Intégrer rapidement la détection de température de grade clinique dans des conceptions de dispositifs corporels médicaux

Dans le sillage de l'inquiétude mondiale suscitée par le COVID-19, les concepteurs de dispositifs corporels et portables pour la détection de la température sont mis au défi de réduire la taille, le coût et la consommation d'énergie des dispositifs, tout en améliorant leur précision, leur sensibilité et leur fiabilité. Les capteurs sont améliorés non seulement en termes de performances mais également en termes de facilité d'utilisation globale afin de simplifier le processus de conception et d'intégration.

Cet article traite des types de capteurs de température de base avant de se concentrer sur les capteurs numériques et les caractéristiques essentielles que les concepteurs doivent viser. Il présente des exemples de capteurs de température numériques d'ams et de Maxim Integrated, ainsi qu'un thermomètre infrarouge de Melexis Technologies NV comme exemple de mesure de température sans contact. Il montre également comment ces dispositifs peuvent répondre aux besoins des systèmes nouvelle génération, et décrit comment les cartes d'évaluation et les kits de sondes correspondants peuvent être utilisés pour aider les concepteurs à démarrer.

Choix des capteurs de température

Dans les quatre types courants de capteurs de température parmi lesquels les concepteurs peuvent choisir — thermocouples, dispositifs de température à résistance (RTD), thermistances et circuits intégrés de capteurs de température — les circuits intégrés de capteurs de température constituent une bonne option pour les conceptions médicales et de soins de santé par contact. Cela s'explique principalement par le fait qu'ils ne nécessitent pas de linéarisation, qu'ils offrent une bonne immunité au bruit et qu'ils sont relativement faciles à intégrer dans des dispositifs de soins de santé corporels et portables. Pour la détection sans contact, des thermomètres infrarouges peuvent être utilisés.

Les paramètres clés que les concepteurs doivent prendre en compte, en particulier pour les applications corporelles, qu'il s'agisse d'un dispositif porté au poignet, intégré dans un vêtement ou d'un patch médical collant, sont la taille, la consommation d'énergie et la sensibilité thermique. La sensibilité est importante car, lors de la conception pour une précision de grade clinique, même une puissance transitoire de l'ordre de microwatts (µW) peut entraîner un échauffement du capteur et provoquer des lectures imprécises. Le type d'interface (numérique ou analogique) est également à prendre en considération, car il détermine les exigences des composants associés, tels que le microcontrôleur.

Comment obtenir une précision de grade clinique

Pour atteindre une précision de grade clinique, conformément à la norme ASTM E112, il faut d'abord sélectionner le capteur approprié. Les capteurs de température numériques MAX30208 de Maxim Integrated, par exemple, affichent une précision de ±0,1°C de +30°C à +50°C et une précision de ±0,15°C de 0°C à +70°C. Les dispositifs mesurent 2 mm x 2 mm x 0,75 mm et sont fournis en boîtier LGA à 10 broches (Figure 1). Les circuits intégrés fonctionnent à une tension d'alimentation s'étendant de 1,7 volts (V) à 3,6 V et consomment moins de 67 microampères (µA) en fonctionnement et 0,5 µA en veille.

Figure 1 : Les capteurs de température numériques MAX30208 offrent une précision de mesure de grade clinique de ±0,1°C pour les dispositifs alimentés par batterie tels que les montres connectées et les patchs médicaux. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Comme mentionné précédemment, un défi critique de la conception avec une précision clinique est de s'assurer que la température intrinsèque du capteur n'affecte pas la lecture des mesures d'un dispositif corporel.

La chaleur du circuit intégré du capteur, qui circule de la carte à circuit imprimé en traversant le boîtier jusqu'à la puce du capteur, peut affecter la précision des lectures de température. Dans un circuit intégré de capteur de température, cette chaleur est conduite à travers une pastille thermique métallique située sur la face inférieure du boîtier, résultant en un échauffement parasite. Cela peut entraîner une conduction thermique par intermittence des autres broches. Inévitablement, cela interfère avec les mesures de température.

Pour contrer l'échauffement parasite, les concepteurs peuvent employer un certain nombre de techniques, à commencer par l'utilisation de pistes fines pour détourner la conductivité thermique loin du circuit intégré du capteur. De plus, au lieu d'utiliser la pastille thermique située sur la face inférieure du boîtier, les concepteurs peuvent mesurer la température sur le dessus du boîtier, aussi loin que possible des broches du circuit intégré. Dans le cas du MAX30208CLB+ et des autres capteurs de température numériques MAX30208, la mesure de température est effectuée sur le dessus du boîtier.

