在此設(shè)計解決方案中，我們考慮了影響數(shù)字溫度傳感器連續(xù)準(zhǔn)確測量人體溫度能力的一些因素。在研究了當(dāng)前解決方案的一些局限性之后，我們提出了一種微型數(shù)字溫度傳感器IC，它將為未來的醫(yī)療設(shè)備和可穿戴設(shè)備設(shè)計帶來多種優(yōu)勢。

介紹

當(dāng)美國軍方在1970年代開發(fā)全球定位系統(tǒng)（GPS）時，很少有人會想到 普通平民在汽車或智能手機(jī)上使用它來幫助他們的那一天 導(dǎo)航他們的旅程。同樣，最初設(shè)計用于監(jiān)測的臨床級傳感器 醫(yī)院環(huán)境中的患者健康越來越多地進(jìn)入無數(shù)的消費(fèi)者健康和 健身設(shè)備。

然而，醫(yī)務(wù)室的嚴(yán)格控制環(huán)境與日常生活的熵大不相同。因此，可穿戴設(shè)備中的傳感器所遇到的日常條件與醫(yī)院設(shè)備中運(yùn)行的類似傳感器所面臨的挑戰(zhàn)非常不同。在這個設(shè)計解決方案中，我們考慮了一些影響使用數(shù)字傳感器連續(xù)準(zhǔn)確地測量人體溫度的因素。在研究了當(dāng)前解決方案的一些局限性之后，我們提出了一種微型數(shù)字溫度傳感器IC，它將為未來的醫(yī)療設(shè)備和可穿戴設(shè)備設(shè)計帶來多種優(yōu)勢。

人體溫度

對于健康的人來說，體溫通常在 97°F 至 99°F（36.5°C 至 37.5°C）的范圍內(nèi)，盡管存在 是可能導(dǎo)致這種情況變化的許多因素，包括年齡、性別、活動水平和一天中的時間（僅舉幾例）。在較長時間內(nèi)超過這些值的變化可能表明相對 常見的健康問題（例如發(fā)燒），而手術(shù)后患者的體溫突然下降可能表明可能危及生命的疾病（例如敗血癥）。因此，快速準(zhǔn)確地測量體溫的能力對醫(yī)生來說非常重要。最初使用水銀球溫度計測量體溫（出于安全原因放棄），現(xiàn)在通常使用數(shù)字溫度計探頭測量體溫。

除了前面列出的變量外，測量溫度時要考慮的另一個因素是 進(jìn)行測量的身體位置。在醫(yī)院環(huán)境中，這通常是通過放置 耳、口或直腸管中的探頭。有趣的是，耳朵和直腸溫度通常更高 比口服，而口腔又高于腋窩（有時也使用）。間歇性 在這些身體部位進(jìn)行的溫度測量通常是可以忍受的，對于 臨床環(huán)境，它們?nèi)匀皇乔秩胄缘模锌赡芤鹦〕潭鹊牟贿m。 因此，這些身體位置對于使用 可穿戴設(shè)備。

皮膚測量

用于連續(xù)溫度監(jiān)測的一個明顯、易于接近的身體位置是在皮膚上，即 人體最大的器官。方便的是，大多數(shù)消費(fèi)者可穿戴設(shè)備都戴在手腕上（因此與皮膚接觸）。但是，雖然在此位置進(jìn)行的溫度測量可能有助于監(jiān)測 瞬時變化（例如，由運(yùn)動或活動引起的變化）和日常趨勢，這不是準(zhǔn)確臨床監(jiān)測的理想位置。這是由于設(shè)備與心臟的距離以及暴露于 時間環(huán)境條件。手部的溫度比身體其他部位更低，變化更大。

更理想的方案是在身體的不同位置放置多個與皮膚接觸的監(jiān)視器，生成一個數(shù)據(jù)集，可用于計算更能反映整體體溫的值。 有趣的是，最近的研究表明，皮膚溫度的局部變化可能是疾病的標(biāo)志（例如惡性腫瘤）。更有可能在以下情況下檢測到這些局部溫度變化 使用多個監(jiān)視器。

溫度監(jiān)控器設(shè)計

可穿戴溫度監(jiān)測器需要電池、微控制器（適用于可穿戴應(yīng)用）和 溫度傳感器 IC（圖 2）。為了盡可能延長電池壽命，兩個 IC 都必須 消耗盡可能少的功率。為了最大限度地提高便攜性，同時最大限度地減少對佩戴者的不適，尺寸 兩者應(yīng)盡可能小。這種類型的監(jiān)視器通常連接到 身體使用粘性貼片。

