USD

Integrar rápidamente los sensores de temperatura de grado clínico en diseños médicos portátiles y para vestir

Por Majeed Ahmad

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

A raíz de la preocupación mundial por la COVID-19, los diseñadores de dispositivos portátiles y para vestir para la detección de la temperatura se enfrentan al reto de reducir el tamaño, el costo y el consumo de energía de los dispositivos, aunque deben mejorar la precisión, la sensibilidad y la fiabilidad. Para ayudar a afrontar el reto, los sensores están mejorando no solo en rendimiento sino también en facilidad de uso general para simplificar el proceso de diseño e integración.

Este artículo discutirá los tipos básicos de sensores de temperatura antes de centrarse en los sensores digitales de CI y las características principales que los diseñadores deben tener en cuenta. Se presentarán ejemplos de sensores digitales de temperatura de ams y Maxim Integrated, así como un termómetro infrarrojo de Melexis Technologies NV como ejemplo de detección de temperatura sin contacto. También mostrará cómo estos dispositivos pueden satisfacer las necesidades de los sistemas de próxima generación, y describirá las tablas de evaluación y los kits de sondeo relacionados, y cómo pueden utilizarse para ayudar a los diseñadores a empezar.

Opciones de sensores de temperatura

De los cuatro tipos comunes de sensores de temperatura que los diseñadores pueden elegir para la detección de la temperatura - termopares, dispositivos de temperatura de resistencia (RTD), termistores y CI de sensores de temperatura- los CI de sensores de temperatura son una buena opción para los diseños médicos y sanitarios basados en el contacto. Esto se debe principalmente a que no requieren linealización, ofrecen una buena inmunidad al ruido y son relativamente fáciles de integrar en dispositivos de asistencia sanitaria portátiles y para vestir. Para la detección sin contacto, se pueden utilizar termómetros infrarrojos.

Los parámetros clave que deben considerar los diseñadores, especialmente para las aplicaciones que se pueden llevar puestas -ya sea un dispositivo para la muñeca, incrustado en la ropa o un parche médico pegajoso- incluyen el tamaño, el consumo de energía y la sensibilidad térmica. La sensibilidad es importante porque cuando se diseña para una precisión de grado clínico, incluso la potencia transitoria del orden de los microvatios (µW) puede calentar el sensor y causar lecturas inexactas. Otra consideración incluye el tipo de interfaz (digital o analógica), ya que esto determinará los requisitos de los componentes asociados, como el microcontrolador.

Cómo lograr una precisión de grado clínico

El cumplimiento de la precisión de grado clínico, según ASTM E112, comienza con la selección del sensor apropiado. Los sensores digitales de temperatura MAX30208 de Maxim Integrated, por ejemplo, tienen una precisión de ±0.1 °C de +30 °C a +50 °C y una precisión de ±0.15 °C de 0 °C a +70 °C. Los dispositivos miden 2 x 2 x 0.75 milímetros (mm) y vienen en un fino paquete LGA de 10 pines (Figura 1). Los circuitos integrados funcionan con un voltaje de suministro que va de 1.7 a 3.6 voltios y consumen menos de 67 microamperios (µA) en funcionamiento y 0.5 µA en espera.

Imagen de los sensores digitales de temperatura MAX30208 de MaximFigura 1: Los sensores digitales de temperatura MAX30208 ofrecen una precisión de medición de grado clínico de ±0.1 °C para dispositivos alimentados por baterías como relojes inteligentes y parches médicos. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

Como ya se ha mencionado, un desafío crítico al diseñar con una precisión de grado clínico es asegurar que la propia temperatura del sensor no influya en la lectura de la medición de un dispositivo que se pueda llevar puesto.

El calor del CI del sensor, que viaja desde la placa de la PC a través del paquete que lleva al dado del sensor, puede afectar la exactitud de las lecturas de temperatura. En un CI del sensor de temperatura, este calor es conducido a través de una almohadilla térmica metálica ubicada en la parte inferior del paquete, lo que resulta en un calentamiento parásito. Esto, a su vez, puede causar la conducción térmica dentro y fuera de otros pines. Inevitablemente, esto interfiere con las mediciones de temperatura.

Para contrarrestar el calentamiento parasitario, los diseñadores pueden emplear varias técnicas, empezando por el uso de trazas finas para minimizar la conductividad térmica lejos del CI del sensor. Además, en lugar de usar la almohadilla térmica en la parte inferior del paquete, los diseñadores pueden medir la temperatura en la parte superior del paquete, lo más lejos posible de los pines del CI. En el caso del MAX30208CLB+ y otros sensores digitales de temperatura MAX30208, la medición de la temperatura se realiza en la parte superior del paquete.

Otra técnica de mitigación consiste en colocar otros componentes electrónicos, que pueden aportar calor al sistema de vigilancia de la temperatura, lo más lejos posible del elemento sensorial para reducir al mínimo su impacto en los datos de medición de la temperatura.

