Les appareils de soins de santé à domicile gagnent rapidement en popularité. En plus d’être plus pratiques pour les patients et les familles, ils peuvent offrir un aperçu de la santé en temps réel, fournissant des données exploitables qui peuvent être utilisées pour améliorer les résultats de santé. Certains des appareils de soins de santé à domicile les plus utilisés sont les thermomètres sans contact. Cet article de Melexis explore comment les concepteurs peuvent créer des circuits qui éliminent les perturbations thermiques dans la mesure de température sans contact.
La détection de température sans contact repose sur la détection de l’énergie émise dans la région de longueur d’onde infrarouge (IR). Chaque objet émet ainsi de l’énergie, qui peut être mesurée pour calculer sa température. Cependant, à mesure que les dispositifs de détection deviennent de plus en plus petits, ils deviennent plus sensibles à l’impact des chocs thermiques, qui peuvent induire des erreurs de mesure et du bruit thermique.
Dans cet article technique, Melexis examinera certains des principes qui sous-tendent le captage de température sans contact ainsi que les approches utilisées pour minimiser les effets du choc thermique. L’article examinera ensuite une approche nouvelle et intelligente pour éliminer les effets des perturbations thermiques externes dans les capteurs micro-miniatures.
Technologie de thermopile MEMS intégrée
La technologie de détection de température par thermopile est de plus en plus utilisée dans les applications médicales (y compris les soins de santé à domicile) et industrielles (comme le pistolet thermique infrarouge), car elle est robuste, précise et fiable. Une thermopile est simplement un transducteur électronique qui convertit l'énergie thermique en signal électrique et fonctionne sur le principe que tout émet un rayonnement thermique infrarouge lointain (FIR).
Figure 1 : Construction de base d’un capteur MEMS à base de thermopile
Électriquement parlant, une thermopile est composée de plusieurs thermocouples connectés en série. Ensemble, ils génèrent une tension proportionnelle à la différence de température entre deux points ; cette différence donne une mesure de température relative.
Un capteur thermopile MEMS utilise une fine membrane isolée thermiquement. Sa masse thermique étant faible, elle est rapidement chauffée par le flux de chaleur entrant, créant ainsi un différentiel de température que la thermopile peut signaler comme une différence de température. En incorporant une thermistance de référence dans le système MEMS, une mesure de température absolue peut être générée.
Au cœur de cette technique de mesure se trouve la loi de Stefan-Boltzmann qui stipule que l’énergie rayonnée par unité de surface d’un corps noir est proportionnelle à la quatrième puissance de sa température. Ceci est généralement exprimé par l'équation de Stefan-Boltzmann :
Où :
J = émittance radiante du corps noir [W/m²]
η = émissivité (propriété de surface)
σ = 5,67e-8 [W/m²/K⁴], constante de Stefan-Boltzmann
T = température absolue de surface [K]
En supposant raisonnablement que pour les matériaux non métalliques, l'émissivité (η) est d'environ 1, la température de surface peut être liée à la puissance émise.
Le défi de la stabilité
Le captage de température devient de plus en plus utile dans un certain nombre d’applications et, par conséquent, cette fonctionnalité est ajoutée à de nombreux appareils, notamment les moniteurs de santé et les objets portables tels que les lunettes intelligentes, les bracelets intelligents et les appareils portés à l’intérieur de l’oreille, appelés « objets auditifs ». Cependant, les solutions de thermomètre de contact souffrent souvent d’un mauvais contact thermique avec le site d’intérêt. La détection de température sans contact utilisant le principe FIR est idéale pour ces nouvelles applications, qui partagent toutes un besoin commun de capteurs de température toujours plus petits.
Pour que les capteurs de température FIR puissent être intégrés aux appareils portables, la technologie doit être miniaturisée. Bien que la miniaturisation présente de nombreux avantages, elle comporte également ses propres défis ; avec ce type de capteur, la miniaturisation peut avoir un impact négatif sur la précision de la mesure de la température.
Comme indiqué ci-dessus, les capteurs de température FIR sont affectés par les gradients thermiques - ou chocs thermiques - causés par la puce du capteur recevant un rayonnement provenant de plusieurs sources alors que seule une quantité limitée de ce rayonnement provient réellement de l'objet mesuré. D'autres sources d'énergie thermique incluent le boîtier du capteur lui-même, ce qui signifie qu'une partie du signal généré est utile, tandis qu'une autre partie est parasite. Dans des conditions isothermes, où la température de la membrane correspond à la température du boîtier, il n'y a pas de signal parasite et la nature différentielle de la technologie thermopile annule les effets du rayonnement du boîtier. Cependant, dans de nombreuses applications, il est impossible de maintenir le capteur dans des conditions isothermes.
