非接触式温度感应背后的原理与智能方案

温度感应技术的原理

与医疗保健应用

随着人们对健康和环境越来越密切的关注，温度感应显得日益重要。很多设备都添加了温度感应功能，如医用体温计和智能可穿戴设备等健康检测设备，应用领域日趋广泛。本文将探讨非接触式温度感应背后的原理与智能方案，以及由Melexis（迈来芯）推出的相关解决方案。

非接触式温度感应的MEMS热电堆技术

非接触式温度感应可检测在红外（IR）波长范围内发射的能量。每个物体都以这种方式发射能量，因此我们可以通过测量能量来计算物体的温度。但是，随着传感器件尺寸越来越小，它们更容易受到热冲击的影响，这可能会引起测量误差和热噪声。

目前非接触式温度感应的主流是集成MEMS热电堆技术，热电堆是一个可以将热能转换为电信号的电子传感器，其工作原理是一切物体都会发射热远红外（FIR）辐射。

从电子角度来说，一个热电堆由多个串联的热电偶组成。这些热电偶所产生的电压与两点之间的温差成比例，通过温差则可以用来测量相对温度。MEMS热电堆传感器IC采用热隔离薄膜，由于该热薄膜具有低热容，因此可以通过快速加热进入的热流，进而产生热电堆可报告的温差。将参考热敏电阻整合到MEMS系统后，即可生成绝对温度测量值。

可穿戴设备需要大幅缩减

温度传感器的尺寸

温度感应在各种应用中的作用越来越大，因此很多设备都增加了此功能，包括健康监控器和可穿戴设备，如智能眼镜、智能手环和耳内设备，即“听戴式装置”。然而，接触式温度计解决方案经常出现与目标区域热接触不良的问题。遵循FIR原理的非接触式温度感应非常适合这类新应用，但是需要大幅缩减温度传感器的尺寸。

温度测量的应用日益广泛，特别是通过智能手机和可穿戴设备等便携设备测量体温已成为家庭护理的一部分。但是，温度测量仍然面临两大挑战。第一，传感器IC组件必须尺寸足够小才可用于各种应用中，第二，传感器IC组件必须安装在大型金属外壳中以提供足够的热容量，从而减轻快速热冲击的影响。

如果将小型FIR传感器IC安装在PCB上，则可能将其暴露于来自附近发热组件（如微处理器或功率晶体管）的热能中。FIR传感器IC制造商试图通过将传感组件置于大型金属罐（例如TO罐封装）中来克服这一问题。金属的显着蓄热性和高导热性，确实能在一定程度上应对快速热梯度和冲击的影响，但在热特性动态变化的环境中，这种方法并不能发挥多大作用。当然，另一挑战在于TO罐尺寸相对较大，并不适合可穿戴设备和听戴式装置等小型设备。

红外温度传感器在PCR上的应用

相信大家应该对聚合酶链式反应（PCR）一词感到非常熟悉，PCR的作用是于扩增（复制）DNA，PCR最广泛的一项应用便是检测感染。病毒或细菌等病原体在DNA/RNA经扩增之后，可以在患者样品中检测出来。这一应用在新冠疫情的影响下蓬勃发展，PCR技术还可以用来检测很多其他致病物。

很多生化反应过程在医学诊断中得以运用，PCR只是其中一例。为了让对温度敏感的生化反应能够更快地发生，需要用到“热循环仪”。热循环仪配备一个或多个带孔的加热板，孔中可以插入装有反应物的管子。热循环仪的目的是让这些管子进入预定的温度程序，能够实现快速、准确的温度循环。一些模型支持控制加热板的温度梯度，以使不同的样品能够处在不同的温度下。这一功能主要用于研究阶段，旨在优化温度循环的某些关键步骤。

在测试过程中，样品经常被替换，这使得制造商很难通过直接接触的方法可靠地测量管子的温度。严格控制温度循环取决于精确的传感器输入，这就是红外温度传感器的作用所在。它们实现了非接触式温度测量，与接触式温度计相比，这是一个巨大的优势。此外，避免直接接触，大大降低了标本间交叉污染的风险。

