Die Prinzipien der Temperatursensortechnologie und ihre Anwendungen im Gesundheitswesen

Berührungslose Temperaturmessung mit MEMS-Thermoelement-Technologie

Berührungslose Temperatursensoren können Energie erkennen, die im Infrarotwellenlängenbereich (IR) ausgesendet wird. Jedes Objekt sendet auf diese Weise Energie aus, sodass wir die Temperatur eines Objekts berechnen können, indem wir diese Energie messen. Allerdings sind Sensoren, je kleiner sie werden, anfälliger für thermische Schocks, was zu Messfehlern und thermischem Rauschen führen kann.   Derzeit ist die gängige Technologie für berührungslose Temperaturmessung die integrierte MEMS-Thermopil-Technologie. Ein Thermopil ist ein elektronischer Sensor, der thermische Energie in ein elektrisches Signal umwandeln kann. Sein Funktionsprinzip basiert auf der Tatsache, dass alle Objekte thermische Ferninfrarotstrahlung (FIR) aussenden.   Aus elektronischer Sicht besteht ein Thermopil aus mehreren Thermoelementen, die in Reihe geschaltet sind. Die von diesen Thermoelementen erzeugte Spannung ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten, und diese Temperaturdifferenz kann verwendet werden, um die relative Temperatur zu messen. Ein MEMS-Thermopil-Sensor-IC integriert eine thermische Isolationsmembran. Da diese thermische Membran eine geringe thermische Masse aufweist, kann sie den einfallenden Wärmefluss schnell absorbieren und eine Temperaturdifferenz erzeugen, die das Thermopil erfassen kann. Durch die Integration eines Referenzthermistors in das MEMS-System kann eine absolute Temperaturmessung erzielt werden.

Tragbare Geräte erfordern eine signifikante Verkleinerung der Größe von Temperatursensoren

Die Bedeutung der Temperaturmessung hat in verschiedenen Anwendungsbereichen deutlich zugenommen, sodass viele Geräte mittlerweile diese Funktionalität integrieren. Zu diesen Geräten gehören Gesundheitsmonitore und tragbare Geräte wie smarte Brillen, smarte Armbänder und Geräte, die im Ohr getragen werden, oft als "Hearables" bezeichnet. Lösungen zur kontaktbasierten Temperaturmessung stoßen jedoch häufig auf Probleme mit schlechtem thermischem Kontakt zur Messstelle. Die kontaktlose Temperaturmessung basierend auf dem FIR-Prinzip eignet sich hervorragend für diese neuen Anwendungen. Dennoch erfordert sie eine signifikante Verkleinerung der Temperatursensoren.   Die Anwendungen der Temperaturmessung erweitern sich rasant, insbesondere durch die Integration der Temperaturmessung in tragbare Geräte wie Smartphones und Wearables im Rahmen der häuslichen Pflege. Allerdings stehen der Temperaturmessung zwei wesentliche Herausforderungen gegenüber. Erstens müssen die Sensor-IC-Komponenten klein genug sein, um für verschiedene Anwendungen geeignet zu sein. Zweitens müssen Sensor-IC-Komponenten in einem großen Metallgehäuse installiert werden, um ausreichend thermische Kapazität bereitzustellen und die Auswirkungen von schnellen Temperaturschocks zu minimieren.   Wenn kleine FIR-Sensor-ICs auf einer Leiterplatte montiert sind, können sie der Wärme ausgesetzt sein, die von benachbarten, wärmeerzeugenden Komponenten wie Mikroprozessoren oder Leistungstransistoren abgegeben wird. Hersteller von FIR-Sensor-ICs versuchen, dieses Problem zu lösen, indem sie das Sensorelement in einem großen Metallgehäuse (z.B. TO-Can-Gehäuse) unterbringen. Während der erhebliche Wärmespeicher und die hohe Wärmeleitfähigkeit von Metallgehäusen einen gewissen Schutz vor schnellen thermischen Gradienten und Schocks bieten können, ist dieser Ansatz möglicherweise nicht sehr effektiv in Umgebungen, in denen sich die thermischen Eigenschaften dynamisch ändern. Zudem stellt eine weitere Herausforderung dar, dass TO-Can-Gehäuse vergleichsweise groß sind und sich nicht für kleine Geräte wie Wearables und Hearables eignen.

