Los principios de la tecnología de detección de temperatura y sus aplicaciones en el sector sanitario

Detección de temperatura sin contacto utilizando tecnología de termopila MEMS

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.

Los dispositivos wearables requieren una reducción significativa en el tamaño de los sensores de temperatura

El papel de la detección de temperatura se ha vuelto cada vez más importante en diversas aplicaciones, lo que ha llevado a muchos dispositivos a incorporar esta funcionalidad. Estos dispositivos incluyen monitores de salud y dispositivos portátiles como gafas inteligentes, pulseras inteligentes y dispositivos usados dentro del oído, frecuentemente denominados "hearables". Sin embargo, las soluciones de medición de temperatura por contacto suelen enfrentarse a problemas de mal contacto térmico con el sitio de interés. La detección de temperatura sin contacto basada en el principio FIR es muy adecuada para estas nuevas aplicaciones. Sin embargo, requiere una reducción significativa en el tamaño de los sensores de temperatura.   Las aplicaciones de la medición de temperatura se están expandiendo rápidamente, especialmente con la integración de la medición de temperatura en dispositivos portátiles como smartphones y wearables como parte del cuidado en el hogar. Sin embargo, la medición de la temperatura enfrenta dos desafíos principales. Primero, los componentes IC del sensor deben ser lo suficientemente pequeños para diversas aplicaciones. Segundo, los componentes IC del sensor necesitan instalarse en una carcasa metálica grande para proporcionar suficiente capacidad térmica y mitigar el impacto de los choques térmicos rápidos.   Si los pequeños IC de sensores FIR se montan en una PCB, pueden estar expuestos al calor generado por componentes cercanos que generan calor, como microprocesadores o transistores de potencia. Los fabricantes de IC de sensores FIR intentan superar este problema colocando el elemento sensor en una lata metálica grande (por ejemplo, un encapsulado TO-can). Si bien el almacenamiento significativo de calor y la alta conductividad térmica de la lata metálica pueden proporcionar cierta protección contra gradientes térmicos rápidos y choques, este enfoque puede no ser muy efectivo en entornos donde las características térmicas cambian dinámicamente. Además, un desafío es que los encapsulados TO-can son relativamente grandes y no son adecuados para dispositivos pequeños como wearables y hearables.

La aplicación de sensores de temperatura infrarrojos en PCR

Creo que todos deberían estar muy familiarizados con el término Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR). La función principal de la PCR es amplificar (duplicar) el ADN, y su aplicación más extendida es en la detección de infecciones. Los patógenos como virus o bacterias en ADN/ARN pueden detectarse en muestras de pacientes después de la amplificación. Esta aplicación ha florecido bajo el impacto de la pandemia de COVID-19, y la tecnología PCR también se puede utilizar para detectar muchos otros patógenos.   Muchos procesos bioquímicos se utilizan en diagnósticos médicos, y la PCR es solo un ejemplo. Para agilizar las reacciones bioquímicas sensibles a la temperatura, se necesita un "termociclador". El termociclador está equipado con uno o varios bloques térmicos con orificios en los que se pueden insertar tubos que contienen los reactivos. El propósito del termociclador es someter estos tubos a un programa de temperatura predefinido, permitiendo cambios de temperatura rápidos y precisos. Algunos modelos permiten controlar el gradiente de temperatura del bloque térmico para colocar diferentes muestras a diferentes temperaturas. Esta funcionalidad se usa principalmente en la fase de investigación para optimizar ciertos pasos críticos del ciclo de temperatura.   Durante las pruebas, las muestras con frecuencia se reemplazan, lo que dificulta que los fabricantes midan de manera confiable la temperatura de los tubos mediante el método de contacto directo. El control estricto del ciclo de temperatura depende de entradas precisas de sensores, y aquí es donde entra en juego el papel de los sensores de temperatura infrarrojos. Estos sensores permiten mediciones de temperatura sin contacto, lo cual es una ventaja significativa en comparación con los termómetros basados en contacto. Además, evitar el contacto directo reduce significativamente el riesgo de contaminación cruzada entre muestras.   Actualmente, las pruebas de diagnóstico médico están evolucionando rápidamente, pasando de la necesidad de enviar muestras a laboratorios médicos especializados y esperar semanas por los resultados al punto de atención. En esta transformación, los sensores de temperatura infrarrojos juegan un papel crucial. Al utilizar sensores de temperatura infrarrojos, el control de temperatura puede ser más riguroso, afinando aún más los procesos de reacciones bioquímicas, lo que conduce a diagnósticos más rápidos, precisos y confiables.