Consideraciones de diseño térmico de sistema a usuario

Al mismo tiempo que aseguran el aislamiento térmico de las fuentes de calor, los diseñadores también deben garantizar una buena trayectoria térmica entre el elemento sensor de temperatura y la piel del usuario. La ubicación debajo del paquete hace que sea un reto para el tablero de la PC encaminar las huellas de metal desde el punto de contacto con el cuerpo.

Por lo tanto, en primer lugar, el sistema debe ser diseñado de tal manera que el sensor esté lo más cerca posible de la temperatura objetivo a ser medida. En segundo lugar, tal como lo permiten los sensores MAX30208, los diseños para vestir y los parches médicos pueden utilizar placas de PC flexibles o semirrígidas. Los sensores digitales de temperatura MAX30208 pueden ser conectados directamente a un microcontrolador usando un cable plano flexible (FFC) o un cable plano de impresora (FPC).

Cuando se usan estos cables, es esencial colocar el CI del sensor de temperatura en el lado flexible de la placa de la PC, lo que reduce la resistencia térmica entre la superficie de la piel y el sensor. Además, los diseñadores deben reducir al mínimo el grosor de la placa flexible en la medida de lo posible; una tabla más delgada puede flexionar más eficientemente y permitir un mejor contacto.

Los sensores digitales de temperatura suelen estar conectados a microcontroladores a través de una interfaz en serie de I2C. Tal es el caso del MAX30208CLB+ de Maxim, que también utiliza un FIFO para los datos de temperatura, permitiendo que un microcontrolador duerma durante largos períodos para conservar la energía.

Diagrama de los sensores digitales de temperatura MAX30208 de MaximFigura 2: Los sensores digitales de temperatura MAX30208 están dirigidos a los termómetros médicos y a los monitores de temperatura corporal vestibles. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

El sensor digital de temperatura MAX30208CLB+ utiliza un FIFO de 32 palabras para crear un registro de configuración del sensor de temperatura que ofrece hasta 32 lecturas de temperatura, cada una de ellas de dos bytes. Estos registros en memoria también permiten a los sensores ofrecer alarmas digitales de temperatura de alto y bajo umbral.

También hay dos pines de E/S de propósito general (GPIO): GPIO1 puede ser configurado para activar una conversión de temperatura, mientras que GPIO0 puede ser configurado para generar una interrupción para los bits de estado seleccionables.

Sensores de temperatura calibrados en fábrica

Muchos sensores digitales de temperatura están ahora calibrados en fábrica, eliminando la necesidad de ser calibrados en el campo o recalibrados una vez al año, como es el caso de muchos sensores de temperatura heredados. Además, la calibración de fábrica evita la necesidad de desarrollar software para linealizar la salida, así como para simular y ajustar el circuito. También elimina la necesidad de una multitud de componentes de precisión y minimiza el riesgo de desajustes de impedancia.

Por ejemplo, la familia de sensores de temperatura AS621x de ams está calibrada de fábrica y viene con linearización integrada (Figura 3). También tiene ocho direcciones I2C para permitir a los diseñadores monitorear la temperatura en ocho potenciales puntos calientes diferentes usando un solo bus.

Diagrama de los sensores AS621x de amsFigura 3: Los sensores AS621x proporcionan un completo sistema digital de temperatura con calibración de fábrica. (Fuente de la imagen: ams)

La interfaz en serie con ocho direcciones I2C también facilita la creación de prototipos y la verificación del diseño para los desarrolladores de sistemas de vigilancia relacionados con la salud.

Para ayudar a ajustar los sensores a los requisitos de su aplicación específica, los sensores AS621x están disponibles en tres versiones de precisión: ±0.2 °C, ±0.4 °C y ±0.8°C. Para los sistemas de vigilancia relacionados con la salud, la precisión dentro de ±0.2 °C es suficiente, lo que hace que el AS6212-AWLT-L sea una opción adecuada. Todos los dispositivos AS621x tienen una resolución de 16 bits para detectar pequeñas variaciones de temperatura en todo su rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +125 °C.

El AS621x mide 1.5 mm2 y viene en un paquete a escala de chip a nivel de oblea (WLCSP) para facilitar su integración en un dispositivo de asistencia sanitaria. Funciona con una tensión de alimentación de 1.71 voltios y consume 6 µA durante el funcionamiento y 0.1 µA en el modo de espera. La pequeña huella y el bajo consumo de energía hacen que los sensores de temperatura como el AS6212-AWLT-L sean especialmente adecuados para aplicaciones de dispositivos móviles y portátiles alimentados por baterías.

Sensores de temperatura sin contacto

A diferencia de los CI de sensores de temperatura que requieren algo de contacto físico, los termómetros infrarrojos realizan mediciones de temperatura sin contacto. Estos sensores sin contacto miden dos parámetros: la temperatura ambiente y la temperatura de un objeto.

Tales termómetros detectan cualquier energía por encima de 0 Kelvin (cero absoluto) emitida por un objeto frente al dispositivo. El detector convierte entonces la energía en una señal eléctrica y la pasa a un procesador para interpretar y mostrar los datos después de compensar las variaciones causadas por la temperatura ambiente.

