考虑用于连续体温测量的多站点传感器

在此设计解决方案中，我们考虑了影响数字温度传感器连续准确测量人体温度能力的一些因素。在研究了当前解决方案的一些局限性之后，我们提出了一种微型数字温度传感器IC，它将为未来的医疗设备和可穿戴设备设计带来多种优势。

介绍

当美国军方在1970年代开发全球定位系统（GPS）时，很少有人会想到 普通平民在汽车或智能手机上使用它来帮助他们的那一天 导航他们的旅程。同样，最初设计用于监测的临床级传感器 医院环境中的患者健康越来越多地进入无数的消费者健康和 健身设备。

然而，医务室的严格控制环境与日常生活的熵大不相同。因此，可穿戴设备中的传感器所遇到的日常条件与医院设备中运行的类似传感器所面临的挑战非常不同。在这个设计解决方案中，我们考虑了一些影响使用数字传感器连续准确地测量人体温度的因素。在研究了当前解决方案的一些局限性之后，我们提出了一种微型数字温度传感器IC，它将为未来的医疗设备和可穿戴设备设计带来多种优势。

人体温度

对于健康的人来说，体温通常在 97°F 至 99°F（36.5°C 至 37.5°C）的范围内，尽管存在 是可能导致这种情况变化的许多因素，包括年龄、性别、活动水平和一天中的时间（仅举几例）。在较长时间内超过这些值的变化可能表明相对 常见的健康问题（例如发烧），而手术后患者的体温突然下降可能表明可能危及生命的疾病（例如败血症）。因此，快速准确地测量体温的能力对医生来说非常重要。最初使用水银球温度计测量体温（出于安全原因放弃），现在通常使用数字温度计探头测量体温。

除了前面列出的变量外，测量温度时要考虑的另一个因素是 进行测量的身体位置。在医院环境中，这通常是通过放置 耳、口或直肠管中的探头。有趣的是，耳朵和直肠温度通常更高 比口服，而口腔又高于腋窝（有时也使用）。间歇性 在这些身体部位进行的温度测量通常是可以忍受的，对于 临床环境，它们仍然是侵入性的，有可能引起小程度的不适。 因此，这些身体位置对于使用 可穿戴设备。

皮肤测量

用于连续温度监测的一个明显、易于接近的身体位置是在皮肤上，即 人体最大的器官。方便的是，大多数消费者可穿戴设备都戴在手腕上（因此与皮肤接触）。但是，虽然在此位置进行的温度测量可能有助于监测 瞬时变化（例如，由运动或活动引起的变化）和日常趋势，这不是准确临床监测的理想位置。这是由于设备与心脏的距离以及暴露于 时间环境条件。手部的温度比身体其他部位更低，变化更大。

更理想的方案是在身体的不同位置放置多个与皮肤接触的监视器，生成一个数据集，可用于计算更能反映整体体温的值。 有趣的是，最近的研究表明，皮肤温度的局部变化可能是疾病的标志（例如恶性肿瘤）。更有可能在以下情况下检测到这些局部温度变化 使用多个监视器。

温度监控器设计

可穿戴温度监测器需要电池、微控制器（适用于可穿戴应用）和 温度传感器 IC（图 2）。为了尽可能延长电池寿命，两个 IC 都必须 消耗尽可能少的功率。为了最大限度地提高便携性，同时最大限度地减少对佩戴者的不适，尺寸 两者应尽可能小。这种类型的监视器通常连接到 身体使用粘性贴片。

图2.温度监视器的构建块。

许多温度传感器 IC 的封装底部都有一个金属散热焊盘（图 3）。热量是 从人体测量点传导到导热垫，然后IC将其转换为数字表示。

图3.典型温度传感器 IC（底视图）。

此焊盘的位置可能会导致两个设计问题。首先，它位于包装下方使其变得困难 PCB设计人员将金属走线从与主体的接触点布线，穿过电路板，再到焊盘。 其次，由于它与同一IC上的其他引脚非常接近，因此有可能寄生自发热 发生，由流入和流出其他引脚的电流的加热效应引起。这可能会干扰 所需的体温测量值。

除了这些设计问题，还有一个实际问题值得考虑。在多个温度下测量温度 身体位置需要同一显示器的多个独立实例，每个实例都有自己的电池（需要 定期充电/更换）、微控制器（必须从中检索存储的数据）和温度传感器 IC。 除了对佩戴者来说明显不便，他们必须附上多个粘性贴片外，这是一个昂贵的， 效率低下且笨拙的方法。

菊花链

在多个位置测量体温的更实用的方法。面料 这种贴身的运动型服装包含多个温度传感器 IC，这些传感器 IC 连接在 单个电池和主机微控制器的菊花链布置。每个温度传感器都可以由 微控制器定期创建局部和全身温度的曲线。

通过使用温度传感器IC，可以实现这种布置。

除了尺寸小（2mm x 2mm x 0.75mm）外，这款临床级数字温度传感器IC还具有多个 与其他温度传感器相比的优势。

不是在封装底部使用导热垫，而是在封装顶部测量温度， 尽可能远离其引脚，最大限度地减少寄生自热的可能性。如图 6 所示， 该器件的一个创新特点是不需要安装在专用PCB上。这意味着它可以 使用扁平柔性/打印机电缆 （FFC/FPC） 轻松连接到远程主机微控制器，允许多个传感器舒适地嵌入并连接在可穿戴服装的面料中。

图6.传感器连接到使用 FFC/FPC 的微控制器。

该传感器在预期的人体温度范围内（35.8°C 至 41°C）内精度高达 ±0.1°C 工作在宽电压范围 （1.7V 至 3.6V），测量期间仅消耗 60μA 电流和 0.5μA 在关闭中。它包括一个用于温度数据的 32 字 FIFO（允许 CPU 休眠更长时间），并包括 高阈值和低阈值数字温度报警。一个我2C 接口允许多个部件连接到 采用菊花链配置的微控制器（图 7）。

图7.使用I的多点温度检测2C.

其他传感器可以通过使用 I 连接到菊花链2C 多路复用器（如果需要）（图 8）。

图8.我2C 多路复用器。

总结

对移动人员进行连续、准确的体温监测需要一种非常不同的方法来 在临床环境中用于静态患者的间歇性侵入性方法。 它需要位于皮肤表面多个位置的可穿戴温度监测器，最小 佩戴者的不适。在为此类应用选择温度传感器 IC 时，潜在的 应保持由散热垫位于封装底部引起的寄生自热 在脑海中。如前所述，可以通过选择测量温度的温度传感器IC来避免这种情况 在其包装的顶部。我们还表明，由于该IC不需要PCB安装，因此特别 适用于可穿戴服装内的远程多传感器配置。其他应用 这部分包括医用温度计和物联网设备。

审核编辑：郭婷