Un termómetro infrarrojo versátil y altamente integrado

El Melexis MLX90614 es un termómetro infrarrojo diseñado para mediciones de temperatura sin contacto. Integra el chip detector termopila sensible a IR y el ASIC de acondicionamiento de señal dentro del mismo encapsulado TO-39. El MLX90614 cuenta con un amplificador de bajo ruido, un ADC de 17 bits y una potente unidad DSP, ofreciendo mediciones de temperatura con alta precisión y resolución.   El termómetro MLX90614 viene calibrado de fábrica y ofrece mediciones de temperatura a lo largo de todo el rango de temperatura a través de una salida digital SMBus (con una resolución de medición de 0.02°C). Los usuarios pueden configurar la salida digital como modulación por ancho de pulso (PWM). Como estándar, el PWM de 10 bits está configurado para transmitir continuamente la temperatura medida en un rango de -20 a 120°C, con una resolución de salida de 0.14°C.   El MLX90614 cuenta con varias ventajas, incluyendo su tamaño compacto, bajo costo y facilidad de integración. Está pre-calibrado en un amplio rango de temperaturas, incluyendo temperaturas del sensor de -40°C a 125°C y temperaturas de objetos de -70°C a 380°C. Su alta precisión dentro de este amplio rango de temperaturas es de hasta 0.5°C (dentro del rango de temperatura de 0°C a +50°C tanto para Ta como para To). Puede alcanzar una precisión de grado médico de 0.2°C dentro de un rango de temperatura limitado cuando se requiere. Las opciones de campo de visión incluyen 5°, 10°, 35° y 90°, permitiendo determinar el rango de medición. El MLX90614 ofrece versiones de una y dos zonas, soporta una interfaz digital compatible con SMBus para facilitar la lectura de temperatura y la construcción de redes de sensores, cuenta con salida PWM personalizable para lecturas continuas, y está disponible en versiones de 3V y 5V. Puede adaptarse a aplicaciones que van de 8V a 16V con ajustes simples y soporta modos de ahorro de energía, filtrado digital y varias opciones de encapsulado. Además, se encuentran disponibles kits de evaluación para satisfacer diversas necesidades de aplicación y medición, y está calificado para aplicaciones de grado automotriz.

Un sensor de temperatura IC SMD en miniatura de alta precisión y sin contacto

El Melexis MLX90632 es un sensor de temperatura IC en miniatura en formato SMD que permite una medición de temperatura infrarroja sin contacto de alta precisión. Es particularmente adecuado para entornos con características térmicas dinámicas y donde el espacio es limitado. El producto ofrece alta estabilidad y está disponible en versiones de grado médico y de consumo.   El MLX90632 funciona con precisión y fiabilidad en entornos de alta temperatura y viene en un paquete QFN compacto de 3mm x 3mm x 1mm, eliminando la necesidad de paquetes voluminosos tipo TO can. Utiliza una interfaz digital I2C para calibración de fábrica y cuenta con un campo de visión de 50°. La tasa de actualización programable varía de 0.5Hz a 32Hz, y opera con un suministro de 3.3V y un consumo de corriente de 1mA. El ciclo de trabajo es de 50µW con una lectura por minuto. Su rango de temperatura de operación es de -20°C a 85°C, y hay drivers disponibles en GitHub junto con hojas de datos y kits de evaluación.   Para dispositivos de grado comercial, el MLX90632 admite la medición de temperatura de objetos de -20°C a 200°C con una precisión de ±1°C. Estos dispositivos se utilizan comúnmente en aplicaciones como electrodomésticos, termostatos inteligentes independientes para monitoreo de temperatura ambiental, y productos de monitoreo de temperatura integrados en dispositivos electrónicos portátiles.   Para dispositivos de grado médico, el MLX90632 admite la medición de temperatura de objetos de -20°C a 100°C con una alta precisión de ±0.2°C. Las aplicaciones de grado médico incluyen termómetros de oído, dispositivos portátiles de monitoreo de salud y aplicaciones en puntos de atención.   Melexis también ofrece una placa de evaluación, EVB90632, que incluye el chip del sensor de temperatura infrarrojo MLX90632 (paquete SMD) y proporciona una interfaz sencilla a una PC. Este PCB permite a los usuarios realizar pruebas rápidas y sencillas en el sensor MLX90632. El EVB90632 permite a los usuarios acceder a configuraciones internas del sensor y ajustar el sensor a aplicaciones específicas cambiando las constantes de compensación de la ventana óptica, las tasas de actualización y la dirección del bus del circuito integrado.

