Geräte zur Gesundheitspflege für den Heimgebrauch erfreuen sich zunehmender Beliebtheit. Sie sind nicht nur praktischer für Patienten und Angehörige, sondern bieten auch eine Echtzeit-Übersicht über den Gesundheitszustand und liefern verwertbare Daten, die zur Verbesserung der Gesundheitsergebnisse genutzt werden können. Zu den am häufigsten verwendeten Geräten zur häuslichen Gesundheitspflege gehören berührungslose Thermometer. In diesem Artikel von Melexis wird untersucht, wie Designer Schaltkreise erstellen können, die thermische Störungen bei der berührungslosen Temperaturmessung beseitigen.
Die berührungslose Temperaturmessung basiert auf der Erfassung der im Infrarot-Wellenlängenbereich (IR) emittierten Energie. Jeder Gegenstand gibt auf diese Weise Energie ab, die gemessen werden kann, um seine Temperatur zu berechnen. Da die dahinter stehenden Sensoren jedoch immer kleiner werden, werden sie anfälliger für die Auswirkungen von Temperaturschocks, die zu Messfehlern und thermischem Rauschen führen können.
In diesem technischen Artikel erörtert Melexis einige der Prinzipien, die der berührungslosen Temperaturerfassung zugrunde liegen, sowie die Ansätze zur Minimierung der Auswirkungen von Temperaturschocks. Anschließend stellt der Artikel einen neuen und intelligenten Ansatz zur Beseitigung der Folgen externer thermischer Störungen in Mikro-Miniatursensoren vor.
Integrierte MEMS-Thermosäulentechnologie
Die Thermosäulen-Technologie zur Temperaturerfassung wird zunehmend in der Medizin (einschließlich der häuslichen Pflege) und in der Industrie (z. B. Infrarot-Temperaturmessgeräte) eingesetzt, da sie robust, genau und zuverlässig ist. Eine Thermosäule ist einfach ein elektronischer Wandler, der thermische Energie in ein elektrisches Signal umwandelt und auf dem Prinzip funktioniert, dass alles thermische Ferninfrarotstrahlung (FIR) aussendet.
Abbildung 1: Grundlegender Aufbau eines MEMS-Thermosäulen-basierten Sensors
Elektrisch gesehen besteht eine Thermosäule aus mehreren in Reihe geschalteten Thermoelementen. Zusammen erzeugen sie eine Spannung, die proportional zur Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten ist; diese Differenz ergibt eine relative Temperaturmessung.
Ein MEMS-Thermosäulensensor verwendet eine dünne, thermisch isolierte Membran. Da diese eine geringe thermisch wirksame Masse besitzt, wird sie durch den eingehenden Wärmestrom rasch erhitzt, wodurch ein Temperaturunterschied entsteht, den die Thermosäule als Temperaturdifferenz melden kann. Durch die Integration eines Referenzthermistors in das MEMS-System kann eine absolute Temperaturmessung erzeugt werden.
Das Herzstück dieser Messtechnik ist das Stefan-Boltzmann-Gesetz. Es besagt, dass die pro Flächeneinheit eines schwarzen Körpers abgestrahlte Energie proportional zur vierten Potenz seiner Temperatur ist. Dies wird allgemein als Stefan-Boltzmann-Gleichung ausgedrückt:
Wobei:
J = Strahlungsemission des schwarzen Körpers [W/m²]
η = Emissionsgrad (Oberflächeneigenschaft)
σ = 5,67e-8 [W/m²/K⁴], Stefan-Boltzmann-Konstante
T = absolute Oberflächentemperatur [K]
Unter der vernünftigen Annahme, dass für nichtmetallische Materialien der Emissionsgrad (η) ungefähr 1 beträgt, kann die Oberflächentemperatur mit der abgegebenen Leistung in Zusammenhang gebracht werden.