Die Anwendung von Infrarot-Temperatursensoren bei der PCR

Ich glaube, jeder sollte mit dem Begriff Polymerase-Kettenreaktion (PCR) sehr vertraut sein. Die Hauptfunktion der PCR besteht darin, DNA zu amplifizieren (duplizieren), und ihre weitverbreitetste Anwendung liegt in der Erkennung von Infektionen. Pathogene wie Viren oder Bakterien in DNA/RNA können in Patientenproben nach der Amplifikation nachgewiesen werden. Diese Anwendung hat sich unter dem Einfluss der COVID-19-Pandemie stark verbreitet, und die PCR-Technologie kann auch zur Erkennung vieler anderer Pathogene eingesetzt werden.   Viele biochemische Prozesse werden in der medizinischen Diagnostik verwendet, und PCR ist nur ein Beispiel dafür. Um temperaturabhängige biochemische Reaktionen zu beschleunigen, wird ein „Thermocycler“ benötigt. Der Thermocycler ist mit einem oder mehreren thermischen Blöcken ausgestattet, die Löcher enthalten, in die Reaktionsgefäße mit Reagenzien eingesetzt werden können. Das Ziel des Thermocyclers ist es, diese Röhrchen einem vordefinierten Temperaturprogramm zu unterziehen, um schnelle und präzise Temperaturschwankungen zu ermöglichen. Einige Modelle unterstützen die Steuerung des Temperaturgradienten innerhalb des thermischen Blocks, um verschiedene Proben bei unterschiedlichen Temperaturen zu platzieren. Diese Funktion wird hauptsächlich in der Forschungsphase genutzt, um bestimmte kritische Schritte im Temperaturzyklus zu optimieren.   Während des Testens werden Proben häufig gewechselt, was es für Hersteller schwierig macht, die Temperatur der Röhrchen mithilfe der direkten Kontaktmethode zuverlässig zu messen. Eine strenge Kontrolle des Temperaturzyklus erfordert präzise Sensoreingaben, und hier kommt die Rolle von Infrarot-Temperatursensoren ins Spiel. Sie ermöglichen berührungslose Temperaturmessungen, was im Vergleich zu kontaktbasierten Thermometern einen erheblichen Vorteil darstellt. Darüber hinaus wird durch das Vermeiden direkten Kontakts das Risiko einer Kreuzkontamination zwischen den Proben erheblich reduziert.   Derzeit entwickelt sich die medizinische Diagnostik rasant weiter, wobei sich der Fokus von der Notwendigkeit, Proben an spezialisierte medizinische Labore zu schicken und Wochen auf Ergebnisse zu warten, hin zur Point-of-Care-Diagnostik verschiebt. In dieser Transformation spielen Infrarot-Temperatursensoren eine entscheidende Rolle. Durch den Einsatz von Infrarot-Temperatursensoren kann die Temperaturkontrolle strenger gestaltet werden, wodurch die biochemischen Reaktionsprozesse weiter optimiert werden. Dies führt zu schnelleren, genaueren und zuverlässigeren Diagnosen.

