Les principes de la technologie de détection de température et ses applications dans les soins de santé

Détection de température sans contact utilisant la technologie thermopile MEMS

La détection de température sans contact peut détecter l'énergie émise dans la gamme de longueurs d'onde infrarouges (IR). Chaque objet émet de l'énergie de cette manière, nous pouvons donc calculer la température d'un objet en mesurant cette énergie. Cependant, à mesure que la taille des capteurs diminue, ils sont plus sensibles aux chocs thermiques, ce qui peut entraîner des erreurs de mesure et du bruit thermique.   Actuellement, la technologie dominante pour la détection de température sans contact est la technologie intégrée des thermopiles MEMS. Une thermopile est un capteur électronique qui peut convertir l'énergie thermique en un signal électrique. Son principe de fonctionnement repose sur le fait que tous les objets émettent un rayonnement thermique infrarouge lointain (FIR).   D'un point de vue électronique, une thermopile se compose de plusieurs thermocouples connectés en série. La tension générée par ces thermocouples est proportionnelle à la différence de température entre deux points, et cette différence de température peut être utilisée pour mesurer la température relative. Un capteur IC de thermopile MEMS intègre une membrane d'isolation thermique. Comme cette membrane thermique a une faible masse thermique, elle peut rapidement absorber le flux de chaleur entrant, générant une différence de température que la thermopile peut rapporter. En intégrant une thermistance de référence dans le système MEMS, une mesure de température absolue peut être obtenue.

Les dispositifs portables nécessitent une réduction significative de la taille des capteurs de température

Le rôle de la détection de température est devenu de plus en plus important dans diverses applications, ce qui conduit de nombreux dispositifs à intégrer cette fonctionnalité. Ces dispositifs incluent les moniteurs de santé et les appareils portables tels que les lunettes intelligentes, les bracelets intelligents, et les appareils portés à l'intérieur de l'oreille, souvent appelés "hearables". Cependant, les solutions de mesure de température par contact rencontrent fréquemment des problèmes de mauvais contact thermique avec le site d'intérêt. La détection de température sans contact basée sur le principe FIR est bien adaptée à ces nouvelles applications. Néanmoins, elle nécessite une réduction significative de la taille des capteurs de température.   Les applications de la mesure de température se développent rapidement, en particulier avec l'intégration de la mesure de température dans des dispositifs portables comme les smartphones et les dispositifs de port comme partie des soins à domicile. Cependant, la mesure de température fait face à deux défis majeurs. Premièrement, les composants IC de capteurs doivent être suffisamment petits pour diverses applications. Deuxièmement, les composants IC de capteurs doivent être installés dans un grand boîtier en métal pour fournir une capacité thermique suffisante afin de réduire l'impact des chocs thermiques rapides.   Si de petits capteurs IC FIR sont montés sur un PCB, ils peuvent être exposés à la chaleur des composants générateurs de chaleur à proximité, tels que les microprocesseurs ou les transistors de puissance. Les fabricants de capteurs IC FIR tentent de surmonter ce problème en plaçant l'élément de détection dans une grande boîte en métal (par exemple, un boîtier de type TO-can). Bien que le stockage de chaleur important et la haute conductivité thermique du métal puissent offrir une certaine protection contre les gradients thermiques rapides et les chocs, cette approche peut ne pas être très efficace dans les environnements où les caractéristiques thermiques changent dynamiquement. De plus, un défi est que les boîtiers TO-can sont relativement grands et ne conviennent pas aux petits appareils tels que les dispositifs portables et les hearables.

