la face supérieure du circuit imprimé à la broche de contact. Cela simplifie l'assemblage tout en offrant des performances élevées. (Source de l'image : ams OSRAM)

Amélioration du temps de réponse thermique

Afin d'obtenir des temps de réponse thermique rapides, il est important de minimiser les influences externes sur la mesure, en particulier par la partie du circuit imprimé directement adjacente au capteur. Deux suggestions de conception viables sont d'utiliser des découpes pour minimiser les plans de cuivre à proximité du capteur sur la face supérieure du circuit imprimé (Figure 4, haut), et de réduire la charge thermique de la face inférieure du circuit imprimé en utilisant une zone de découpe sous le capteur pour réduire la masse globale du circuit imprimé (Figure 4, bas).

Figure 4 : Les découpes sur les faces supérieure et inférieure du circuit imprimé peuvent minimiser la masse du circuit imprimé autour du capteur et améliorer son temps de réponse. (Source de l'image : ams OSRAM)

Outre la réduction des effets du circuit imprimé, d'autres techniques peuvent contribuer à améliorer la vitesse et les performances de mesure :

• Maximiser la surface de contact avec la peau afin d'augmenter la chaleur disponible pour le capteur.
• Utiliser des pistes de cuivre fines et minimiser la taille des plans d'alimentation et de masse.
• Utiliser des batteries et d'autres composants tels que des écrans aussi petits que possible pour répondre aux exigences de performances du dispositif.
• Concevoir le boîtier de manière à isoler thermiquement le capteur sur le circuit imprimé des composants environnants et de l'environnement extérieur.

Détection de la température ambiante

Des considérations supplémentaires s'appliquent lorsque plusieurs capteurs de température sont utilisés, par exemple dans les conceptions utilisant à la fois la température de la peau et la température ambiante. Un capteur distinct doit être utilisé pour chaque mesure. La conception thermique du dispositif doit maximiser l'impédance thermique entre les deux capteurs (Figure 5). Une impédance thermique intermédiaire plus élevée assure une meilleure isolation entre les capteurs et garantit que les mesures n'interfèrent pas les unes avec les autres. Le boîtier du dispositif doit être fabriqué avec des matériaux à faible conductivité thermique, et une barrière d'isolation thermique doit être insérée entre les deux sections de capteurs.

Figure 5 : Pour une détection précise de la température ambiante, il faut une résistance thermique élevée entre les capteurs de température cutanée et ambiante. (Source de l'image : ams OSRAM)

Kit d'évaluation dynamisant le développement de l'AS6221

Pour accélérer le développement d'applications et la mise sur le marché, ams OSRAM propose aux concepteurs un kit d'évaluation et un kit de démonstration. Le kit d'évaluation AS62xx peut être utilisé pour configurer rapidement le capteur de température numérique AS6221, permettant une évaluation rapide de ses capacités. Ce kit d'évaluation se connecte directement à un microcontrôleur (MCU) externe, qui peut être utilisé pour accéder aux mesures de température.

Figure 6 : Le kit d'évaluation AS62xx peut être utilisé pour configurer et évaluer l'AS6221. (Source de l'image : ams OSRAM)

Kit de démonstration pour l'AS6221

Une fois l'évaluation de base terminée, les concepteurs peuvent se tourner vers le kit de démonstration AS6221 comme plateforme de développement d'applications. Le kit de démonstration inclut un bouton de température AS6221 et une pile bouton CR2023. Le téléchargement de l'application auxiliaire à partir de l'App Store ou de Google Play Store permet de connecter jusqu'à trois boutons de capteur à la fois (Figure 7). L'application communique avec les boutons de capteur via Bluetooth, ce qui permet de modifier tous les paramètres de capteur, y compris la fréquence de mesure, et d'observer l'impact sur la consommation d'énergie. L'application peut enregistrer des séquences de mesure, ce qui permet de comparer les performances de divers paramètres de capteurs de température. Les concepteurs peuvent également utiliser le kit de démonstration pour expérimenter le mode d'alerte et apprendre comment il peut être utilisé pour améliorer les performances de la solution.

Figure 7 : Le kit de démonstration AS6221 sert de plateforme de développement d'applications de capteurs de température pour l'AS6221. (Source de l'image : ams OSRAM)

Conclusion

La conception de systèmes de détection de température numériques haute précision pour les applications de soins de santé, de fitness et d'autres dispositifs corporels est un processus complexe en termes de conception, de test et de certification. Pour simplifier le processus, réduire les coûts et accélérer la mise sur le marché, les concepteurs peuvent utiliser des capteurs hautement intégrés, basse consommation et haute précision.

Comme illustré, l'AS6221 est l'un de ces dispositifs. Il ne requiert ni étalonnage ni linéarisation, et l'équipement de test de production est étalonné selon les normes NIST par un laboratoire accrédité ISO/CEI 17025, accélérant ainsi le processus de conception et d'homologation des dispositifs médicaux.

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