在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們考慮了影響數(shù)字溫度傳感器連續(xù)準(zhǔn)確測(cè)量人體溫度能力的一些因素。在研究了當(dāng)前解決方案的一些局限性之后，我們提出了一種微型數(shù)字溫度傳感器IC，它將為未來(lái)的醫(yī)療設(shè)備和可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)帶來(lái)多種優(yōu)勢(shì)。

介紹

當(dāng)美國(guó)軍方在1970年代開(kāi)發(fā)全球定位系統(tǒng)（GPS）時(shí)，很少有人會(huì)想到 普通平民在汽車或智能手機(jī)上使用它來(lái)幫助他們的那一天 導(dǎo)航他們的旅程。同樣，最初設(shè)計(jì)用于監(jiān)測(cè)的臨床級(jí)傳感器 醫(yī)院環(huán)境中的患者健康越來(lái)越多地進(jìn)入無(wú)數(shù)的消費(fèi)者健康和 健身設(shè)備。

然而，醫(yī)務(wù)室的嚴(yán)格控制環(huán)境與日常生活的熵大不相同。因此，可穿戴設(shè)備中的傳感器所遇到的日常條件與醫(yī)院設(shè)備中運(yùn)行的類似傳感器所面臨的挑戰(zhàn)非常不同。在這個(gè)設(shè)計(jì)解決方案中，我們考慮了一些影響使用數(shù)字傳感器連續(xù)準(zhǔn)確地測(cè)量人體溫度的因素。在研究了當(dāng)前解決方案的一些局限性之后，我們提出了一種微型數(shù)字溫度傳感器IC，它將為未來(lái)的醫(yī)療設(shè)備和可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)帶來(lái)多種優(yōu)勢(shì)。

人體溫度

對(duì)于健康的人來(lái)說(shuō)，體溫通常在 97°F 至 99°F（36.5°C 至 37.5°C）的范圍內(nèi)，盡管存在 是可能導(dǎo)致這種情況變化的許多因素，包括年齡、性別、活動(dòng)水平和一天中的時(shí)間（僅舉幾例）。在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)超過(guò)這些值的變化可能表明相對(duì) 常見(jiàn)的健康問(wèn)題（例如發(fā)燒），而手術(shù)后患者的體溫突然下降可能表明可能危及生命的疾?。ɡ鐢⊙Y）。因此，快速準(zhǔn)確地測(cè)量體溫的能力對(duì)醫(yī)生來(lái)說(shuō)非常重要。最初使用水銀球溫度計(jì)測(cè)量體溫（出于安全原因放棄），現(xiàn)在通常使用數(shù)字溫度計(jì)探頭測(cè)量體溫。

除了前面列出的變量外，測(cè)量溫度時(shí)要考慮的另一個(gè)因素是 進(jìn)行測(cè)量的身體位置。在醫(yī)院環(huán)境中，這通常是通過(guò)放置 耳、口或直腸管中的探頭。有趣的是，耳朵和直腸溫度通常更高 比口服，而口腔又高于腋窩（有時(shí)也使用）。間歇性 在這些身體部位進(jìn)行的溫度測(cè)量通常是可以忍受的，對(duì)于 臨床環(huán)境，它們?nèi)匀皇乔秩胄缘?，有可能引起小程度的不適。 因此，這些身體位置對(duì)于使用 可穿戴設(shè)備。

皮膚測(cè)量

用于連續(xù)溫度監(jiān)測(cè)的一個(gè)明顯、易于接近的身體位置是在皮膚上，即 人體最大的器官。方便的是，大多數(shù)消費(fèi)者可穿戴設(shè)備都戴在手腕上（因此與皮膚接觸）。但是，雖然在此位置進(jìn)行的溫度測(cè)量可能有助于監(jiān)測(cè) 瞬時(shí)變化（例如，由運(yùn)動(dòng)或活動(dòng)引起的變化）和日常趨勢(shì)，這不是準(zhǔn)確臨床監(jiān)測(cè)的理想位置。這是由于設(shè)備與心臟的距離以及暴露于 時(shí)間環(huán)境條件。手部的溫度比身體其他部位更低，變化更大。

更理想的方案是在身體的不同位置放置多個(gè)與皮膚接觸的監(jiān)視器，生成一個(gè)數(shù)據(jù)集，可用于計(jì)算更能反映整體體溫的值。 有趣的是，最近的研究表明，皮膚溫度的局部變化可能是疾病的標(biāo)志（例如惡性腫瘤）。更有可能在以下情況下檢測(cè)到這些局部溫度變化 使用多個(gè)監(jiān)視器。

溫度監(jiān)控器設(shè)計(jì)

可穿戴溫度監(jiān)測(cè)器需要電池、微控制器（適用于可穿戴應(yīng)用）和 溫度傳感器 IC（圖 2）。為了盡可能延長(zhǎng)電池壽命，兩個(gè) IC 都必須 消耗盡可能少的功率。為了最大限度地提高便攜性，同時(shí)最大限度地減少對(duì)佩戴者的不適，尺寸 兩者應(yīng)盡可能小。這種類型的監(jiān)視器通常連接到 身體使用粘性貼片。