Une autre technique d'atténuation consiste à placer d'autres composants électroniques — susceptibles d'introduire de la chaleur dans le système de surveillance de la température — aussi loin que possible de l'élément de détection afin de minimiser leur impact sur les données de mesure de la température.

Considérations relatives à la conception thermique du système à l'utilisateur

En plus de l'isolation thermique des sources de chaleur, les concepteurs doivent également garantir un bon chemin thermique entre l'élément de détection de la température et la peau de l'utilisateur. L'emplacement sous le boîtier fait qu'il est difficile pour le circuit imprimé de router les pistes métalliques depuis le point de contact avec le corps.

Aussi, le système doit avant tout être conçu de telle sorte que le capteur soit aussi proche que possible de la température cible à mesurer. De plus, comme permis par les capteurs MAX30208, les conceptions corporelles et les patchs médicaux peuvent utiliser des circuits imprimés flexibles ou semi-rigides. Les capteurs de température numériques MAX30208 peuvent être connectés directement à un microcontrôleur à l'aide d'un câble plat flexible (FFC) ou d'un câble FPC.

Lors de l'utilisation de ces câbles, il est essentiel de placer le circuit intégré de capteur de température sur le côté flexible du circuit imprimé, ce qui réduit la résistance thermique entre la surface de la peau et le capteur. De plus, les concepteurs doivent réduire le plus possible l'épaisseur de la carte flexible ; une carte plus mince peut se plier plus efficacement et permettre un meilleur contact.

Les capteurs de température numériques sont généralement reliés à des microcontrôleurs via une interface série I²C. C'est le cas du MAX30208CLB+ de Maxim, qui utilise également un FIFO pour les données de température, permettant à un microcontrôleur de rester inactif pendant de longues périodes pour économiser l'énergie.

Figure 2 : Les capteurs de température numériques MAX30208 sont destinés aux thermomètres médicaux et aux moniteurs de température corporelle portables. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Le capteur de température numérique MAX30208CLB+ utilise un FIFO de 32 mots pour créer un registre de configuration du capteur de température offrant jusqu'à 32 lectures de température, chacune comprenant deux octets. Ces registres mappés en mémoire permettent également aux capteurs d'offrir des alarmes numériques de température à seuil haut et bas.

Il y a également deux broches E/S à usage général (GPIO) : la broche GPIO1 peut être configurée pour déclencher une conversion de température, tandis que la broche GPIO0 peut être configurée pour générer une interruption pour des bits d'état sélectionnables.

Capteurs de température étalonnés en usine

De nombreux capteurs de température numériques sont maintenant étalonnés en usine, ce qui élimine la nécessité de les étalonner sur le terrain ou de les ré-étalonner une fois par an, comme c'est le cas pour de nombreux capteurs de température existants. De plus, l'étalonnage en usine évite de devoir développer un logiciel pour linéariser la sortie et pour simuler et régler le circuit. Il élimine également le recours à une multitude de composants de précision et minimise le risque de désadaptation d'impédance.

Par exemple, la gamme de capteurs de température AS621x d'ams est étalonnée en usine et est fournie avec une linéarisation intégrée (Figure 3). Cette gamme est également dotée de huit adresses I²C pour permettre aux concepteurs de surveiller la température de huit points chauds potentiels différents à l'aide d'un seul bus.

Figure 3 : Les capteurs AS621x fournissent un système de température numérique complet avec étalonnage en usine. (Source de l'image : ams)

L'interface série avec huit adresses I²C simplifie également le prototypage et la vérification de la conception pour les développeurs de systèmes de surveillance liés à la santé.

Pour aider à adapter les capteurs aux exigences spécifiques de leur application, les capteurs AS621x sont disponibles en trois versions de précision : ±0,2°C, ±0,4°C et ±0,8°C. Pour les systèmes de surveillance liés à la santé, une précision de ±0,2°C est suffisante, ce qui fait de l'AS6212-AWLT-L une option appropriée. Tous les dispositifs AS621x ont une résolution de 16 bits pour détecter les petites variations de température sur toute leur plage de températures de fonctionnement de -40°C à +125°C.

L'AS621x mesure 1,5 mm² et est fourni en boîtier WLCSP pour faciliter son intégration dans un dispositif de soins de santé. Il fonctionne avec une tension d'alimentation de 1,71 V et consomme 6 µA en fonctionnement et 0,1 µA en mode veille. Grâce à leur empreinte compacte et à leur basse consommation d'énergie, les capteurs de température tels que l'AS6212-AWLT-L sont particulièrement adaptés aux applications de dispositifs corporels et portables alimentés par batterie.

