温度传感技术原理及其在医疗保健中的应用

使用MEMS热电堆技术的非接触式温度传感

非接触温度传感可以检测在红外（IR）波长范围内发射的能量。每个物体都会以这种方式发射能量，因此我们可以通过测量这种能量来计算物体的温度。然而，随着传感器尺寸的减小，它们更容易受到热冲击的影响，这可能导致测量误差和热噪声。   目前，非接触温度传感的主流技术是集成MEMS热电堆技术。热电堆是一种可以将热能转换为电信号的电子传感器。其工作原理基于所有物体都会发射热远红外（FIR）辐射这一事实。   从电子学的角度来看，热电堆由多个热电偶串联组成。这些热电偶产生的电压与两点之间的温差成正比，而这种温差可以用来测量相对温度。MEMS热电堆传感器IC集成了一个热隔离膜。由于该热隔离膜具有低热质量，它可以快速吸收传入的热通量，从而产生一个温差，该温差可由热电堆报告。通过将一个参考热敏电阻集成到MEMS系统中，可以获得绝对温度测量。

可穿戴设备需要大幅缩小温度传感器的尺寸

温度感应在各种应用中的作用变得越来越重要，因此许多设备都引入了这一功能。这些设备包括健康监测仪和可穿戴设备，例如智能眼镜、智能腕带以及佩戴在耳内的设备，通常被称为“可听设备”（hearables）。然而，基于接触的温度测量解决方案经常由于与目标部位的热接触不良而面临问题。基于FIR（远红外）原理的非接触温度感应非常适合这些新型应用，但要求大幅缩小温度传感器的尺寸。   温度测量的应用正在迅速扩大，特别是在将温度测量集成到智能手机和可穿戴设备等便携设备中，用于家庭护理时。然而，温度测量面临两个主要挑战。首先，传感器IC组件必须足够小，以适应各类应用。其次，传感器IC组件需要安装在大型金属壳体内，以提供足够的热容量，从而减轻快速热冲击的影响。   如果小型FIR传感器IC安装在PCB上，它们可能会受到来自附近发热组件（如微处理器或功率晶体管）的热量影响。FIR传感器IC制造商试图通过将感应元件放置在大型金属壳（如TO封装）中来解决这一问题。尽管金属壳体的高热存储能力和高导热率可以在一定程度上防止快速热梯度和热冲击，这种方法在热特性动态变化的环境中可能不够有效。此外，一个挑战是TO封装相对较大，不适用于像可穿戴设备和可听设备这样的小型设备。

红外温度传感器在PCR中的应用

我相信大家对“聚合酶链式反应”（Polymerase Chain Reaction，简称PCR）这个术语都非常熟悉。PCR的主要功能是扩增（复制）DNA，而它最广泛的应用是检测感染。通过扩增后，可以在患者样本中检测到DNA/RNA中的病原体，例如病毒或细菌。COVID-19疫情的影响下，这一应用得到了极大的发展，此外，PCR技术还可以用来检测许多其他的病原体。   在医学诊断中使用了许多生化过程，PCR只是一个例子。为了加速对温度敏感的生化反应，需要一种“热循环仪”。热循环仪配备了一个或多个具有孔洞的热模块，可以将装有反应物的试管插入其中。热循环仪的目的是让这些试管经历一个预设的温度程序，实现快速且精准的温度变化。有些型号支持控制热模块的温度梯度，从而可以将不同的样本放置在不同的温度条件下。这种功能主要在研究阶段用于优化温度循环过程中某些关键步骤。   在测试过程中，样本经常被更换，这使得制造商通过直接接触法可靠地测量试管温度变得具有挑战性。严格控制温度循环依赖于精确的传感器输入，而这正是红外温度传感器发挥作用的地方。它们能实现非接触式温度测量，与接触式温度计相比，这是一个显著的优势。此外，避免直接接触还显著降低了样本之间交叉污染的风险。   目前，医学诊断检测正在快速演变，从需要将样本送至专业医疗实验室并等待数周出结果，转变为在“即时检测”（point-of-care, POC）下完成。在这种转型中，红外温度传感器扮演着至关重要的角色。通过使用红外温度传感器，温度控制可以更加严格，从而进一步优化生化反应过程，最终实现更快速、更精准、更可靠的诊断。

