Gli smartphone e i monitor indossabili di oggi, come smartwatch e cinturini per il fitness, consentono alle persone di acquisire sempre più dati che riguardano le proprie vite, le attività e le condizioni fisiche. Stanno emergendo nuovi servizi abilitati da questo tipo di dati, che vanno dall'allenamento fitness di gruppo online alla telemedicina e all'assistenza agli anziani.
Richiesta di un migliore monitoraggio della temperatura
Mentre il monitoraggio di parametri vitali come la frequenza cardiaca è ora più user-friendly, tenere traccia di altri parametri quali la temperatura corporea, rimane piuttosto meno facile. I termometri che rimangono a contatto con il corpo sono scomodi e possono essere difficili da mantenere in posizione. D'altra parte, i sensori FIR (far infrared) senza contatto possono essere influenzati dal calore irradiato da fonti diverse dall'oggetto monitorato - quali componenti adiacenti come microprocessori o transistor di potenza - causando misurazioni della temperatura imprecise.
Per ovviare a questo problema, gli attuali sensori FIR senza contatto di ultima generazione sono generalmente forniti nel package TO-can. Il TO-can ha una massa termica significativa e un'elevata conducibilità termica, che si combinano per mitigare gli effetti di rapidi gradienti e shock termici. Tuttavia, i sensori impacchettati sono fisicamente grandi e pesanti e sono lenti a dare risposte in un ambiente termicamente dinamico. Non sono adatti per l'utilizzo in dispositivi di consumo come gli indumenti da polso e potrebbero precludere il monitoraggio della temperatura come caratteristica in prodotti emergenti, quali gli auricolari progettati per essere indossati nell'orecchio.
Piccolo, stabile e reattivo
È ora possibile realizzare sensori FIR molto più piccoli che sono anche stabili e precisi, sfruttando una combinazione di tecnologia di fabbricazione MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) ed elaborazione del segnale avanzata. L'elemento sensibile comprende una termopila e una sottile membrana termicamente isolata che possiede una piccola massa termica. La radiazione FIR in ingresso riscalda rapidamente la membrana, creando un differenziale di temperatura che la termopila può segnalare come differenza di temperatura. Un termistore di riferimento incorporato nel sistema MEMS consente al sensore di generare una misura di temperatura assoluta.
L'elaborazione del segnale basata su un'attenta modellazione e caratterizzazione di diversi scenari di disturbo termico, insieme a sofisticati algoritmi di compensazione, viene quindi applicata per rimuovere gli effetti termici indesiderati dall'uscita del sensore. In tal modo, la compensazione attiva implementata dall'elettronica e dal software può sostituire efficacemente gli effetti ottenuti passivamente utilizzando il TO-can in metallo.
Sensore di temperatura per dispositivi indossabili e altre applicazioni
Questo è l'approccio adottato da Melexis per creare l'MLX90632, un dispositivo QFN con dimensioni pari a 3 mm x 3 mm x 1 mm che è significativamente più piccolo degli attuali sensori TO-can di ultima generazione (Figura 1).
Figura 1. I sensori per la temperatura corporea non devono più essere alloggiati in grandi packages per garantire la stabilità termica
L'MLX90632 contiene una soluzione completa per il rilevamento della temperatura senza contatto, che include la termopila, un elemento per misurare la temperatura del sensore stesso e l'ottica essenziale, con elaborazione del segnale incorporata e un'interfaccia del sistema host digitale. L'MLX90632 è ottimizzato per il classico range di temperatura corporea umana e calibrato in fabbrica per garantire una precisione di livello medico pari a ± 0.2 °C.
Il segnale di tensione della termopila viene amplificato, digitalizzato e filtrato digitalmente prima di essere memorizzato nella RAM. La lettura dal sensore di temperatura di riferimento a bordo viene elaborata e memorizzata nello stesso modo. Una macchina a stati controlla la temporizzazione e la funzionalità del sensore e che i risultati di ciascuna misurazione e conversione vengano resi disponibili al sistema host tramite una connessione I2C. Il processore host può calcolare prontamente la temperatura target e del sensore partendo dai dati grezzi.
La Figura 2 confronta la risposta dell'MLX90632 e di un sensore TO-can di ultima generazione che monitora una sorgente di riferimento a una temperatura stabile di 40 °C. Vicino ai sensori è stata posizionata una forte fonte di calore esterna. Il secondo grafico mostra che la temperatura del sensore era di circa 2 °C all'inizio dell'esperimento e che la fonte di calore esterna ha prodotto uno shock termico di circa 60 °C/min.
Figura 2. Confronto delle prestazioni tra l'MLX90632 e un convenzionale sensore TO-can
Il primo grafico mostra che, nonostante l'inerzia termica dovuta al package TO-can, l'uscita del sensore convenzionale è fortemente disturbata dal riscaldamento esterno. Al contrario, l'uscita dell'MLX90632 compensato attivamente non devia di più di 0.25 °C, mostrando una stabilità notevolmente migliore.
Con le sue dimensioni ridotte e la risposta termica ottimizzata digitalmente, l'MLX90632 è adatto per l'uso in dispositivi indossabili e ricaricabili. Inoltre, può essere utilizzato anche in dispositivi medici portatili per il monitoraggio continuo della temperatura corporea, che viene spesso utilizzato nella medicina preventiva per rilevare precocemente condizioni di salute critiche, nonché in dispositivi più comuni come termometri frontali o auricolari. Infine, si adatta perfettamente alla tendenza del point-of-care per spostare la diagnosi dal laboratorio più vicino al paziente.
Web Link
Articolo originale in inglese al link: Stable Temperature Sensor in Wearable-Ready Packaging