Ein vielseitiges und hochintegriertes Infrarotthermometer

Das Melexis MLX90614 ist ein Infrarot-Thermometer, das für berührungslose Temperaturmessungen entwickelt wurde. Es integriert den IR-empfindlichen Thermopile-Detektorchip und den Signalaufbereitungs-ASIC in einem gemeinsamen TO-39-Gehäuse. Das MLX90614 verfügt über einen rauscharmen Verstärker, einen 17-Bit-ADC und eine leistungsstarke DSP-Einheit, die sowohl hochpräzise als auch hochauflösende Temperaturmessungen ermöglichen.   Das MLX90614-Thermometer wird ab Werk kalibriert geliefert und bietet Temperaturmessungen über den gesamten Temperaturbereich über eine digitale SMBus-Ausgabe (mit einer Messauflösung von 0,02°C). Benutzer können die digitale Ausgabe als Pulsbreitenmodulation (PWM) konfigurieren. Standardmäßig ist das 10-Bit-PWM so eingestellt, dass es kontinuierlich die gemessene Temperatur im Bereich von -20 bis 120°C mit einer Ausgabegenauigkeit von 0,14°C überträgt.   Das MLX90614 bietet mehrere Vorteile, darunter seine geringe Größe, niedrige Kosten und einfache Integration. Es ist über einen weiten Temperaturbereich vorab kalibriert, einschließlich Sensortemperaturen von -40°C bis 125°C und Objekttemperaturen von -70°C bis 380°C. Seine hohe Genauigkeit innerhalb dieses breiten Temperaturbereichs liegt bei bis zu 0,5°C (innerhalb des Temperaturbereichs von 0°C bis +50°C für sowohl Ta als auch To). Bei Bedarf kann es eine medizinische Genauigkeit von 0,2°C innerhalb eines begrenzten Temperaturbereichs erreichen. Die Optionen für das Sichtfeld umfassen 5°, 10°, 35° und 90°, was es Ihnen ermöglicht, den Messbereich festzulegen. Das MLX90614 bietet sowohl Einzel- als auch Doppelzonen-Versionen, unterstützt eine digitale Schnittstelle, die mit SMBus kompatibel ist, für einfache Temperaturmessung und den Aufbau eines Sensornetzwerks, verfügt über einen anpassbaren PWM-Ausgang für kontinuierliche Messungen und ist in 3V- und 5V-Versionen erhältlich. Es kann durch einfache Anpassungen auf Anwendungen im Bereich von 8V bis 16V abgestimmt werden und unterstützt stromsparende Modi, digitale Filterung und verschiedene Verpackungsoptionen. Darüber hinaus sind Evaluierungskits verfügbar, um unterschiedliche Anwendungs- und Messanforderungen zu erfüllen, und es ist für den Einsatz in Automobilanwendungen zertifiziert.

Ein hochpräziser berührungsloser Miniatur-SMD-Temperatursensor-IC

Der Melexis MLX90632 ist ein miniaturisierter SMD-Temperatursensor-IC, der hochpräzise, berührungslose Infrarot-Temperaturmessungen ermöglicht. Er ist besonders geeignet für Umgebungen mit dynamischen thermischen Eigenschaften und bei begrenztem Platzangebot. Das Produkt bietet eine hohe Stabilität und ist sowohl in einer medizinischen als auch in einer verbraucherorientierten Ausführung erhältlich.   Der MLX90632 arbeitet genau und zuverlässig in Hochtemperaturumgebungen und wird in einem kompakten 3mm x 3mm x 1mm QFN-Gehäuse geliefert, wodurch auf sperrige TO-Gehäuse verzichtet werden kann. Er verwendet eine I2C-Digital-Schnittstelle für die werkseitige Kalibrierung und verfügt über einen Sichtwinkel von 50°. Die programmierbare Aktualisierungsrate reicht von 0,5 Hz bis 32 Hz, und er wird mit einer 3,3-V-Stromversorgung betrieben, bei einem Stromverbrauch von 1mA. Der Duty Cycle beträgt 50µW bei einer Messung pro Minute. Der Betriebstemperaturbereich liegt zwischen -20°C und 85°C, und auf GitHub stehen Treiber sowie Datenblätter und Evaluierungskits zur Verfügung.   Für Geräte in Verbraucherqualität unterstützt der MLX90632 die Messung von Objekttemperaturen zwischen -20°C und 200°C mit einer Genauigkeit von ±1°C. Solche Geräte werden häufig in Anwendungen wie Haushaltsgeräten, eigenständigen intelligenten Thermostaten zur Raumtemperaturüberwachung und Produkten zur Überwachung der Umgebungstemperatur, die in tragbare elektronische Geräte integriert sind, verwendet.   Für Geräte in medizinischer Qualität unterstützt der MLX90632 die Messung von Objekttemperaturen zwischen -20°C und 100°C mit einer hohen Genauigkeit von ±0,2°C. Anwendungen im medizinischen Bereich umfassen Ohrthermometer, tragbare Gesundheitsüberwachungsgeräte und Point-of-Care-Anwendungen.   Melexis bietet außerdem eine Evaluierungsplatine, die EVB90632, an, die den MLX90632 Infrarot-Temperatursensor-Chip (SMD-Gehäuse) enthält und eine einfache Schnittstelle zu einem PC bereitstellt. Diese Leiterplatte ermöglicht es Nutzern, schnelle und einfache Tests des MLX90632-Sensors durchzuführen. Mit der EVB90632 können Benutzer auf interne Sensoreinstellungen zugreifen und den Sensor an spezifische Anwendungen anpassen, indem sie die optischen Fensterkompensationskonstanten, die Aktualisierungsraten und die Bus-Adresse des integrierten Schaltkreises ändern.