一款多功能且高度集成的红外测温仪

Melexis MLX90614 是一款红外测温仪，专为非接触式温度测量而设计。它将红外热电堆探测芯片和信号调理 ASIC 集成在同一个 TO-39 封装中。MLX90614 具有低噪声放大器、17 位 ADC 和强大的 DSP 单元，可提供高精度和高分辨率的温度测量。   MLX90614 测温仪出厂时已校准，通过数字 SMBus 输出（测量分辨率为 0.02°C），覆盖整个温度测量范围。用户可以将数字输出配置为脉宽调制（PWM）。标准情况下，10 位 PWM 被设置为连续传输测量温度，范围为 -20°C 至 120°C，输出分辨率为 0.14°C。   MLX90614 拥有众多优势，包括小巧的体积、低成本以及易于集成。它在广泛的温度范围内预先校准，包括传感器温度范围 -40°C 至 125°C，以及物体温度范围 -70°C 至 380°C。在这一广泛的温度范围内，它的高精度可达 0.5°C（在 Ta 和 To 0°C 至 +50°C 范围内）。在需要时，它甚至可以在有限的温度范围内实现高达 0.2°C 的医疗级精度。它的视场选项包括 5°、10°、35° 和 90°，允许用户确定测量范围。MLX90614 提供单区和双区版本，支持与 SMBus 兼容的数字接口以方便读取温度和构建传感器网络，具有可定制的 PWM 输出以实现连续读取，并有 3V 和 5V 两种版本。通过简单调整，它可以适配于 8V 至 16V 的应用场景，同时支持节能模式、数字滤波以及多种封装选项。此外，还提供评估套件，以满足各种应用和测量需求，并获得汽车级应用认证。

高精度非接触式微型贴片温度传感器IC

Melexis MLX90632 是一款微型表面贴装温度传感器IC，可实现高精度的非接触式红外温度测量。它特别适合热动态特性环境以及空间有限的应用场景。该产品具有高度稳定性，并提供医疗级和消费级版本。   MLX90632 能够在高温环境中精确可靠地运行，采用紧凑的3mm x 3mm x 1mm QFN封装，不再需要笨重的TO管封装。它使用I2C数字接口进行工厂校准，具有50°的视场角。其可编程刷新率范围为0.5Hz至32Hz，运行电压为3.3V，电流消耗为1mA。在每分钟读取一次的情况下，其占空比为50μW。工作温度范围为-20°C至85°C，同时在GitHub上提供了驱动程序，还有数据表和评估套件。   对于商业级设备，MLX90632 支持测量-20°C至200°C的物体温度，精度为±1°C。这些设备通常用于诸如白色家电、用于室温监控的独立智能恒温器，以及集成到便携式电子设备中的环境温度监控产品中。   对于医疗级设备，MLX90632 支持测量-20°C至100°C的物体温度，并具有±0.2°C的高精度。医疗级应用包括耳温计、健康监测可穿戴设备以及即时护理应用。   Melexis 同时提供一款评估板，EVB90632，其包含MLX90632红外温度传感器芯片（表面贴装封装），并提供与PC的简单接口。该PCB使用户能够快速轻松地测试MLX90632传感器。EVB90632允许用户访问传感器内部设置，并通过更改光学窗口补偿常数、刷新率以及集成电路总线地址来将传感器调整到特定应用中。

适用于位置传感器应用的低功耗电池供电磁力计

Melexis 还推出了 MLX90397，这是一款为经济高效的电池供电应用设计的 Triaxis® 磁力计。该 3D 磁力计专为位置传感器应用量身打造，具有±50mT 的磁场范围和±200mT 的 BZ 自适应范围。MLX90397 功耗低，适用于空间受限的应用，是电池供电应用的理想选择。   MLX90397 支持动态可编程参数，是一款单片传感器，可以感应垂直于芯片表面和与芯片表面平行的磁通密度。该设备能够沿三个轴(X 和 Y 平行于芯片表面平面，Z 垂直于芯片表面)执行磁场测量。用户可以选择单独测量磁场 BX、BY、BZ 或温度，也可以进行组合测量。测量结果及芯片的温度被转换为 16 位数据，并通过 I2C 通信通道根据请求发送。该装置传输的是经过补偿的原始测量数据。   MLX90397 的典型待机电流为 7nA，工作电压范围为 1.7 到 3.6 V。其复位引脚使 MLX90397 能实现超低待机电流消耗，非常适合低更新速率的应用。它简化了设计、降低了物料成本，并节约了 PCB 空间。传感器尺寸仅为 2 mm x 2.5 mm x 0.4 mm，采用 UTDFN-8 超薄平面无引脚 8 引脚封装，非常适合空间受限的应用，可实现更简单的 PCB 布局。此外，MLX90397 提供预编程，提供一种即插即用的解决方案，易于集成，并可在 -40°C 至 -105°C 的环境温度范围内运行。MLX90397 磁力计在可穿戴设备中的应用案例是旋钮控制。

结论

新型微型化温度传感器的引入使得将温度感应集成到高度集成的医疗可穿戴设备中成为可能。这些传感器还能用于加速PCR检测并降低成本，展现出显著的市场发展潜力。Melexis 提供一系列微型化温度传感器和磁力计，可大幅缩小可穿戴设备的尺寸并降低其能耗，是开发相关产品的制造商的理想选择。您可以访问 Melexis 网站这里下载温度传感器选择指南并找到最适合您需求的温度传感器。