Die Herausforderung der Stabilität
Die Temperaturmessung wird für zahlreiche Anwendungen immer nützlicher und daher wird diese Funktion in viele Geräte integriert, darunter auch in Gesundheitsmonitore und tragbare Geräte wie Datenbrillen, intelligente Armbänder und im Ohr getragene Geräte, die sogenannten „Hearables“. Bei Kontaktthermometerlösungen besteht jedoch häufig ein unzureichender thermischer Kontakt mit der betreffenden Stelle. Die berührungslose Temperaturmessung nach dem FIR-Prinzip eignet sich optimal für diese neuen Anwendungen, denen gemeinsam ist, dass sie immer kleinere Temperatursensoren benötigen.
Damit FIR-Temperatursensoren in Wearables integriert werden können, muss die Technologie miniaturisiert werden. Die Miniaturisierung bietet zwar viele Vorteile, bringt jedoch auch ihre eigenen Herausforderungen mit sich. Bei diesem Sensortyp kann sich die Miniaturisierung negativ auf die Genauigkeit der Temperaturmessung auswirken.
Wie oben erläutert, werden FIR-Temperatursensoren durch thermische Gradienten – oder Thermoschocks – beeinflusst, die dadurch verursacht werden, dass der Sensorchip Strahlung aus mehreren Quellen empfängt, während nur eine begrenzte Menge dieser Strahlung tatsächlich vom Messobjekt stammt. Zu den weiteren Quellen thermischer Energie zählt das Sensorgehäuse selbst. Das bedeutet, dass ein Teil des erzeugten Signals nutzbar, ein anderer Teil hingegen parasitär ist. Unter isothermen Bedingungen, bei denen die Membrantemperatur der Gehäusetemperatur entspricht, gibt es kein parasitäres Signal und die differenzielle Natur der Thermosäulentechnologie hebt die Auswirkungen der Gehäusestrahlung auf. In vielen Anwendungen ist es jedoch unmöglich, den Sensor unter isothermen Bedingungen zu halten.
Wenn der kleine FIR-Sensor auf einer Leiterplatte montiert ist, kann er der Wärmeenergie von nahegelegenen wärmeerzeugenden Komponenten, wie beispielsweise einem Mikroprozessor oder einem Leistungstransistor, ausgesetzt sein. Hersteller von FIR-Sensoren haben versucht, dieses Problem zu lösen, indem sie das Sensorelement in einem großen Metallgehäuse, beispielsweise einem TO-Dosen-Gehäuse, untergebracht haben. Die erhebliche thermische Masse und hohe Wärmeleitfähigkeit des Metalls gleichen die Auswirkungen schneller Temperaturgradienten und Stöße zwar bis zu einem gewissen Grad aus, sind in einer thermisch dynamischen Umgebung jedoch nicht ausreichend. Die zweite Herausforderung besteht natürlich darin, dass TO-Dosen relativ groß sind und sich nicht für kleine Geräte wie Wearables und Hearables eignen.
Aktive Kompensation von Temperaturgradienten
Somit ist die TO-Dosen-Lösung für Gesundheitsüberwachungsgeräte der nächsten Generation offensichtlich ungeeignet und muss allein schon aus diesem Grund zugunsten einer Lösung verworfen werden, die den Herausforderungen der Verwendung kleiner FIR-Sensoren besser gerecht wird.
Durch die Modellierung und Charakterisierung mehrerer Szenarien und die Anwendung dieser Daten mittels ausgefeilter Kompensationsalgorithmen ist es möglich, die Ausgabe moderner kleiner FIR-Sensoren so zu modifizieren, dass sie praktisch unempfindlich gegenüber Temperaturschocks werden.
Eines der neuesten Geräte auf dem Markt ist der kleine MLX90632 FIR-Sensor von Melexis. Dies ist ein berührungsloser Infrarot-Temperatursensor in einem kleinen SMD-QFN-Gehäuse, der werkseitig für Umgebungstemperaturen zwischen -20 °C und 85 °C kalibriert ist.
Es ist sowohl in einer kommerziellen als auch einer medizinischen Version erhältlich. Die medizinische Version ist für den Einsatz bei menschlicher Körpertemperatur optimiert und verfügt über eine Genauigkeit von ±0,2 °C. Die kommerzielle Version hat eine geringere Genauigkeit (typischerweise ±1,0 °C), ist aber für den Einsatz in einem viel größeren Objekttemperaturbereich (-20 °C bis 200 °C) optimiert.
