人々の健康と環境に対する関心が高まるにつれ、温度感知の重要性が高まっています。医療用体温計やスマートウェアラブル健康モニタリングデバイスなど、多くのデバイスに温度検知機能が追加されており、その応用分野はますます広がっています。この記事では、非接触温度センサーの原理とスマートソリューション、およびMelexisが提供する関連ソリューションについて説明します。
MEMSサーモパイル技術を用いた非接触温度検知
非接触温度センシングは、赤外線 (IR) 波長範囲で放出されるエネルギーを検出できます。すべての物体はこのようにエネルギーを放出しているので、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。ただし、センサーのサイズが小さくなると、熱衝撃の影響を受けやすくなり、測定誤差や熱ノイズが発生する可能性があります。
現在、非接触温度センシングの主流技術は、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す。その動作原理は、すべての物体が熱遠赤外線 (FIR) 放射を放射するという事実に基づいています。
電子的な観点から見ると、サーモパイルは直列に接続された複数の熱電対で構成されています。これらの熱電対によって生成される電圧は2点間の温度差に比例し、この温度差を使用して相対温度を測定できます。MEMSサーモパイル センサーICには熱絶縁膜が組み込まれています。この熱膜は熱質量が低いため、入ってくる熱流を素早く吸収し、サーモパイルが報告できる温度差を生成します。基準サーミスタをMEMSシステムに統合することで、絶対温度測定が可能になります。
ウェアラブルデバイスでは温度センサーのサイズを大幅に縮小する必要がある
温度検知の役割はさまざまなアプリケーションでますます重要になってきており、多くのデバイスにこの機能が組み込まれています。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、耳の中に装着するデバイス（「ヒアラブル」と呼ばれることが多い）などのウェアラブルデバイスが含まれます。しかし、接触ベースの温度測定ソリューションでは、対象部位との熱接触が不十分であるという問題が頻繁に発生します。FIR原理に基づく非接触温度検知は、これらの新しいアプリケーションに最適です。それでも、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、特に在宅ケアの一環としてスマートフォンやウェアラブルなどのポータブルデバイスに温度測定が統合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。まず、センサーICコンポーネントは、さまざまなアプリケーションに対応できるほど小さくなければなりません。第二に、急激な熱衝撃の影響を緩和するために十分な熱容量を確保するために、センサーICコンポーネントを大きな金属ケースに取り付ける必要があります。
小型のFIRセンサーICをPCBに取り付けると、マイクロプロセッサやパワー トランジスタなどの近くの発熱部品からの熱にさらされる可能性があります。FIRセンサーICメーカーは、センシング要素を大きな金属缶 (TO-canパッケージなど) に配置することでこの問題を克服しようとします。金属の優れた蓄熱性と高い熱伝導性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できますが、このアプローチは熱特性が動的に変化する環境ではあまり効果的ではない可能性があります。さらに、TO-canパッケージは比較的大きく、ウェアラブルやヒアラブルなどの小型デバイスには適していないという課題もあります。
PCRにおける赤外線温度センサーの応用
ポリメラーゼ連鎖反応 (PCR) という用語は、誰もがよく知っているはずです。PCRの主な機能はDNAを増幅（複製）することであり、最も広く使用されているのは感染症の検出です。DNA/RNA内のウイルスや細菌などの病原体は、増幅後に患者のサンプルで検出できます。このアプリケーションはCOVID-19パンデミックの影響下で盛んに利用されており、PCR技術は他の多くの病原体の検出にも使用できます。
医療診断では多くの生化学的プロセスが使用されており、PCRはその一例にすぎません。温度に敏感な生化学反応を促進するには、「サーマルサイクラー」が必要です。サーマルサイクラーには、反応物質が入ったチューブを挿入できる穴が開いた1つまたは複数のサーマルブロックが装備されています。サーマルサイクラーの目的は、これらのチューブを事前に定義された温度プログラムにかけ、高速かつ正確な温度スイープを可能にすることです。一部のモデルでは、サーマル ブロックの温度勾配を制御して、さまざまなサンプルをさまざまな温度に配置することができます。この機能は主に研究段階で、温度サイクルの特定の重要なステップを最適化するために使用されます。
試験中は試験片が頻繁に交換されるため、製造業者が直接接触方式でチューブの温度を確実に測定することは困難です。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す。ここで赤外線温度センサーが役立ちます。赤外線温度センサーは非接触での温度測定を可能にするため、接触型温度計に比べて大きな利点があります。さらに、直接接触を避けることで、検体間の交差汚染のリスクが大幅に軽減されます。
現在、医療診断検査は急速に進化しており、専門の医療研究所に検体を送り、結果が出るまで数週間待つ必要があったものが、診療現場で行われるようになってきています。この変革において、赤外線温度センサーが重要な役割を果たします。赤外線温度センサーを使用することで、温度制御をより厳密にし、生化学反応プロセスをさらに微調整して、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、非接触温度測定用に設計された赤外線温度計です。IR感度サーモパイル検出器チップと信号調整ASICを同じTO-39缶パッケージ内に統合しています。MLX90614は、低ノイズ アンプ、17ビットADC、強力なDSPユニットを備えており、高精度かつ高解像度の温度測定を実現します。
MLX90614温度計は工場で校正されており、デジタルSMBus出力 (測定分解能0.02°C) を介して全温度範囲にわたって温度測定を提供します。ユーザーはデジタル出力をパルス幅変調 (PWM) として設定できます。標準では、10ビットPWMは、出力分解能0.14°Cで、-20 ～ 120°Cの範囲の測定温度を連続的に送信するように構成されています。