Capteurs de température sans contact

Contrairement aux circuits intégrés de capteurs de température qui requièrent un certain contact physique, les thermomètres infrarouges effectuent des mesures de température sans contact. Ces capteurs sans contact mesurent deux paramètres : la température ambiante et la température d'un objet.

Ces thermomètres détectent toute énergie supérieure à 0 Kelvin (zéro absolu) émise par un objet situé devant le dispositif. Le détecteur convertit ensuite l'énergie en un signal électrique et le transmet à un processeur qui interprète et affiche les données après avoir compensé les variations causées par la température ambiante.

Par exemple, le thermomètre infrarouge MLX90614ESF-BCH-000-TU de Melexis comprend une puce de détecteur thermopile infrarouge et une puce de mise en forme des signaux intégrées dans un boîtier TO-39 (Figure 4). Un amplificateur à faible bruit, un convertisseur analogique-numérique (CAN) 17 bits et un processeur de signaux numériques (DSP) intégrés dans la gamme MLX90614 garantissent une précision et une résolution élevées.

Figure 4 : Le thermomètre infrarouge MLX90614 a une précision standard de 0,5°C à température ambiante. (Source de l'image : Melexis)

Les thermomètres infrarouges MLX90614 sont étalonnés en usine pour une plage de -40°C à +85°C pour la température ambiante, et de -70°C à +382,2°C pour la température de l'objet. Ils ont une précision standard de 0,5°C à température ambiante.

Ces capteurs de température sans contact fournissent deux modes de sortie : modulation de largeur d'impulsion (PWM) et SMBus via une interface à deux fils (TWI) ou liaison I²C. Le capteur est étalonné en usine avec une sortie SMBus numérique et peut fonctionner sur la plage de températures complète avec une résolution de 0,02°C. D'autre part, les concepteurs peuvent configurer la sortie numérique PWM 10 bits avec une résolution de 0,14°C.

Développement avec des capteurs de température

La ligne de capteurs MAX30208 est soutenue par le système d'évaluation MAX30208EVSYS# de Maxim Integrated, qui inclut une carte à circuit imprimé flexible pour accueillir le circuit intégré de capteur de température MAX30208 (Figure 5). Le système d'évaluation comprend deux cartes : la carte de microcontrôleur MAX32630FTHR et la carte d'interface MAX30208, qui sont connectées par des embases. Les concepteurs doivent seulement connecter le matériel d'évaluation à un PC à l'aide du câble USB fourni. Le système installe alors automatiquement les pilotes de périphériques nécessaires. Une fois ces derniers installés, il faut télécharger le logiciel du kit EV.

Figure 5 : Les concepteurs peuvent connecter le matériel d'évaluation à un PC à l'aide du câble USB fourni. Les pilotes de périphériques requis sont automatiquement installés. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Il convient également de mentionner ici qu'un dispositif corporel ou portable peut mesurer la température corporelle à plusieurs emplacements. Par exemple, dans un vêtement de sport, plusieurs circuits intégrés de capteurs de température MAX30208 peuvent être connectés via des adresses I²C en chaîne à une seule batterie et à un seul microcontrôleur hôte. Ici, chaque capteur de température est régulièrement interrogé par le microcontrôleur afin de créer un profil de la température corporelle locale et totale.

Pour le capteur infrarouge MLX90614, les développeurs de dispositifs médicaux peuvent démarrer avec la carte compacte MIKROE-1362 IrThermo Click board de MikroElektronika. Elle relie le module de thermomètre infrarouge mono-zone MLX90614ESF-AAA à la carte de microcontrôleur via la ligne mikroBUS I²C ou la ligne PWM (Figure 6).

Figure 6 : La carte MIKROE-1362 IrThermo Click board peut être utilisée pour démarrer le développement avec le capteur MLX9016 de Maxim Integrated. (Source de l'image : MikroElectronika)

La carte 5 V de MikroElektronika est étalonnée pour une plage de températures de -40°C à +85°C pour la température ambiante et de -70°C à +380°C pour la température de l'objet.

Conclusion

Les concepteurs sont confrontés au défi de rendre la mesure de température de grade clinique plus accessible au marché de masse, malgré des défis tels que la consommation, la taille, le coût, la fiabilité et la précision. Des capteurs à contact et sans contact, soutenus par des kits d'évaluation, sont maintenant disponibles pour les aider à répondre à cette demande, et ce rapidement et efficacement. Comme démontré, ces capteurs sont non seulement dotés des caractéristiques de performances requises pour la mesure de température clinique, mais ils sont également étalonnés en usine et offrent les interfaces numériques nécessaires pour faciliter leur intégration dans les conceptions nouvelle génération.