Der gemessene Temperaturwert ist der Durchschnitt aller Elemente, die sich innerhalb des 50°-Sichtfelds (FOV) des Sensors befinden. Anhand dieses Messwerts sowie der Kalibrierungskonstanten und der ausgeklügelten integrierten Kompensationsalgorithmen können die Umgebungs- und Objekttemperaturen berechnet werden.
Um zu demonstrieren, wie effektiv die aktive Kompensation ist, hat Melexis ein Experiment durchgeführt, bei dem ein MLX90632-Sensor und ein hochmoderner Sensor (im TO-Can-Gehäuse) so eingestellt wurden, dass sie eine stabile Referenzquelle mit einer Temperatur von etwa 40 °C messen. Während der Messungen wurde eine starke Wärmequelle in unmittelbarer Nähe der Sensoren platziert – die Ergebnisse sind in Abbildung 2 zu sehen.
Abbildung 2: Ergebnisse des Thermoschocktests am MLX90632
Aus der Grafik ist ersichtlich, dass die Referenz zu Beginn des Experiments tatsächlich eine Temperatur von 40,05 °C und die Sensortemperatur bei ca. 2 °C lag. Während der Wärmezufuhr wurden die Sensoren dann einem Temperaturschock (von ca. 60 °C/min) ausgesetzt und das Ausgangssignal gemessen. Während des gesamten Tests wich die Temperaturanzeige des MLX90632 um nicht mehr als 0,25 °C ab und zeigte damit eine sehr stabile Leistung. Dies wurde dank des fortschrittlichen Kompensationsalgorithmus erreicht. Der TO-Can-Sensor weist einen erheblichen Fehler auf, was zeigt, dass diese Geräte unter derart schwierigen Bedingungen keine gute Leistung erbringen.
Abbildung 3: Blockdiagramm des Infrarot-Temperatursensors MLX90632
Interne Bauelemente des Sensors
Der ultrakleine Sensor enthält eine Thermosäule, die die vom Objekt abgegebene Energie auffängt, sowie ein Element zur Messung der Temperatur des Sensors selbst. Das Spannungssignal des Thermosäulen-Sensorelements wird verstärkt, digitalisiert und digital gefiltert, bevor es im integrierten RAM gespeichert wird. Die Messwerte des integrierten Referenztemperatursensors werden auf die gleiche Weise verarbeitet und gespeichert.
Eine Zustandsmaschine steuert das Timing und die Funktionalität des Sensors, und das Ergebnis jeder Messung und Konvertierung steht dem größeren System (z. B. Mikrocontroller) über die I2C-Kommunikationsschnittstelle zur Verfügung.
Mittels eines einfachen Mikrocontrollers können aus den Rohdaten die Temperaturen (Objekt und interner Sensor) berechnet werden.
Zusammenfassung
Die Temperaturmessung erfreut sich zunehmender Beliebtheit, insbesondere bei tragbaren Geräten wie Smartphones und Wearables, die im Rahmen der häuslichen Gesundheitspflege die Körpertemperatur messen. Bis vor kurzem hatte die Temperaturmessung jedoch mit zwei widersprüchlichen Zielen zu kämpfen.
Erstens muss das Sensorelement klein genug sein, um in die Anwendung zu passen. Und zweitens muss es in ein großes Metallgehäuse eingebaut werden, um ausreichend Wärmekapazität zu bieten und die Auswirkungen schneller Temperaturschocks abzumildern.
Basierend auf der Thermosäulen-Sensortechnologie bewältigt der MLX90632 von Melexis diese scheinbar unmögliche Herausforderung. Durch die Verwendung integrierter aktiver Kompensation und ausgefeilter Algorithmen kann der MLX90632 nachweislich auch in den anspruchsvollsten Situationen genaue Temperaturmessungen liefern und ist gleichzeitig in einem ultrakleinen SMD-Gehäuse untergebracht.