MLX90614は、小型、低コスト、統合の容易さなど、いくつかの利点を誇ります。センサー温度 -40°C ～ 125°C、物体温度 -70°C ～ 380°Cなど、広い温度範囲にわたって事前に校正されています。この広い温度範囲内での高精度は最大0.5°C (TaとToの両方で0°C ～ +50°Cの温度範囲内) です。必要に応じて、限られた温度範囲内で0.2°Cの医療グレードの精度を達成できます。視野オプションには5°、10°、35°、90° があり、測定範囲を決定できます。MLX90614はシングルゾーン バージョンとデュアルゾーン バージョンの両方を提供し、温度の読み取りとセンサー ネットワークの構築を容易にするSMBusと互換性のあるデジタル インターフェイスをサポートし、連続読み取り用にカスタマイズ可能なPWM出力を備え、3Vバージョンと5Vバージョンの両方で提供されます。簡単な調整で8V ～ 16Vのアプリケーションに適応でき、省電力モード、デジタル フィルタリング、さまざまなパッケージ オプションをサポートします。さらに、多様なアプリケーションや測定ニーズを満たす評価キットも用意されており、自動車グレードのアプリケーションにも対応しています。
高精度非接触小型SMD温度センサーIC
Melexis MLX90632は、高精度の非接触赤外線温度測定を可能にする小型SMD温度センサーICです。動的熱特性を持ち、スペースが限られている環境に特に適しています。この製品は高い安定性を備えており、医療グレードと消費者グレードの両方のバージョンが用意されています。
MLX90632は高温環境でも正確かつ確実に動作し、コンパクトな3mm x 3mm x 1mm QFNパッケージで提供されるため、かさばるTO CANパッケージは不要です。工場での校正にはI2Cデジタル インターフェースを使用し、50° の視野を備えています。プログラム可能なリフレッシュ レートの範囲は0.5Hz ～ 32Hzで、消費電流1mAの3.3V電源で動作します。デューティ サイクルは50µWで、1分間に1回の読み取りが行われます。動作温度範囲は -20°C ～ 85°Cで、データシートや評価キットとともにGitHubでドライバーが提供されています。
商用グレードのデバイスの場合、MLX90632は -20°C ～ 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、室温監視用のスタンドアロン 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監視製品などのアプリケーションで一般的に使用されます。
医療グレードのデバイスの場合、MLX90632は -20°C ～ 100°Cの物体温度測定を0.2 ±Cの高精度でサポートします。°医療グレードのアプリケーションには、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などがあります。
Melexisは、MLX90632赤外線温度センサー チップ (SMDパッケージ) を搭載し、PCへのシンプルなインターフェイスを提供する評価ボードEVB90632も提供しています。このPCBを使用すると、ユーザーはMLX90632センサーのテストをすばやく簡単に実行できます。EVB90632を使用すると、ユーザーはセンサーの内部設定にアクセスし、光学ウィンドウ補正定数、リフレッシュ レート、集積回路バス アドレスを変更することで、センサーを特定のアプリケーションに合わせて調整できます。
位置センサーアプリケーション向けの低電力バッテリー駆動型磁力計
Melexisは、コスト効率の高いバッテリー駆動アプリケーション向けに設計されたTriaxis® 磁力計MLX90397も発表しました。この3D磁力計は、磁場範囲が ±50mT、BZ適応範囲が ±200mTであり、位置センサー アプリケーション向けに特別に設計されています。MLX90397は消費電力が低く、スペースが限られたアプリケーションに適しているため、バッテリー駆動のアプリケーションに最適です。
MLX90397は動的にプログラム可能なパラメータをサポートし、チップの表面に対して垂直および平行の両方の磁束密度を感知できるモノリシック センサーです。このデバイスは、3軸 (X、Yはダイの表面と平行な平面、Zは表面に対して垂直) に沿って磁気測定を実行できます。ユーザーは、磁場BX、BY、BZを個別に測定するか、温度を測定するか、または組み合わせて測定するかを選択できます。これらの測定値はチップの温度とともに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。デバイスは補正された生の測定データを送信します。
MLX90397は、標準スタンバイ電流が7nAで、1.7 ～ 3.6 Vの電圧範囲で動作します。リセット ピンにより、MLX90397は超低スタンバイ電流消費を実現できるため、更新レートが低いアプリケーションに最適です。これにより、設計が簡素化され、部品コストが削減され、PCBスペースが節約されます。このセンサーのサイズはわずか2 mm x 2.5 mm x 0.4 mmで、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るため、スペースが限られたアプリケーションに有利であり、PCBレイアウトを簡素化できます。さらに、MLX90397は事前にプログラムされており、簡単に統合でき、-40°C ～ -105°Cの環境温度範囲内で動作するプラグアンドプレイ ソリューションを提供します。ウェアラブル デバイスにおけるMLX90397磁力計の使用例は、ノブ制御です。
結論
新しい小型温度センサーの導入により、高度に統合されたヘルスケア用ウェアラブル デバイスに温度センサーを統合することが可能になりました。これらのセンサーは、PCR検査のスピードアップやコスト削減にも使用できるため、大きな市場開発の可能性を秘めています。Melexisは、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できる小型温度センサーと磁力計を幅広く提供しており、関連製品を開発す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Webサイト こちら にアクセスして、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。