I dispositivi per l'assistenza sanitaria domiciliare stanno guadagnando sempre maggior apprezzamento. Oltre a essere più convenienti per pazienti e famiglie, possono offrire un'istantanea della salute in tempo reale, fornendo dati fruibili che possono essere utilizzati per migliorare i risultati in materia di salute. Tra i dispositivi sanitari domestici più utilizzati ci sono i termometri senza contatto. Questo articolo di Melexis esplora come i progettisti possono creare circuiti che eliminano i disturbi termici nella misurazione della temperatura senza contatto.
Il rilevamento della temperatura senza contatto si basa sul rilevamento dell'energia emessa nella regione delle lunghezze d'onda dell'infrarosso (IR). Ogni oggetto emette energia in questo modo, e questa può essere misurata per calcolarne la temperatura. Tuttavia, poiché i dispositivi di rilevamento diventano sempre più piccoli, diventano anche più sensibili all'impatto degli shock termici, che possono indurre errori di misurazione e rumore termico.
In questo articolo tecnico, Melexis discuterà alcuni dei principi alla base del rilevamento della temperatura senza contatto, nonché gli approcci utilizzati per ridurre al minimo gli effetti dello shock termico. L'articolo esaminerà poi un approccio nuovo e intelligente per eliminare gli effetti dei disturbi termici esterni nei sensori microminiaturizzati.
Tecnologia termopila MEMS integrata
La tecnologia di rilevamento della temperatura tramite termopila è sempre più utilizzata in applicazioni mediche (inclusa l'assistenza sanitaria domiciliare) e industriali (come la pistola termometrica a infrarossi), in quanto è robusta, precisa e affidabile. Una termopila è semplicemente un trasduttore elettronico che converte l'energia termica in un segnale elettrico e funziona in base al principio che tutto emette radiazioni termiche a infrarossi lontani (FIR).
Figura 1: Costruzione di base di un sensore basato su termopila MEMS
Dal punto di vista elettrico, una termopila è composta da diverse termocoppie collegate in serie. Insieme generano una tensione proporzionale alla differenza di temperatura tra due punti; questa differenza fornisce una misurazione della temperatura relativa.
Un sensore a termopila MEMS utilizza una sottile membrana isolata termicamente. Dato che questa ha una massa termica bassa, viene rapidamente riscaldata dal flusso di calore in arrivo, creando di conseguenza una differenza di temperatura che la termopila è in grado di segnalare. Incorporando un termistore di riferimento nel sistema MEMS è possibile generare una misurazione della temperatura assoluta.
Al centro di questa tecnica di misurazione c'è la legge di Stefan-Boltzmann, secondo la quale l'energia irradiata per unità di superficie di un corpo nero è proporzionale alla quarta potenza della sua temperatura. Ciò è generalmente espresso come l'equazione di Stefan-Boltzmann:
Dove:
J = emittanza radiante del corpo nero [W/m²]
η = emissività (proprietà superficiale)
σ = 5,67e-8 [W/m²/K⁴], costante di Stefan-Boltzmann
T = temperatura superficiale assoluta [K]
Facendo l'ipotesi ragionevole che per i materiali non metallici l'emissività (η) è circa 1, la temperatura superficiale può essere collegata alla potenza emessa.
La sfida della stabilità
Il rilevamento della temperatura sta diventando sempre più utile in varie applicazioni e, di conseguenza, questa funzionalità viene aggiunta a molti dispositivi, tra cui monitor sanitari e dispositivi indossabili come occhiali intelligenti, braccialetti intelligenti e dispositivi indossati all'interno dell'orecchio, i cosiddetti "hearables". Tuttavia, le soluzioni con termometri a contatto spesso presentano uno scarso contatto termico con il sito di interesse. Il rilevamento della temperatura senza contatto mediante il principio FIR è ideale per queste nuove applicazioni, tutte accomunate dall'esigenza di sensori di temperatura sempre più piccoli.
Affinché i sensori di temperatura FIR possano essere integrati nei dispositivi indossabili, la tecnologia deve essere miniaturizzata. Sebbene la miniaturizzazione abbia molti vantaggi, presenta anche delle sfide: con questo tipo di sensore, la miniaturizzazione può avere un impatto negativo sulla precisione della misurazione della temperatura.
Come descritto sopra, i sensori di temperatura FIR sono influenzati dai gradienti termici, o shock termico, causati dal chip del sensore che riceve radiazioni da più fonti, mentre solo una quantità limitata di tali radiazioni proviene effettivamente dall'oggetto misurato. Altre fonti di energia termica includono il package del sensore stesso, il che significa che una parte del segnale generato è utile, mentre un'altra è parassita. In condizioni isotermiche, quando la temperatura della membrana corrisponde alla temperatura del package, non vi è alcun segnale parassita e la natura differenziale della tecnologia delle termopile annulla gli effetti delle radiazioni del package. Tuttavia, in molte applicazioni è impossibile mantenere il sensore in condizioni isotermiche.