L'application des capteurs de température infrarouges sur les PCR

Je crois que tout le monde devrait être très familier avec le terme Réaction en Chaîne par Polymérase (PCR). La fonction principale de la PCR est d'amplifier (dupliquer) l'ADN, et son application la plus répandue est dans la détection des infections. Les agents pathogènes tels que les virus ou les bactéries dans l'ADN/ARN peuvent être détectés dans les échantillons de patients après amplification. Cette application a prospéré sous l'impact de la pandémie de COVID-19, et la technologie PCR peut également être utilisée pour détecter de nombreux autres agents pathogènes.   De nombreux processus biochimiques sont utilisés dans le diagnostic médical, et la PCR en est un exemple. Pour accélérer les réactions biochimiques sensibles à la température, un "thermocycleur" est nécessaire. Le thermocycleur est équipé d'un ou plusieurs blocs thermiques avec des trous dans lesquels des tubes contenant les réactifs peuvent être insérés. Le but du thermocycleur est de soumettre ces tubes à un programme de température prédéfini, permettant des variations de température rapides et précises. Certains modèles permettent de contrôler le gradient de température du bloc thermique pour placer différents échantillons à différentes températures. Cette fonctionnalité est principalement utilisée dans la phase de recherche pour optimiser certaines étapes critiques du cycle de température.   Lors des tests, les échantillons sont souvent remplacés, rendant difficile pour les fabricants de mesurer de manière fiable la température des tubes par méthode de contact direct. Un contrôle strict du cycle de température repose sur des entrées de capteurs précises, et c'est là que le rôle des capteurs de température infrarouges intervient. Ils permettent des mesures de température sans contact, ce qui est un avantage significatif par rapport aux thermomètres basés sur le contact. De plus, éviter le contact direct réduit considérablement le risque de contamination croisée entre les échantillons.   Actuellement, les tests de diagnostic médical évoluent rapidement, passant du besoin d'envoyer des échantillons à des laboratoires médicaux spécialisés et attendre des semaines pour les résultats au point de soin. Dans cette transformation, les capteurs de température infrarouges jouent un rôle crucial. En utilisant des capteurs de température infrarouges, le contrôle de la température peut être plus strict, peaufinant davantage les processus de réaction biochimique, conduisant à des diagnostics plus rapides, plus précis et plus fiables.

Un thermomètre infrarouge polyvalent et hautement intégré

Le Melexis MLX90614 est un thermomètre infrarouge conçu pour des mesures de température sans contact. Il intègre la puce détectrice thermopile sensible à l'IR et le circuit intégré de conditionnement de signal ASIC dans le même boîtier TO-39. Le MLX90614 dispose d'un amplificateur à faible bruit, d'un convertisseur analogique-numérique de 17 bits et d'une puissante unité DSP, fournissant des mesures de température à la fois précises et résolues.   Le thermomètre MLX90614 est calibré en usine et offre des mesures de température sur toute la plage de températures via une sortie numérique SMBus (avec une résolution de mesure de 0,02°C). Les utilisateurs peuvent configurer la sortie numérique en modulation de largeur d'impulsion (PWM). En standard, le PWM 10 bits est configuré pour transmettre en continu la température mesurée dans la plage de -20 à 120°C, avec une résolution de sortie de 0,14°C.   Le MLX90614 présente plusieurs avantages, notamment sa petite taille, son faible coût et sa facilité d'intégration. Il est pré-calibré sur une large plage de températures, incluant des températures de capteur de -40°C à 125°C et des températures d'objet de -70°C à 380°C. Sa haute précision dans cette large plage de températures est jusqu'à 0,5°C (dans la plage de température de 0°C à +50°C pour Ta et To). Il peut atteindre une précision de qualité médicale de 0,2°C dans une plage de température limitée lorsque cela est nécessaire. Les options de champ de vision incluent 5°, 10°, 35° et 90°, vous permettant de déterminer la plage de mesure. Le MLX90614 offre des versions à zone unique et double, prend en charge une interface numérique compatible avec SMBus pour une lecture facile des températures et la construction de réseau de capteurs, dispose d'une sortie PWM personnalisable pour une lecture continue, et est disponible en versions 3V et 5V. Il peut être adapté à des applications allant de 8V à 16V avec des ajustements simples et prend en charge les modes d'économie d'énergie, le filtrage numérique et diverses options d'emballage. De plus, des kits d'évaluation sont disponibles pour répondre à divers besoins d'application et de mesure, et il est évalué pour des applications de grade automobile.