Si le petit capteur FIR est monté sur un PCB, il peut être exposé à l'énergie thermique provenant de composants générateurs de chaleur à proximité, tels qu'un microprocesseur ou un transistor de puissance. Les fabricants de capteurs FIR ont tenté de résoudre ce problème en plaçant l’élément de détection dans une grande boîte métallique, comme un boîtier TO-can. La masse thermique importante et la conductivité thermique élevée du métal permettent, dans une certaine mesure, d’atténuer les effets des gradients thermiques rapides et des chocs, mais s’avèrent insuffisantes dans un environnement thermodynamique. Bien entendu, l’autre difficulté réside dans le fait que les solutions TO-cans sont relativement grandes et ne conviennent pas aux petits appareils tels que les « appareils à porter sur soi » et les « objets auditifs ».
Compensation active des gradients thermiques
Il est clair que la solution TO-can n’est pas adaptée aux dispositifs de surveillance de la santé nouvelle génération et que, pour cette seule raison, elle doit être écartée au profit d’une solution qui puisse mieux répondre aux défis posés par l’utilisation de capteurs FIR de petite taille.
En modélisant et en caractérisant plusieurs scénarios et en appliquant ces données via des algorithmes de compensation sophistiqués, il est possible de modifier la sortie des petits capteurs FIR modernes de manière à ce qu'ils deviennent effectivement insensibles aux chocs thermiques.
L’un des derniers appareils à arriver sur le marché est le capteur FIR MLX90632 de petite taille de Melexis. Il s'agit d'un capteur de température infrarouge sans contact dans un petit boîtier CMS QFN et calibré en usine pour des températures ambiantes comprises entre -20 °C et 85 °C.
Il est disponible en version commerciale et médicale. La version de qualité médicale est optimisée pour une utilisation dans des températures proches de celles du corps humain, avec une précision de ±0,2 °C. La version de qualité commerciale a une précision inférieure (±1,0 °C typique) mais est optimisée pour être utilisée sur une plage de température d'objet beaucoup plus large (-20 °C à 200 °C).
La valeur de température mesurée est la moyenne de tout ce qui se trouve dans le champ de vision (FOV) de 50° du capteur et, en utilisant cette valeur mesurée ainsi que les constantes d'étalonnage et les algorithmes de compensation sophistiqués intégrés, les températures ambiantes et de l'objet peuvent être calculées.
Pour démontrer l’efficacité de la compensation active, Melexis a réalisé une expérience dans laquelle un capteur MLX90632 et un capteur de pointe (conditionné en TO-can) ont été réglés pour mesurer une source de référence stable avec une température d’environ 40 °C. Pendant que les mesures étaient effectuées, une forte source de chaleur a été placée à proximité des capteurs - les résultats peuvent être vus dans la figure 2.
Figure 2 : Résultats des tests de choc thermique sur le MLX90632
Le graphique montre que la référence était effectivement à une température de 40,05 °C et la température du capteur à environ 2 °C au début de l’expérience. Lors de l'application de la chaleur, les capteurs ont été soumis à un choc thermique (d'environ 60 °C/min) et le résultat a été surveillé. Durant tout le test, la lecture de la température du MLX90632 n'a pas dévié de plus de 0,25 °C, montrant une performance très stable. Ceci a été réalisé grâce à l’algorithme de compensation avancé. Le capteur TO-can présente une erreur importante, illustrant que ces appareils ne fonctionnent pas bien dans des conditions aussi difficiles.
Figure 3 : Schéma fonctionnel du capteur de température infrarouge MLX90632
Composants constitutifs internes du capteur
Le capteur ultra-petit contient une thermopile qui capte l’énergie émise par l’objet, ainsi qu’un élément pour mesurer la température du capteur lui-même. Le signal de tension de l'élément de détection de la thermopile est amplifié, numérisé et filtré numériquement avant d'être stocké dans la RAM embarquée. La lecture du capteur de température de référence embarqué est traitée et stockée de la même manière.
Une machine à états contrôle la synchronisation et la fonctionnalité du capteur, et le résultat de chaque mesure et conversion est mis à la disposition du système global (par exemple, un microcontrôleur) par l’intermédiaire de l’interface de communication I2C.
Les températures (objet et capteur interne) peuvent être calculées à partir des données brutes en utilisant un simple microcontrôleur.
Récapitulatif
Le fait de pouvoir prendre la température devient une fonction de plus en plus appréciée, en particulier dans les appareils portables tels que les smartphones et les dispositifs portatifs qui mesurent la température corporelle dans le cadre d’un régime de soins de santé à domicile. Cependant, jusqu’à récemment, la mesure de la température était confrontée à deux objectifs contradictoires.
Premièrement, l’élément capteur doit être suffisamment petit pour s’adapter à l’application et deuxièmement, il doit être monté dans un grand boîtier métallique pour offrir une capacité thermique suffisante pour atténuer les effets des chocs thermiques rapides.
Basé sur la technologie de détection par thermopile, le MLX90632 de Melexis relève ce défi apparemment impossible. Grâce à l'utilisation d'une compensation active embarquée et d'algorithmes sophistiqués, le MLX90632 peut fournir de manière démontrable une mesure de température précise dans les situations les plus exigeantes, tout en étant logé dans un boîtier CMS ultra-petit.