I principi della tecnologia di rilevamento della temperatura e le sue applicazioni nel settore sanitario

Misurazione della temperatura senza contatto utilizzando la tecnologia MEMS termopile

Non-contact temperature sensing can detect energy emitted in the infrared (IR) wavelength range. Every object emits energy in this way, so we can calculate the temperature of an object by measuring this energy. However, as sensor sizes get smaller, they are more susceptible to thermal shocks, which can lead to measurement errors and thermal noise.
 
Currently, the mainstream technology for non-contact temperature sensing is integrated MEMS thermopile technology. A thermopile is an electronic sensor that can convert thermal energy into an electrical signal. Its working principle is based on the fact that all objects emit thermal far-infrared (FIR) radiation.
 
From an electronic perspective, a thermopile consists of multiple thermocouples connected in series. The voltage generated by these thermocouples is proportional to the temperature difference between two points, and this temperature difference can be used to measure relative temperature. A MEMS thermopile sensor ICs incorporate a thermal isolation membrane. Because this thermal membrane has low thermal mass, it can quickly absorb the incoming heat flux, generating a temperature difference that the thermopile can report. By integrating a reference thermistor into the MEMS system, an absolute temperature measurement can be obtained.

I dispositivi indossabili richiedono una significativa riduzione delle dimensioni dei sensori di temperatura

Il ruolo della rilevazione della temperatura è diventato sempre più importante in diverse applicazioni, portando molti dispositivi a integrare questa funzionalità. Questi dispositivi includono monitor per la salute e dispositivi indossabili come occhiali intelligenti, braccialetti intelligenti e dispositivi indossati all'interno dell'orecchio, spesso chiamati "hearables." Tuttavia, le soluzioni di misurazione della temperatura basate sul contatto incontrano frequentemente problemi di scarsa connessione termica con il sito di interesse. La rilevazione della temperatura senza contatto basata sul principio FIR è perfetta per queste nuove applicazioni. Tuttavia, richiede una significativa riduzione delle dimensioni dei sensori di temperatura.   Le applicazioni della misurazione della temperatura si stanno rapidamente espandendo, specialmente con l'integrazione della rilevazione della temperatura nei dispositivi portatili come smartphone e indossabili, nell'ambito della cura domiciliare. Tuttavia, la misurazione della temperatura affronta due sfide principali. Innanzitutto, i componenti IC dei sensori devono essere abbastanza piccoli per adattarsi a diverse applicazioni. In secondo luogo, i componenti IC dei sensori devono essere installati in un grande involucro metallico per fornire una capacità termica sufficiente a mitigare l'impatto degli shock termici rapidi.   Se piccoli sensori FIR IC vengono montati su un PCB, potrebbero essere esposti al calore generato da componenti vicini, come microprocessori o transistor di potenza. I produttori di sensori FIR IC tentano di superare questo problema posizionando l'elemento di rilevazione in un grande contenitore metallico (ad esempio, un package TO-can). Sebbene la significativa capacità di accumulo di calore e l'elevata conducibilità termica del metallo possano offrire una certa protezione contro rapidi gradienti termici e shock termici, questo approccio potrebbe non essere altamente efficace in ambienti in cui le caratteristiche termiche cambiano dinamicamente. Inoltre, una sfida è che i package TO-can sono relativamente grandi e non adatti a dispositivi piccoli come indossabili e hearables.