Por ejemplo, el termómetro infrarrojo MLX90614ESF-BCH-000-TU de Melexis comprende un chip detector de termopilas infrarrojas y un chip acondicionador de señales integrado en un paquete TO-39 (Figura 4). Un amplificador de bajo ruido, un convertidor analógico-digital (ADC) de 17 bits y un procesador de señales digitales (DSP) integrado en la familia MLX90614 aseguran una alta precisión y resolución.

Imagen Melexis MLX90614 termómetro infrarrojoFigura 4: El termómetro de infrarrojos MLX90614 tiene una precisión estándar de 0.5 °C a temperatura ambiente. (Fuente de la imagen: Melexis)

Los termómetros de infrarrojos MLX90614 están calibrados en fábrica para un rango de temperatura de -40 °C a 85 °C para la temperatura ambiente, y de -70 °C a 382.2 °C para la temperatura del objeto. Tienen una precisión estándar de 0.5 °C a temperatura ambiente.

Estos sensores de temperatura sin contacto proporcionan dos modos de salida: modulación de ancho de pulso (PWM) y SMBus a través de una interfaz de dos hilos (TWI) o enlace I2C link. El sensor viene calibrado de fábrica con una salida digital SMBus y puede servir para todo el rango de temperatura con una resolución de 0.02 °C. Por otro lado, los diseñadores pueden configurar la salida digital PWM de 10 bits con una resolución de 0.14 °C.

Desarrollo con sensores de temperatura

La línea de sensores del MAX30208 está soportada por el sistema de evaluación MAX30208EVSYS# de Maxim Integrated, que incluye una placa flexible de pc para alojar el CI del sensor de temperatura MAX30208 (Figura 5). El sistema de evaluación consta de dos placas: la placa de microcontrolador MAX32630FTHR y la placa de interfaz MAX30208, que se conectan mediante cabeceras. Los diseñadores solo necesitan conectar el hardware de evaluación a un PC usando el cable USB suministrado. El sistema instalará automáticamente los controladores de los dispositivos necesarios. Una vez que se instalan, se debe descargar el software EV Kit.

Figura 5: Los diseñadores pueden conectar el hardware de evaluación a un PC con el cable USB suministrado. Los controladores del dispositivo necesarios se instalan automáticamente. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

También vale la pena mencionar aquí que un dispositivo móvil o portátil puede medir la temperatura corporal en múltiples lugares. Por ejemplo, en una prenda deportiva, se pueden conectar múltiples CI de temperatura del MAX30208 a través de direcciones I2C en una disposición de cadena de conexión a una sola batería y un microcontrolador anfitrión. Aquí, cada sensor de temperatura es interrogado por el microcontrolador regularmente para crear un perfil de la temperatura local y de todo el cuerpo.

Para el sensor de infrarrojos MLX90614, los desarrolladores de dispositivos médicos pueden empezar con el compacto MIKROE-1362 IrThermo Click board de MikroElektronika. Esto conecta el módulo de termómetro infrarrojo de una zona MLX90614ESF-AAA con la placa de microcontrolador a través de la línea mikroBUS I2C o línea PWM (Figura 6).

Imagen de la placa MikroElektronika MIKROE-1362 IrThermo Click boardFigura 6: La placa MIKROE-1362 IrThermo Click board se puede utilizar para comenzar el desarrollo con el sensor MLX9016 de Maxim Integrated. (Fuente de la imagen: MikroElektronika)

La placa de 5 voltios de MikroElektronika está calibrada para un rango de temperatura de -40 °C a 85 °C para la temperatura ambiente y de -70 °C a +380 °C para la temperatura del objeto.

Conclusión

Los diseñadores están siendo desafiados a hacer que la detección de temperatura a nivel clínico esté más disponible para el mercado masivo, a pesar de los desafíos como la potencia, el tamaño, el costo, la fiabilidad y la precisión. Los sensores de contacto y sin contacto, apoyados por los kits de evaluación, están ahora disponibles para ayudarles a satisfacer esta demanda, de forma rápida y eficiente. Como se muestra, estos sensores no solo vienen con las características de rendimiento necesarias para la medición clínica de la temperatura, sino que también vienen con la calibración de fábrica y las interfaces digitales necesarias para facilitar su integración en los diseños de próxima generación.

Descargo de responsabilidad: Las opiniones, creencias y puntos de vista expresados por los autores o participantes del foro de este sitio web no reflejan necesariamente las opiniones, las creencias y los puntos de vista de Digi-Key Electronics o de las políticas oficiales de Digi-Key Electronics.

Acerca de este autor

Majeed Ahmad

Majeed Ahmad es un ingeniero electrónico con más de 20 años de experiencia en medios tecnológicos B2B. Fue el jefe de editores de EE Times Asia, una publicación complementaria de EE Times.

Majeed escribió seis libros sobre electrónica. También contribuye a las publicaciones sobre diseño electrónico, entre ellos circuitos, productos electrónicos y diseño informático integrado.

Acerca de este editor

Editores de Digi-Key de América del Norte