温度検知技術の原理とそのヘルスケア分野での応用

MEMS サーモパイル技術による非接触型温度検知

非接触型温度測定は、赤外線（IR）波長範囲で放出されるエネルギーを検知することで行われます。すべての物体はこのようにエネルギーを放出しているため、このエネルギーを測定することで物体の温度を計算することができます。しかし、センサーが小型化するにつれて、これらのセンサーは熱衝撃に対してより敏感になり、測定誤差や熱ノイズが発生する可能性があります。
 
現在、非接触型温度測定技術の主流は、統合型MEMSサーモパイル技術です。サーモパイルは熱エネルギーを電気信号に変換できる電子センサーで、その動作原理は、すべての物体が熱遠赤外線（FIR）放射を発するという事実に基づいています。
 
電子的観点から見ると、サーモパイルは複数の熱電対が直列に接続された構造を持っています。これらの熱電対によって発生する電圧は、2点間の温度差に比例しており、この温度差を利用して相対的な温度を測定することができます。MEMSサーモパイルセンサーICは熱隔離膜を組み込んでいます。この熱隔離膜は熱質量が低いため、外部からの熱流束を迅速に吸収し、サーモパイルが報告する温度差を生成します。また、MEMSシステムにリファレンスサーミスタを統合することで、絶対温度測定が可能になります。

ウェアラブルデバイスには、温度センサーのサイズを大幅に縮小する必要があります

温度センサーの役割はさまざまな用途でますます重要性を増しており、多くのデバイスがこの機能を取り入れるようになっています。これらのデバイスには、健康モニターやスマートグラス、スマートリストバンド、そして耳の内側に装着される「ヒアラブル」と呼ばれるデバイスなどのウェアラブルデバイスが含まれます。しかし、接触型の温度測定ソリューションは、測定対象部位との熱接触が不十分であるという問題によく直面します。FIR（遠赤外線）原理に基づく非接触型温度感知はこれらの新しい用途に適していますが、温度センサーのサイズを大幅に縮小する必要があります。   温度測定の用途は急速に拡大しており、特にスマートフォンやウェアラブルデバイスなどの携帯機器に温度測定を統合することで、家庭医療の一環として利用されるケースが増えています。しかし、温度測定には2つの大きな課題があります。第一に、センサーICコンポーネントはさまざまな用途に対応するために十分小型である必要があります。第二に、センサーICコンポーネントは、迅速な熱衝撃の影響を軽減するために十分な熱容量を提供する大きな金属ケース内に設置される必要があります。   小型のFIRセンサーICがPCBに取り付けられた場合、近くの発熱コンポーネント（マイクロプロセッサや電力トランジスタなど）からの熱にさらされる可能性があります。FIRセンサーICを製造するメーカーは、感知要素を大きな金属缶（例: TO缶パッケージ）内に配置することで、この問題を克服しようと試みています。金属缶の高い熱容量と優れた熱伝導率は、急激な温度勾配や衝撃に対してある程度の保護を提供しますが、温度特性が動的に変化する環境では、このアプローチはあまり効果的ではない場合があります。さらに課題として、TO缶パッケージは比較的大型で、ウェアラブルデバイスやヒアラブルのような小型デバイスには適していないという点があります。