Magnetómetros de bajo consumo alimentados por batería para aplicaciones de sensores de posición

Melexis también ha introducido el MLX90397, un magnetómetro Triaxis® diseñado para aplicaciones alimentadas por batería de forma rentable. Este magnetómetro 3D está específicamente adaptado para aplicaciones de sensores de posición, con un rango de campo magnético de ±50mT y un rango adaptativo BZ de ±200mT. El MLX90397 ofrece bajo consumo de energía y es adecuado para aplicaciones con limitaciones de espacio, lo que lo convierte en una opción ideal para aplicaciones alimentadas por batería.   El MLX90397 admite parámetros programables dinámicamente y es un sensor monolítico que puede detectar la densidad de flujo magnético tanto perpendicular como paralela a la superficie del chip. El dispositivo puede realizar mediciones magnéticas a lo largo de los 3 ejes (X, Y están en un plano paralelo a la superficie del chip, Z es perpendicular a la superficie). Los usuarios pueden elegir medir campos magnéticos BX, BY, BZ individualmente, o la temperatura, o realizar mediciones combinadas. Estas mediciones, junto con la temperatura del chip, se convierten en datos de 16 bits y se transmiten a través del canal de comunicación I2C bajo demanda. El dispositivo transmite datos de medición crudos y compensados.   El MLX90397 cuenta con una corriente típica en modo de espera de 7nA y opera en un rango de tensión de 1.7 a 3.6 V. El pin de reinicio permite al MLX90397 lograr un consumo de corriente ultrabajo en modo de espera, haciéndolo muy adecuado para aplicaciones de baja frecuencia de actualización. Esto simplifica el diseño, reduce los costos de la lista de materiales y ahorra espacio en la PCB. El sensor mide solo 2 mm x 2.5 mm x 0.4 mm y se presenta en un paquete UTDFN-8 ultradelgado, plano, sin plomo y de 8 pines, lo cual es ventajoso para aplicaciones con limitaciones de espacio, permitiendo diseños de PCB más simples. Además, el MLX90397 viene preprogramado, proporcionando una solución plug-and-play que es fácil de integrar y funciona dentro de un rango de temperatura ambiental de -40°C a -105°C. El caso de uso del magnetómetro MLX90397 en dispositivos portátiles es el control de perillas.

Conclusión

La introducción de nuevos sensores de temperatura miniaturizados ha hecho posible integrar la detección de temperatura en dispositivos de atención médica portátiles altamente integrados. Estos sensores también se pueden utilizar para acelerar las pruebas de PCR y reducir costos, ofreciendo un potencial significativo de desarrollo de mercado. Melexis ofrece una gama de sensores de temperatura miniaturizados y magnetómetros que pueden reducir considerablemente el tamaño y el consumo de energía de los dispositivos portátiles, convirtiéndolos en una opción ideal para los fabricantes que desarrollan productos relacionados. Puede visitar el sitio web de Melexis aquí para descargar la guía de selección de sensores de temperatura y encontrar el sensor de temperatura que mejor se adapte a sus necesidades.