L'applicazione dei sensori di temperatura a infrarossi sulla PCR

Credo che tutti dovrebbero essere molto familiari con il termine Reazione a Catena della Polimerasi (PCR). La funzione principale della PCR è amplificare (duplicare) il DNA, e la sua applicazione più diffusa è nella rilevazione delle infezioni. I patogeni, come virus o batteri presenti nel DNA/RNA, possono essere identificati nei campioni dei pazienti dopo l'amplificazione. Questa applicazione ha avuto un rapido sviluppo sotto l'influenza della pandemia da COVID-19, e la tecnologia PCR può essere utilizzata anche per rilevare molti altri patogeni.   Molti processi biochimici vengono utilizzati nella diagnostica medica, e la PCR è solo un esempio. Per accelerare le reazioni biochimiche sensibili alla temperatura, è necessario un "termociclatore". Il termociclatore è dotato di uno o più blocchi termici con fori in cui possono essere inseriti i tubi contenenti i reagenti. Lo scopo del termociclatore è sottoporre questi tubi a un programma di temperatura predefinito, consentendo rapide e precise variazioni di temperatura. Alcuni modelli supportano il controllo del gradiente di temperatura del blocco termico, consentendo di posizionare campioni diversi a temperature diverse. Questa funzionalità è principalmente utilizzata nella fase di ricerca per ottimizzare determinate fasi critiche del ciclo termico.   Durante i test, spesso i campioni vengono sostituiti, rendendo difficile per i produttori misurare in modo affidabile la temperatura dei tubi tramite il metodo di contatto diretto. Un controllo rigoroso del ciclo termico dipende da input sensoriali accurati, ed è qui che entra in gioco il ruolo dei sensori di temperatura a infrarossi. Questi consentono misurazioni della temperatura senza contatto, un vantaggio significativo rispetto ai termometri basati sul contatto. Inoltre, evitare il contatto diretto riduce in modo significativo il rischio di contaminazione incrociata tra i campioni.   Attualmente, i test diagnostici medici stanno evolvendo rapidamente, passando dalla necessità di inviare campioni a laboratori medici specializzati e attendere settimane per i risultati, a test effettuati direttamente sul punto di cura. In questa trasformazione i sensori di temperatura a infrarossi svolgono un ruolo cruciale. Grazie all'uso di sensori di temperatura a infrarossi, il controllo della temperatura può essere più rigoroso, affinando ulteriormente i processi di reazione biochimica e portando a diagnosi più rapide, accurate e affidabili.

Un termometro a infrarossi versatile e altamente integrato

Il Melexis MLX90614 è un termometro a infrarossi progettato per misurazioni della temperatura senza contatto. Integra il chip rivelatore termopila sensibile agli infrarossi e l'ASIC per il condizionamento del segnale all'interno della stessa confezione TO-39. Il MLX90614 è dotato di un amplificatore a basso rumore, un ADC a 17 bit e una potente unità DSP, offrendo misurazioni della temperatura con elevata precisione e risoluzione.   Il termometro MLX90614 viene calibrato in fabbrica e offre misurazioni della temperatura su tutta la gamma di temperature tramite l'output digitale SMBus (con una risoluzione di misura di 0,02°C). Gli utenti possono configurare l'output digitale come modulazione della larghezza di impulso (PWM). Di default, il PWM a 10 bit è configurato per trasmettere continuamente la temperatura misurata in un intervallo da -20 a 120°C, con una risoluzione di 0,14°C.   Il MLX90614 offre diversi vantaggi, tra cui le sue dimensioni ridotte, il costo contenuto e la facilità di integrazione. È precalibrato per un ampio intervallo di temperature, includendo temperature del sensore da -40°C a 125°C e temperature degli oggetti da -70°C a 380°C. La sua alta precisione su questo ampio intervallo di temperature arriva fino a 0,5°C (nell'intervallo di temperatura da 0°C a +50°C sia per Ta che per To). Può raggiungere una precisione a livello medico di 0,2°C in un intervallo di temperatura limitato, quando necessario. Le opzioni del campo visivo includono 5°, 10°, 35° e 90°, permettendoti di determinare l'intervallo di misurazione. Il MLX90614 offre versioni a zona singola e doppia, supporta un'interfaccia digitale compatibile con SMBus per una facile lettura della temperatura e la costruzione di reti di sensori, presenta un output PWM personalizzabile per letture continue, e viene fornito in versioni sia da 3V che da 5V. Può essere adattato ad applicazioni che vanno da 8V a 16V con semplici regolazioni e supporta modalità di risparmio energetico, filtraggio digitale e varie opzioni di packaging. Inoltre, sono disponibili kit di valutazione per soddisfare diverse esigenze applicative e di misurazione, ed è valutato per applicazioni di grado automobilistico.

Un sensore di temperatura IC SMD miniaturizzato ad alta precisione senza contatto