PCRへの赤外線温度センサーの応用

皆さん、ポリメラーゼ連鎖反応（Polymerase Chain Reaction, PCR）という言葉には非常に馴染みがあると思います。PCRの主な機能はDNAを増幅（複製）することであり、その最も広く知られている応用は感染症の検出です。DNA/RNA中のウイルスや細菌などの病原体は、増幅後に患者サンプルから検出することができます。この応用はCOVID-19パンデミックの影響下で大いに発展し、PCR技術は他の多くの病原体の検出にも利用されています。   医療診断において、多くの生化学的プロセスが使用されており、PCRはその一例に過ぎません。温度に敏感な生化学反応を迅速に行うためには、「サーマルサイクラー」という装置が必要です。サーマルサイクラーには1つまたは複数の熱ブロックが装備されており、試薬を含むチューブを挿入する穴が設けられています。サーマルサイクラーの目的は、これらのチューブにあらかじめ設定された温度プログラムを適用し、迅速かつ正確な温度変化を可能にすることです。一部のモデルでは、熱ブロックの温度勾配を制御し、異なるサンプルを異なる温度に配置できる機能をサポートしています。この機能は主に研究段階で使用され、温度サイクルの重要な特定のステップを最適化する目的があります。   検査中、検体が頻繁に交換されることが多いため、製造者が直接接触法で試験管の温度を正確に測定することが課題となります。温度サイクルを厳密に制御するには、正確なセンサー入力が必要であり、ここで赤外線温度センサーの役割が重要となります。赤外線温度センサーにより、接触せずに温度測定を行うことができ、これが接触型の温度計と比べて大きな利点となります。さらに、直接接触を避けることで、検体間での交差汚染のリスクが大幅に低減されます。   現在、医療診断検査は急速に進化しており、検体を専門の医療検査施設に送って数週間の結果待ちをする必要がなくなり、患者のそばで実施できる「ポイントオブケア」へと移行しています。この変化の中で、赤外線温度センサーは重要な役割を担っています。赤外線温度センサーを使用することで、温度制御がより厳密になり、生化学反応プロセスをさらに微調整できるようになり、より迅速で正確かつ信頼性の高い診断が可能になります。

多用途で高度に統合された赤外線温度計

Melexis MLX90614は、非接触温度測定のために設計された赤外線温度計です。このセンサーは、赤外線に感応する熱電対検出チップと信号処理ASICを同じTO-39パッケージ内に統合しています。MLX90614は、低ノイズ増幅器、17ビットADC、強力なDSPユニットを搭載しており、高精度かつ高解像度の温度測定を提供します。   MLX90614温度計は工場でキャリブレーション済みであり、デジタルSMBus出力を通じて、全温度範囲にわたる温度測定を提供します（測定解像度は0.02°C）。ユーザーはデジタル出力をパルス幅変調（PWM）として構成することも可能です。標準設定では、10ビットPWMが構成され、-20°Cから120°Cの範囲で測定された温度を0.14°Cの出力解像度で連続的に送信します。   MLX90614は、小型、低コスト、および統合の容易さといったいくつかの利点を備えています。センサーの温度が-40°Cから125°C、対象物の温度が-70°Cから380°Cといった広い温度範囲にわたって事前にキャリブレーションされています。この広範囲内での高い精度は、0°Cから+50°Cの温度範囲（TaおよびTo）の場合、最大で±0.5°Cです。また、必要に応じて限られた温度範囲内で医療グレードの精度である±0.2°Cを実現できます。視野角のオプションには5°、10°、35°、90°があり、測定範囲を選択することが可能です。MLX90614はシングルゾーン版とデュアルゾーン版の両方を提供し、簡単に温度読み取りやセンサーネットワーク構築が可能なSMBus互換のデジタルインターフェースをサポートしています。カスタマイズ可能なPWM出力による連続読み取りが可能で、3V版と5V版の両方が用意されています。簡単な調整で8Vから16Vまでの用途に対応でき、省電力モード、デジタルフィルタリング、およびさまざまなパッケージオプションをサポートします。また、多様な用途と測定ニーズを満たす評価キットが提供されており、車載グレードの用途にも適合しています。

