Un enfoque inteligente para eliminar las perturbaciones térmicas en la medición de temperatura sin contacto

La detección de temperatura sin contacto se basa en detectar la energía que se emite en la región de longitud de onda infrarroja (IR). Cada objeto emite energía de esta manera, que se puede medir para calcular su temperatura. Sin embargo, a medida que los dispositivos de detección detrás de esto se vuelven cada vez más pequeños, se vuelven más susceptibles al impacto de los choques térmicos, que pueden inducir errores de medición y ruido térmico.

En este artículo técnico, Melexis analizará algunos de los principios detrás de la detección de temperatura sin contacto, así como los enfoques utilizados para minimizar los efectos del choque térmico. El artículo analizará luego un enfoque nuevo e inteligente para eliminar los efectos de las perturbaciones térmicas externas en sensores microminiatura.

Tecnología de termopila MEMS integrada

La tecnología de detección de temperatura por termopila se utiliza cada vez más en aplicaciones médicas (incluida la atención médica domiciliaria) e industriales (como la pistola de temperatura infrarroja), ya que es robusta, precisa y confiable. Una termopila es simplemente un transductor electrónico que convierte la energía térmica en una señal eléctrica y funciona según el principio de que todo emite radiación térmica infrarroja lejana (FIR).

Figura 1: Construcción básica de un sensor basado en termopila MEMS

Eléctricamente hablando, una termopila se compone de varios termopares conectados en serie. Juntos, generan un voltaje que es proporcional a la diferencia de temperatura entre dos puntos; esta diferencia da una medida de temperatura relativa.

Un sensor de termopila MEMS utiliza una membrana delgada y aislada térmicamente. Como tiene una masa térmica baja, se calienta de manera rápida por el flujo de calor entrante, creando en consecuencia una diferencia de temperatura que la termopila puede informar. Al incorporar un termistor de referencia al sistema MEMS, se puede generar una medición de temperatura absoluta.

En el corazón de esta técnica de medición se encuentra la Ley de Stefan-Boltzmann, que establece que la energía irradiada por unidad de superficie de un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura. Esto generalmente se expresa como la ecuación de Stefan-Boltzmann:

Donde: J = emitancia radiante del cuerpo negro [W/m²]
η = emisividad (propiedad de la superficie)
σ = 5,67e-8 [W/m²/K⁴], constante de Stefan-Boltzmann
T = temperatura superficial absoluta [K]

Suponiendo razonablemente que para los materiales no metálicos la emisividad (η) es aproximadamente 1, la temperatura de la superficie se puede vincular a la potencia emitida.

El desafío de la estabilidad

La detección de temperatura se está volviendo cada vez más útil en una variedad de aplicaciones y, como resultado, esta funcionalidad se está agregando a muchos dispositivos, incluidos monitores de salud y dispositivos portátiles como anteojos inteligentes, pulseras inteligentes y dispositivos que se usan dentro de la oreja; los llamados "hearables". Sin embargo, las soluciones de termómetro de contacto a menudo sufren de un contacto térmico deficiente con el sitio de interés. La detección de temperatura sin contacto mediante el principio FIR es ideal para estas nuevas aplicaciones, todas las cuales comparten la necesidad común de sensores de temperatura cada vez más pequeños.

Para que los sensores de temperatura FIR se puedan incorporar en los wearables, la tecnología debe miniaturizarse. Si bien la miniaturización tiene muchos beneficios, también conlleva sus propios desafíos; con este tipo de sensor, la miniaturización puede tener un impacto negativo en la precisión de la medición de temperatura.

Como se describió anteriormente, los sensores de temperatura FIR se ven afectados por gradientes térmicos (o choque térmico) causados por el chip del sensor que recibe radiación de múltiples fuentes, mientras que solo una cantidad limitada de esa radiación proviene realmente del objeto que se está midiendo. Otras fuentes de energía térmica incluyen el propio paquete del sensor, lo que significa que parte de la señal generada es útil, mientras que otra es parásita. En condiciones isotérmicas, donde la temperatura de la membrana coincide con la temperatura del paquete, no hay señal parásita y la naturaleza diferencial de la tecnología de termopila cancela los efectos de la radiación del paquete. Sin embargo, en muchas aplicaciones es imposible mantener el sensor en condiciones isotérmicas.

Si el pequeño sensor FIR está montado en una placa de circuito impreso, puede quedar expuesto a la energía térmica de componentes cercanos que generan calor, como un microprocesador o un transistor de potencia. Los fabricantes de sensores FIR han intentado solucionar este problema colocando el elemento sensor en una lata metálica grande, como un paquete TO-can. La significativa masa térmica y la alta conductividad térmica del metal abordan hasta cierto punto los efectos de los gradientes térmicos rápidos y los choques, pero resulta menos que adecuada en un entorno térmicamente dinámico. Por cierto, el otro desafío es que los TO-can son relativamente grandes y no son adecuados para dispositivos pequeños como dispositivos portátiles y auditivos.