圖2.溫度監(jiān)視器的構(gòu)建塊。

許多溫度傳感器 IC 的封裝底部都有一個金屬散熱焊盤（圖 3）。熱量是 從人體測量點(diǎn)傳導(dǎo)到導(dǎo)熱墊，然后IC將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示。

圖3.典型溫度傳感器 IC（底視圖）。

此焊盤的位置可能會導(dǎo)致兩個設(shè)計問題。首先，它位于包裝下方使其變得困難 PCB設(shè)計人員將金屬走線從與主體的接觸點(diǎn)布線，穿過電路板，再到焊盤。 其次，由于它與同一IC上的其他引腳非常接近，因此有可能寄生自發(fā)熱 發(fā)生，由流入和流出其他引腳的電流的加熱效應(yīng)引起。這可能會干擾 所需的體溫測量值。

除了這些設(shè)計問題，還有一個實(shí)際問題值得考慮。在多個溫度下測量溫度 身體位置需要同一顯示器的多個獨(dú)立實(shí)例，每個實(shí)例都有自己的電池（需要 定期充電/更換）、微控制器（必須從中檢索存儲的數(shù)據(jù)）和溫度傳感器 IC。 除了對佩戴者來說明顯不便，他們必須附上多個粘性貼片外，這是一個昂貴的， 效率低下且笨拙的方法。

菊花鏈

在多個位置測量體溫的更實(shí)用的方法。面料 這種貼身的運(yùn)動型服裝包含多個溫度傳感器 IC，這些傳感器 IC 連接在 單個電池和主機(jī)微控制器的菊花鏈布置。每個溫度傳感器都可以由 微控制器定期創(chuàng)建局部和全身溫度的曲線。

通過使用溫度傳感器IC，可以實(shí)現(xiàn)這種布置。

除了尺寸小（2mm x 2mm x 0.75mm）外，這款臨床級數(shù)字溫度傳感器IC還具有多個 與其他溫度傳感器相比的優(yōu)勢。

不是在封裝底部使用導(dǎo)熱墊，而是在封裝頂部測量溫度， 盡可能遠(yuǎn)離其引腳，最大限度地減少寄生自熱的可能性。如圖 6 所示， 該器件的一個創(chuàng)新特點(diǎn)是不需要安裝在專用PCB上。這意味著它可以 使用扁平柔性/打印機(jī)電纜 （FFC/FPC） 輕松連接到遠(yuǎn)程主機(jī)微控制器，允許多個傳感器舒適地嵌入并連接在可穿戴服裝的面料中。

圖6.傳感器連接到使用 FFC/FPC 的微控制器。

該傳感器在預(yù)期的人體溫度范圍內(nèi)（35.8°C 至 41°C）內(nèi)精度高達(dá) ±0.1°C 工作在寬電壓范圍 （1.7V 至 3.6V），測量期間僅消耗 60μA 電流和 0.5μA 在關(guān)閉中。它包括一個用于溫度數(shù)據(jù)的 32 字 FIFO（允許 CPU 休眠更長時間），并包括 高閾值和低閾值數(shù)字溫度報警。一個我2C 接口允許多個部件連接到 采用菊花鏈配置的微控制器（圖 7）。

圖7.使用I的多點(diǎn)溫度檢測2C.

其他傳感器可以通過使用 I 連接到菊花鏈2C 多路復(fù)用器（如果需要）（圖 8）。

圖8.我2C 多路復(fù)用器。

總結(jié)

對移動人員進(jìn)行連續(xù)、準(zhǔn)確的體溫監(jiān)測需要一種非常不同的方法來 在臨床環(huán)境中用于靜態(tài)患者的間歇性侵入性方法。 它需要位于皮膚表面多個位置的可穿戴溫度監(jiān)測器，最小 佩戴者的不適。在為此類應(yīng)用選擇溫度傳感器 IC 時，潛在的 應(yīng)保持由散熱墊位于封裝底部引起的寄生自熱 在腦海中。如前所述，可以通過選擇測量溫度的溫度傳感器IC來避免這種情況 在其包裝的頂部。我們還表明，由于該IC不需要PCB安裝，因此特別 適用于可穿戴服裝內(nèi)的遠(yuǎn)程多傳感器配置。其他應(yīng)用 這部分包括醫(yī)用溫度計和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

審核編輯：郭婷