Niedrigenergie-Batteriebetriebene Magnetometer für Positionssensor-Anwendungen

Melexis hat auch den MLX90397 eingeführt, einen Triaxis®-Magnetometer, der für kosteneffiziente batteriebetriebene Anwendungen entwickelt wurde. Dieser 3D-Magnetometer ist speziell auf Anwendungen als Positionssensor zugeschnitten, mit einem Magnetfeldbereich von ±50mT und einem adaptiven BZ-Bereich von ±200mT. Der MLX90397 bietet einen geringen Stromverbrauch und eignet sich für platzbeschränkte Anwendungen, was ihn zur idealen Wahl für batteriebetriebene Anwendungen macht.   Der MLX90397 unterstützt dynamisch programmierbare Parameter und ist ein monolithischer Sensor, der magnetische Flussdichten sowohl senkrecht als auch parallel zur Chip-Oberfläche messen kann. Das Gerät kann magnetische Messungen entlang der drei Achsen durchführen (X, Y in einer Ebene parallel zur Oberfläche des Chips, Z senkrecht zur Oberfläche). Benutzer können wählen, ob sie magnetische Felder BX, BY, BZ einzeln, die Temperatur oder kombinierte Messungen erfassen möchten. Diese Messwerte zusammen mit der Temperatur des Chips werden in 16-Bit-Daten umgewandelt und auf Anfrage über den I2C-Kommunikationskanal übertragen. Das Gerät überträgt kompensierte Rohmessdaten.   Der MLX90397 zeichnet sich durch einen typischen Standby-Strom von 7 nA aus und arbeitet mit einer Spannung zwischen 1,7 und 3,6 V. Der Reset-Pin ermöglicht es dem MLX90397, einen extrem niedrigen Standby-Stromverbrauch zu erreichen, wodurch er sich ideal für Anwendungen mit niedrigen Aktualisierungsraten eignet. Das vereinfacht das Design, reduziert die Materialkosten und spart Platz auf der Platine. Der Sensor misst nur 2 mm x 2,5 mm x 0,4 mm und wird in einem UTDFN-8-Gehäuse geliefert – einem ultradünnen, flachen, bleifreien 8-Pin-Gehäuse, das für platzbeschränkte Anwendungen von Vorteil ist und einfachere Leiterplattenlayouts ermöglicht. Darüber hinaus wird der MLX90397 vorprogrammiert geliefert und bietet eine Plug-and-Play-Lösung, die leicht zu integrieren ist und in einem Umgebungstemperaturbereich von -40°C bis -105°C betrieben werden kann. Der Einsatzbereich des MLX90397-Magnetometers in Wearables ist die Einstellung von Drehreglern.

Fazit

Die Einführung neuer, miniaturisierter Temperatursensoren hat es ermöglicht, die Temperaturmessung in hochintegrierte tragbare Gesundheitsgeräte zu integrieren. Diese Sensoren können auch dazu verwendet werden, PCR-Tests zu beschleunigen und Kosten zu reduzieren, wodurch ein erhebliches Entwicklungspotenzial für den Markt entsteht. Melexis bietet eine Reihe miniaturisierter Temperatursensoren und Magnetometer an, die die Größe und den Stromverbrauch tragbarer Geräte erheblich reduzieren können und damit eine ideale Wahl für Hersteller darstellen, die entsprechende Produkte entwickeln. Besuchen Sie die Melexis-Website, um den Auswahlleitfaden für Temperatursensoren herunterzuladen und den Temperatursensor zu finden, der Ihre Anforderungen am besten erfüllt.