圖2.溫度監(jiān)視器的構(gòu)建塊。

許多溫度傳感器 IC 的封裝底部都有一個(gè)金屬散熱焊盤（圖 3）。熱量是 從人體測(cè)量點(diǎn)傳導(dǎo)到導(dǎo)熱墊，然后IC將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示。

圖3.典型溫度傳感器 IC（底視圖）。

此焊盤的位置可能會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題。首先，它位于包裝下方使其變得困難 PCB設(shè)計(jì)人員將金屬走線從與主體的接觸點(diǎn)布線，穿過(guò)電路板，再到焊盤。 其次，由于它與同一IC上的其他引腳非常接近，因此有可能寄生自發(fā)熱 發(fā)生，由流入和流出其他引腳的電流的加熱效應(yīng)引起。這可能會(huì)干擾 所需的體溫測(cè)量值。

除了這些設(shè)計(jì)問(wèn)題，還有一個(gè)實(shí)際問(wèn)題值得考慮。在多個(gè)溫度下測(cè)量溫度 身體位置需要同一顯示器的多個(gè)獨(dú)立實(shí)例，每個(gè)實(shí)例都有自己的電池（需要 定期充電/更換）、微控制器（必須從中檢索存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)）和溫度傳感器 IC。 除了對(duì)佩戴者來(lái)說(shuō)明顯不便，他們必須附上多個(gè)粘性貼片外，這是一個(gè)昂貴的， 效率低下且笨拙的方法。

菊花鏈

在多個(gè)位置測(cè)量體溫的更實(shí)用的方法。面料 這種貼身的運(yùn)動(dòng)型服裝包含多個(gè)溫度傳感器 IC，這些傳感器 IC 連接在 單個(gè)電池和主機(jī)微控制器的菊花鏈布置。每個(gè)溫度傳感器都可以由 微控制器定期創(chuàng)建局部和全身溫度的曲線。

通過(guò)使用溫度傳感器IC，可以實(shí)現(xiàn)這種布置。

除了尺寸?。?mm x 2mm x 0.75mm）外，這款臨床級(jí)數(shù)字溫度傳感器IC還具有多個(gè) 與其他溫度傳感器相比的優(yōu)勢(shì)。

不是在封裝底部使用導(dǎo)熱墊，而是在封裝頂部測(cè)量溫度， 盡可能遠(yuǎn)離其引腳，最大限度地減少寄生自熱的可能性。如圖 6 所示， 該器件的一個(gè)創(chuàng)新特點(diǎn)是不需要安裝在專用PCB上。這意味著它可以 使用扁平柔性/打印機(jī)電纜 （FFC/FPC） 輕松連接到遠(yuǎn)程主機(jī)微控制器，允許多個(gè)傳感器舒適地嵌入并連接在可穿戴服裝的面料中。

圖6.傳感器連接到使用 FFC/FPC 的微控制器。

該傳感器在預(yù)期的人體溫度范圍內(nèi)（35.8°C 至 41°C）內(nèi)精度高達(dá) ±0.1°C 工作在寬電壓范圍 （1.7V 至 3.6V），測(cè)量期間僅消耗 60μA 電流和 0.5μA 在關(guān)閉中。它包括一個(gè)用于溫度數(shù)據(jù)的 32 字 FIFO（允許 CPU 休眠更長(zhǎng)時(shí)間），并包括 高閾值和低閾值數(shù)字溫度報(bào)警。一個(gè)我2C 接口允許多個(gè)部件連接到 采用菊花鏈配置的微控制器（圖 7）。

圖7.使用I的多點(diǎn)溫度檢測(cè)2C.

其他傳感器可以通過(guò)使用 I 連接到菊花鏈2C 多路復(fù)用器（如果需要）（圖 8）。

圖8.我2C 多路復(fù)用器。

總結(jié)

對(duì)移動(dòng)人員進(jìn)行連續(xù)、準(zhǔn)確的體溫監(jiān)測(cè)需要一種非常不同的方法來(lái) 在臨床環(huán)境中用于靜態(tài)患者的間歇性侵入性方法。 它需要位于皮膚表面多個(gè)位置的可穿戴溫度監(jiān)測(cè)器，最小 佩戴者的不適。在為此類應(yīng)用選擇溫度傳感器 IC 時(shí)，潛在的 應(yīng)保持由散熱墊位于封裝底部引起的寄生自熱 在腦海中。如前所述，可以通過(guò)選擇測(cè)量溫度的溫度傳感器IC來(lái)避免這種情況 在其包裝的頂部。我們還表明，由于該IC不需要PCB安裝，因此特別 適用于可穿戴服裝內(nèi)的遠(yuǎn)程多傳感器配置。其他應(yīng)用 這部分包括醫(yī)用溫度計(jì)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

審核編輯：郭婷