Il Melexis MLX90632 è un sensore di temperatura IC SMD in miniatura che consente misurazioni della temperatura a infrarossi senza contatto ad alta precisione. È particolarmente adatto per ambienti con caratteristiche termiche dinamiche e dove lo spazio è limitato. Il prodotto offre elevata stabilità ed è disponibile nelle versioni di grado medico e di grado consumer.   Il MLX90632 opera con precisione e affidabilità in ambienti ad alta temperatura ed è disponibile in un pacchetto compatto QFN da 3mm x 3mm x 1mm, eliminando la necessità di ingombranti confezioni TO can. Utilizza un'interfaccia digitale I2C per la calibrazione di fabbrica e presenta un angolo di visione di 50°. La frequenza di aggiornamento programmabile varia da 0,5Hz a 32Hz, operando con un'alimentazione di 3,3V e un consumo di corrente di 1mA. Il ciclo di lavoro è di 50µW con una lettura al minuto. L'intervallo di temperatura operativa va da -20°C a 85°C, e sono disponibili driver su GitHub insieme a schede tecniche e kit di valutazione.   Per i dispositivi di grado commerciale, il MLX90632 supporta la misurazione della temperatura degli oggetti da -20°C a 200°C con un'accuratezza di ±1°C. Questi dispositivi sono comunemente utilizzati in applicazioni come elettrodomestici, termostati intelligenti indipendenti per il monitoraggio della temperatura ambiente e prodotti per il monitoraggio della temperatura integrati in dispositivi elettronici portatili.   Per i dispositivi di grado medico, il MLX90632 supporta la misurazione della temperatura degli oggetti da -20°C a 100°C con un'elevata accuratezza di ±0,2°C. Le applicazioni di grado medico includono termometri auricolari, dispositivi indossabili per il monitoraggio della salute e applicazioni point-of-care.   Melexis offre anche una scheda di valutazione, EVB90632, che include il chip sensore di temperatura a infrarossi MLX90632 (pacchetto SMD) e fornisce un'interfaccia semplice per un PC. Questo PCB consente agli utenti di eseguire test rapidi e semplici sul sensore MLX90632. L'EVB90632 permette agli utenti di accedere alle impostazioni interne del sensore e adattare il sensore a specifiche applicazioni modificando le costanti di compensazione della finestra ottica, le frequenze di aggiornamento e l'indirizzo del bus del circuito integrato.

Magnetometri a batteria a basso consumo per applicazioni di sensori di posizione

Melexis ha introdotto anche il MLX90397, un magnetometro Triaxis® progettato per applicazioni economiche alimentate a batteria. Questo magnetometro 3D è specificamente pensato per applicazioni di sensori di posizione, con un intervallo del campo magnetico di ±50mT e un intervallo adattivo BZ di ±200mT. Il MLX90397 offre un basso consumo energetico ed è adatto per applicazioni con vincoli di spazio, rendendolo una scelta ideale per dispositivi alimentati a batteria.   Il MLX90397 supporta parametri programmabili dinamicamente ed è un sensore monolitico in grado di rilevare la densità del flusso magnetico sia perpendicolare che parallelo alla superficie del chip. Il dispositivo può eseguire misurazioni magnetiche lungo i 3 assi (X, Y in un piano parallelo alla superficie del chip, Z perpendicolare alla superficie). Gli utenti possono scegliere di misurare individualmente i campi magnetici BX, BY, BZ, oppure la temperatura, oppure effettuare misurazioni combinate. Queste misurazioni, insieme alla temperatura del chip, vengono convertite in dati a 16 bit e trasmesse tramite il canale di comunicazione I2C su richiesta. Il dispositivo trasmette dati di misurazione grezzi compensati.   Il MLX90397 dispone di una corrente tipica in standby di 7nA e funziona con un intervallo di tensione da 1,7 a 3,6 V. Il pin di reset consente al MLX90397 di raggiungere un consumo di corrente ultra basso in standby, risultando particolarmente adatto per applicazioni con basso tasso di aggiornamento. Ciò semplifica il design, riduce i costi dei materiali e ottimizza lo spazio sul PCB. Il sensore misura solo 2 mm x 2,5 mm x 0,4 mm ed è fornito in un package UTDFN-8 ultra sottile, piatto e senza terminali con 8 pin, vantaggioso per applicazioni con vincoli di spazio, permettendo layout PCB più semplici. Inoltre, il MLX90397 viene pre-programmato, offrendo una soluzione plug-and-play facile da integrare e operante in un intervallo di temperatura ambientale da -40°C a -105°C. Un caso d'uso del magnetometro MLX90397 nei dispositivi indossabili è il controllo tramite manopole.

Conclusione

L'introduzione di nuovi sensori di temperatura miniaturizzati ha reso possibile integrare il rilevamento della temperatura nei dispositivi indossabili per il settore sanitario altamente integrati. Questi sensori possono anche essere utilizzati per accelerare i test PCR e ridurre i costi, offrendo un significativo potenziale di sviluppo del mercato. Melexis offre una gamma di sensori di temperatura miniaturizzati e magnetometri che possono ridurre drasticamente le dimensioni e il consumo energetico dei dispositivi indossabili, rendendoli una scelta ideale per i produttori che sviluppano prodotti correlati. È possibile visitare il sito web di Melexis qui per scaricare la guida alla selezione dei sensori di temperatura e trovare il sensore di temperatura più adatto alle proprie esigenze.