Se il piccolo sensore FIR è montato su un PCB, può essere esposto all'energia termica proveniente da componenti che generano calore nelle vicinanze, come un microprocessore o un transistor di potenza. I produttori di sensori FIR hanno tentato di risolvere questo problema inserendo l'elemento di rilevamento in un grande contenitore metallico, come un package TO-can. La notevole massa termica e l'elevata conduttività termica del metallo contrastano in una certa misura gli effetti dei rapidi gradienti e shock termici, ma risultano meno che adeguate in un ambiente termicamente dinamico. Naturalmente, l'altro problema è che i package TO-can sono relativamente grandi e poco adatti a dispositivi di piccole dimensioni come dispositivi indossabili e hearables.
Compensazione attiva dei gradienti termici
Chiaramente, la soluzione che prevede l'utilizzo di un package TO-can non è adatta ai dispositivi di monitoraggio della salute di prossima generazione e, per questo unico motivo, deve essere scartata a favore di una soluzione in grado di risolvere meglio i problemi legati all'utilizzo di sensori FIR di piccole dimensioni.
Modellando e caratterizzando diversi scenari e applicando questi dati tramite sofisticati algoritmi di compensazione, è possibile modificare l'output dei moderni piccoli sensori FIR in modo che diventino effettivamente insensibili agli shock termici.
Uno degli ultimi dispositivi ad arrivare sul mercato è il sensore FIR MLX90632 di piccole dimensioni di Melexis. Si tratta di un sensore di temperatura a infrarossi senza contatto in un piccolo package SMD QFN, calibrato in fabbrica per temperature ambiente comprese tra -20 °C e 85 °C.
È disponibile sia nella versione commerciale che in quella medica. La versione di grado medico è ottimizzata per l'uso a temperature prossime a quelle del corpo umano, dove ha una precisione di ±0,2 °C. La versione di livello commerciale ha una precisione inferiore (tipicamente ±1,0 °C) ma è ottimizzata per essere utilizzata su un intervallo di temperatura dell'oggetto molto più ampio (da -20 °C a 200 °C).
Il valore della temperatura misurato è la media di tutto ciò che si trova all'interno del campo visivo (FOV) di 50° del sensore e, utilizzando questo valore misurato insieme alle costanti di calibrazione e ai sofisticati algoritmi di compensazione integrati, è possibile calcolare la temperatura ambiente e quella dell'oggetto.
Per dimostrare l'efficacia della compensazione attiva, Melexis ha condotto un esperimento in cui un sensore MLX90632 e un sensore all'avanguardia (confezionato in contenitore TO-can) sono stati impostati per misurare una sorgente di riferimento stabile con una temperatura di circa 40 °C. Durante l'esecuzione delle misurazioni, una forte fonte di calore è stata posizionata in prossimità dei sensori: i risultati sono visibili nella Figura 2.
Figura 2: Risultati del test di shock termico sul MLX90632
Il grafico mostra che la temperatura di riferimento era effettivamente di 40,05 °C e la temperatura del sensore di circa 2 °C all'inizio dell'esperimento. Durante l'applicazione del calore, i sensori venivano sottoposti a uno shock termico (di circa 60 °C/min) e l'uscita veniva monitorata. Durante l'intero test, la lettura della temperatura dell'MLX90632 non ha subito deviazioni superiori a 0,25 °C, dimostrando una prestazione molto stabile. Ciò è stato possibile grazie all'algoritmo di compensazione avanzato. Il sensore TO-can mostra un errore significativo, a dimostrazione del fatto che questi dispositivi non funzionano bene in condizioni così difficili.
Figura 3: Diagramma a blocchi del sensore di temperatura a infrarossi MLX90632
Componenti interni del sensore
Il sensore ultra-piccolo contiene una termopila che cattura l'energia emessa dall'oggetto, nonché un elemento per misurare la temperatura del sensore stesso. Il segnale di tensione dell'elemento sensibile della termopila viene amplificato, digitalizzato e filtrato digitalmente prima di essere memorizzato nella RAM di bordo. La lettura del sensore di temperatura di riferimento di bordo viene elaborata e memorizzata nello stesso modo.
Una macchina a stati controlla la temporizzazione e la funzionalità del sensore e il risultato di ogni misurazione e conversione è disponibile al sistema più ampio (ad esempio il microcontrollore) tramite l'interfaccia di comunicazione I2C.
Le temperature (dell'oggetto e del sensore interno) possono essere calcolate a partire dai dati grezzi utilizzando un semplice microcontrollore.
Riepilogo
La misurazione della temperatura sta diventando molto popolare, soprattutto nei dispositivi portatili come smartphone e dispositivi indossabili che misurano la temperatura corporea nell'ambito di un regime di assistenza sanitaria domiciliare. Tuttavia, fino a poco tempo fa, la misurazione della temperatura si scontrava con due obiettivi contrastanti.
In primo luogo, l'elemento sensore deve essere sufficientemente piccolo da adattarsi all'applicazione e, in secondo luogo, deve essere inserito in un involucro metallico di grandi dimensioni per garantire una capacità termica sufficiente ad attenuare gli effetti degli shock termici rapidi.
Basato sulla tecnologia di rilevamento della termopila, il modello MLX90632 di Melexis affronta questa sfida apparentemente impossibile. Grazie all'impiego di una compensazione attiva integrata e di algoritmi sofisticati, l'MLX90632 è in grado di fornire misurazioni accurate della temperatura anche nelle situazioni più difficili, pur essendo alloggiato in un package SMD ultra-piccolo.