Compensación activa de gradientes térmicos

Claramente, la solución TO-can no es adecuada para dispositivos de monitoreo médico de nueva generación y, solo por ese motivo, se debe descartar en favor de una solución que pueda abordar mejor los desafíos del uso de sensores FIR de tamaño pequeño.

Al modelar y caracterizar varios escenarios y aplicar estos datos a través de sofisticados algoritmos de compensación, es posible modificar la salida de los modernos sensores FIR pequeños para que se vuelvan efectivamente insensibles al choque térmico.

Uno de los últimos dispositivos en llegar al mercado es el sensor FIR de tamaño pequeño MLX90632 de Melexis. Este es un sensor de temperatura infrarrojo sin contacto en un pequeño paquete SMD QFN y calibrado de fábrica para temperaturas ambiente entre -20 °C y 85 °C.

Está disponible en versiones de grado comercial y médico. La versión de grado médico está optimizada para su uso cerca de temperaturas corporales humanas, donde tiene una precisión de ±0,2 °C. La versión de grado comercial tiene una precisión menor (±1,0 °C típico) pero está optimizada para usarse en un rango de temperatura de objetos mucho más amplio (-20 °C a 200 °C).

El valor de temperatura medido es el promedio de todo lo que esté dentro del campo de visión (FOV) de 50° del sensor y, utilizando este valor medido junto con las constantes de calibración y los sofisticados algoritmos de compensación integrados, se pueden calcular las temperaturas ambiente y del objeto.

Para demostrar la eficacia de la compensación activa, Melexis realizó un experimento en el que se configuraron un sensor MLX90632 y un sensor de última generación (encapsulado TO) para medir una fuente de referencia estable con una temperatura de alrededor de 40 °C. Mientras se llevaban a cabo las mediciones, se colocó una fuerte fuente de calor cerca de los sensores: los resultados se pueden ver en la Figura 2.

Figura 2: Resultados de la prueba de choque térmico en el MLX90632

El gráfico muestra que la referencia estaba efectivamente a una temperatura de 40,05 °C y la temperatura del sensor alrededor de 2 °C al inicio del experimento. A medida que se aplicaba calor, los sensores se sometían a un choque térmico (de aproximadamente 60 °C/min) y se controlaba la salida. Durante toda la prueba, la lectura de temperatura del MLX90632 no se desvió más de 0,25 °C, mostrando un rendimiento muy estable. Esto se logró gracias al algoritmo de compensación avanzado. El sensor TO-can muestra un error significativo, lo que ilustra que estos dispositivos no funcionan bien en condiciones tan difíciles.

Figura 3: Diagrama de bloques del sensor de temperatura infrarrojo MLX90632

Bloques de construcción internos del sensor

El sensor ultrapequeño contiene una termopila que capta la energía emitida por el objeto, así como un elemento para medir la temperatura del propio sensor. La señal de voltaje del elemento sensor de termopila se amplifica, se digitaliza y se filtra digitalmente antes de almacenarse en la RAM incorporada. La lectura del sensor de temperatura de referencia a bordo se procesa y almacena de la misma manera.

Una máquina de estado controla la sincronización y la funcionalidad del sensor, y el resultado de cada medición y conversión se encuentra disponible para el sistema más amplio (p. ej., el microcontrolador) a través de la interfaz de comunicaciones I2C.

Las temperaturas (del objeto y del sensor interno) se pueden calcular a partir de los datos sin procesar, mediante el uso de un microcontrolador simple.

Resumen

La medición de temperatura se está volviendo muy popular, especialmente en dispositivos portátiles, como teléfonos inteligentes y dispositivos vestibles que miden la temperatura corporal como parte de un régimen de atención médica domiciliaria. Sin embargo, hasta hace poco, la medición de la temperatura se enfrentaba a dos objetivos contradictorios.

En primer lugar, el elemento sensor debe ser lo suficientemente pequeño para caber en la aplicación y, en segundo lugar, debe estar instalado en una carcasa metálica grande para ofrecer suficiente capacidad térmica para mitigar los efectos de los choques térmicos rápidos.

Basado en la tecnología de detección de termopila, el MLX90632 de Melexis aborda este desafío aparentemente imposible. Mediante el uso de compensación activa incorporada y algoritmos sofisticados, el MLX90632 puede proporcionar de manera demostrable una medición de temperatura precisa en las situaciones más exigentes, mientras está alojado en un paquete SMD ultrapequeño.