Un capteur de température miniature CMS haute précision sans contact

Melexis MLX90632 est un capteur de température miniature SMD qui permet une mesure de la température infrarouge sans contact à haute précision. Il est particulièrement adapté aux environnements avec des caractéristiques thermiques dynamiques et où l'espace est limité. Le produit offre une grande stabilité et est disponible en versions de grade médical et de grade consommateur.   MLX90632 fonctionne avec précision et fiabilité dans des environnements à haute température et est proposé dans un boîtier compact QFN de 3mm x 3mm x 1mm, éliminant le besoin de boîtiers bulky TO-can. Il utilise une interface numérique I2C pour la calibration en usine et dispose d'un champ de vision de 50°. Le taux de rafraîchissement programmable varie de 0,5Hz à 32Hz, et il fonctionne sur une alimentation de 3,3V avec une consommation de courant de 1mA. Le cycle de fonctionnement est de 50µW avec une lecture par minute. Sa plage de température de fonctionnement est de -20°C à 85°C, et des pilotes sont disponibles sur GitHub ainsi que des fiches techniques et des kits d'évaluation.   Pour les appareils de grade commercial, MLX90632 prend en charge la mesure de température d'objet de -20°C à 200°C avec une précision de ±1°C. Ces appareils sont couramment utilisés dans des applications telles que les appareils électroménagers, les thermostats intelligents autonomes pour la surveillance de la température ambiante, et les produits de surveillance de la température ambiante intégrés dans des appareils électroniques portables.   Pour les appareils de grade médical, MLX90632 prend en charge la mesure de température d'objet de -20°C à 100°C avec une haute précision de ±0,2°C. Les applications de grade médical incluent les thermomètres auriculaires, les dispositifs portables de surveillance de la santé, et les applications de point de soin.   Melexis propose également une carte d'évaluation, EVB90632, qui inclut la puce de capteur de température infrarouge MLX90632 (paquet SMD) et offre une interface simple à un PC. Ce PCB permet aux utilisateurs d'effectuer des tests rapides et faciles sur le capteur MLX90632. EVB90632 permet aux utilisateurs d'accéder aux réglages internes du capteur et d'adapter le capteur à des applications spécifiques en modifiant les constantes de compensation de fenêtre optique, les taux de rafraîchissement, et l'adresse du bus du circuit intégré.

Magnétomètres à faible consommation d'énergie alimentés par batterie pour les applications de capteurs de position

Melexis a également introduit le MLX90397, un magnétomètre Triaxis® conçu pour des applications peu coûteuses alimentées par batterie. Ce magnétomètre 3D est spécifiquement adapté aux applications de capteur de position, avec une plage de champ magnétique de ±50mT et une plage adaptative BZ de ±200mT. Le MLX90397 offre une faible consommation d'énergie et convient aux applications où l'espace est limité, ce qui en fait un choix idéal pour les applications alimentées par batterie.   Le MLX90397 prend en charge des paramètres programmables dynamiquement et est un capteur monolithique capable de détecter la densité de flux magnétique à la fois perpendiculairement et parallèlement à la surface de la puce. L'appareil peut effectuer des mesures magnétiques le long des 3 axes (X, Y étant dans un plan parallèle à la surface de la puce, Z étant perpendiculaire à la surface). Les utilisateurs peuvent choisir de mesurer individuellement les champs magnétiques BX, BY, BZ, ou la température, ou effectuer des mesures combinées. Ces mesures, ainsi que la température de la puce, sont converties en données 16 bits et transmises via le canal de communication I2C sur demande. L'appareil transmet des données de mesure brutes compensées.   Le MLX90397 présente un courant de veille typique de 7nA et fonctionne sur une plage de tension de 1,7 à 3,6 V. La broche de réinitialisation permet au MLX90397 d'atteindre une consommation de courant de veille ultra-faible, le rendant bien adapté aux applications à faible taux de mise à jour. Cela simplifie la conception, réduit les coûts de nomenclature et économise de l'espace sur le circuit imprimé. Le capteur mesure seulement 2 mm x 2,5 mm x 0,4 mm et est disponible dans un boîtier UTDFN-8 ultra-fin, plat, sans plomb à 8 broches, ce qui est avantageux pour les applications où l'espace est limité, permettant des agencements de circuit imprimé plus simples. De plus, le MLX90397 est préprogrammé, offrant une solution plug-and-play facile à intégrer et fonctionnant dans une plage de température ambiante de -40°C à -105°C. Le cas d'utilisation du magnétomètre MLX90397 dans les dispositifs portables est le contrôle par bouton rotatif.

Conclusion

L'introduction de nouveaux capteurs de température miniaturisés a permis d'intégrer la détection de température dans des dispositifs portables de santé hautement intégrés. Ces capteurs peuvent également être utilisés pour accélérer les tests PCR et réduire les coûts, offrant un potentiel de développement de marché significatif. Melexis propose une gamme de capteurs de température miniaturisés et de magnétomètres qui peuvent considérablement réduire la taille et la consommation d'énergie des dispositifs portables, ce qui en fait un choix idéal pour les fabricants développant des produits connexes. Vous pouvez visiter le site Web de Melexis ici pour télécharger le guide de sélection de capteurs de température et trouver le capteur de température qui correspond le mieux à vos besoins.