高精度非接触型小型SMD温度センサーIC

Melexis MLX90632は、高精度の非接触式赤外線温度測定を可能にする小型SMDタイプの温度センサーICです。特に、熱的環境が変化しやすく、スペースに制約がある環境に適しています。製品は高い安定性を持ち、医療グレードバージョンとコンシューマーグレードバージョンの両方で提供されています。   MLX90632は高温環境でも高精度かつ信頼性の高い動作をし、コンパクトな3mm x 3mm x 1mmのQFNパッケージを採用しているため、大型のTO缶パッケージが不要です。工場出荷時キャリブレーションに対応するI2Cデジタルインターフェースを搭載し、50°の視野角を持ちます。プログラム可能なリフレッシュレートは0.5Hzから32Hzの範囲で設定可能で、3.3Vの電源で動作し、消費電流は1mAです。デューティサイクルは1分間に1回の読み取りで50µWです。動作温度範囲は-20°Cから85°Cで、GitHubで提供されているドライバやデータシート、評価キットも使用可能です。   商業グレードデバイスの場合、MLX90632は-20°Cから200°Cの物体温度測定を±1°Cの精度でサポートします。これらのデバイスは、白物家電製品、室温監視用の独立型スマートサーモスタット、ポータブル電子機器に統合された周囲温度モニタリング製品などの用途でよく使用されます。   医療グレードデバイスでは、MLX90632は-20°Cから100°Cの物体温度測定を±0.2°Cという高精度でサポートします。医療グレードの用途には、耳式体温計、健康モニタリング用ウェアラブルデバイス、ポイントオブケアアプリケーションが含まれます。   Melexisは、MLX90632赤外線温度センサー（SMDパッケージ）を含む評価ボードEVB90632も提供しています。このボードは、PCに簡単に接続できるインターフェースを備えており、MLX90632センサーを迅速かつ簡単にテストすることができます。EVB90632を使用すると、センサーの内部設定にアクセスし、光学窓補正定数やリフレッシュレート、回路内のバスアドレスを変更することで、特定のアプリケーションに応じてセンサーを調整できます。

位置センサー用途向け低消費電力のバッテリー駆動型磁力計

Melexisは、コスト効率の良い電池駆動のアプリケーション向けに設計されたTriaxis®磁気センサーMLX90397も発表しました。この3D磁気センサーは位置センサー用途に特化しており、磁場範囲は±50mT、BZ適応範囲は±200mTです。MLX90397は低消費電力を実現し、スペースが限られたアプリケーションに適しており、電池駆動のアプリケーションに最適な選択肢となっています。   MLX90397は動的にプログラム可能なパラメータをサポートしており、チップの表面に垂直および平行な磁束密度を検知できるモノリシックセンサーです。この装置は3軸（X軸、Y軸はダイ表面に平行な平面上、Z軸はダイ表面に垂直）に沿った磁気測定を行うことができます。ユーザーは磁場BX、BY、BZを個別に測定することや、温度を測定すること、または複合的な測定を行うことを選択できます。これらの測定値およびチップの温度は16ビットデータに変換され、要求に応じてI2C通信チャネルを介して送信されます。この装置は補正済みの生測定データを送信します。   MLX90397は典型的なスタンバイ電流が7nAで、動作電圧範囲は1.7Vから3.6Vです。リセットピンを使用することで、MLX90397は超低電流のスタンバイ消費電力を実現し、低更新頻度のアプリケーションに非常に適しています。この機能により設計が簡素化され、部品表のコストが削減され、PCBスペースも節約されます。このセンサーは大きさがわずか2mm x 2.5mm x 0.4mmで、スペースが限られたアプリケーションに有利なUTDFN-8超薄型、フラットリードなし8ピンパッケージで提供されます。その結果、よりシンプルなPCB設計が可能になります。さらに、MLX90397は事前プログラム済みで提供されるため、プラグ＆プレイのソリューションを提供し、統合が容易で、-40°Cから105°Cの環境温度範囲内で動作します。MLX90397磁気センサーのウェアラブルデバイスでの使用例は、ノブコントロールです。

結論

新しく小型化された温度センサーの導入により、非常に統合されたヘルスケアウェアラブルデバイスへの温度測定機能の統合が可能になりました。このセンサーはまた、PCR検査の速度を向上させ、コストを削減することができ、市場発展の可能性を大きく広げています。Melexisは、小型化された温度センサーおよび磁力計のラインナップを提供しており、ウェアラブルデバイスのサイズと消費電力を大幅に削減することができます。これにより、関連製品を開発しているメーカーにとって理想的な選択肢となっています。Melexisのウェブサイトにアクセスすることで、温度センサー選択ガイドをダウンロードし、ニーズに最適な温度センサーを見つけることができます。