目前，医学诊断检测正迅速转变，过去需要送样到专门的医学实验室并花几周时间才能等到结果，而现在已经可以在现场进行检测，红外温度传感器便起着至关重要的作用。通过使用红外温度传感器，能够更严格地控制温度，进一步调整生化反应过程，从而实现更快速、更准确且更可靠的诊断。

多功能与高度集成的红外温度计

Melexis MLX90614是一款用于非接触式温度测量的红外温度计，IR敏感型热电堆检测器芯片和信号调节ASIC都集成在同一TO-39罐封装中。MLX90614集成有低噪声放大器、17位ADC和强大的DSP单元，因此温度计兼具高精度和高分辨率。

MLX90614温度计出厂前已经过校准，可通过数字SMBus输出提供整个温度范围内的测量温度（测量分辨率为0.02℃）。用户可以将数字输出配置为脉宽调制（PWM），在标准情况下，介于-20和120℃之间的测量温度可将10位PWM配置为以0.14℃的分辨率连续传输。

MLX90614具有体积小、成本低与易于集成的主要优势，并已在宽温度范围内执行出厂校准，包括传感器温度在-40至125℃，物体温度为-70至380℃之间。在宽温度范围内的精度高达0.5℃（Ta和To的温度范围均为0至+50℃），可应要求在有限温度范围内实现0.2℃的医疗精度，可视角包括5°、10°、35°与90°，可决定测距范围，并提供单区和双区两种版本，兼容SMBus的数字接口，方便快速读取温度和构建传感器网络，支持可自定义的PWM输出，用于连续读取，提供3V和5V两种版本，经过简单调整后即可适应8V到16V应用，并支持节能模式，具有数字滤波功能，有多种封装可供选择，提供评估套件，可满足多样化的应用和测量需求，属于汽车级的器件。

高精度的非接触式微型SMD温度计IC

Melexis MLX90632则是一款微型SMD温度计IC，可实现高精度非接触式红外温度测量，在热特性动态变化的环境以及空间受限的情况下作用尤为显着，具有高稳固性，医疗等级和消费等级的产品已经上市。

MLX90632可在高温环境下精准稳定的工作，采用3mm x 3mm x 1mm QFN封装，无需采用体积庞大的TO罐封装，使用I2C数字接口进行出厂校准，具有50°的视场角，可编程刷新率为0.5Hz至32Hz，支持3.3V与1mA电源，占空比为1次/分钟50µW，工作温度范围为-20℃至85℃，在Github上有驱动程序，并已提供规格书与评估套件。

MLX90632的消费级器件支持的测量物体温度为-20℃至200℃，精度±1℃，消费级产品的主要应用包括白色家电、监测室温的独立智能温控器，以及集成在便携式电子产品中的室温监测类产品。

医疗级器件支持的测量物体温度为-20℃至100℃，人体温度测量精度高达±0.2℃。医疗级产品的主要应用包括耳温枪或额温计、健康监测的可穿戴设备以及护理站应用。

Melexis也推出MLX90632评估板――EVB90632，具有红外温度传感器芯片MLX90632（SMD封装）与PC之间的简单接口。该PCB有助于用户对MLX90632进行快速简易的测试。EVB90632可使用户访问传感器内部设置，通过改变光学窗口补偿常量、刷新率和传感器的集成电路总线地址的方式，来调整传感器以适应特定应用。

位置传感器应用的低功耗

电池供电磁力计

Melexis还推出适用于经济型电池供电应用的Triaxis磁力计 ― MLX90397，这是一款专为位置传感器应用打造的3D磁力计，磁场范围为±50mT，BZ自适应范围为±200mT，MLX90397具有微功耗优势，适用于空间受限的应用，这些特性使其成为电池供电应用的理想之选。

MLX90397支持动态可编程参数，这是一款单片传感器芯片，可感应垂直和平行于芯片表面的磁通量密度。该器件可沿3个轴（X、Y轴与裸片表面平行，Z轴与裸片表面垂直）进行磁力测量。用户可选择单独测量磁场BX、磁场BY、磁场BZ或温度，也可进行组合测量。这些测量值和芯片温度被转换成16位数据，并根据请求通过I2C通信通道进行传输，该器件传输的是补偿后的原始测量数据。

MLX90397支持7nA的典型待机电流与1.7 ~ 3.6 V的工作电压，复位引脚可使MLX90397实现超低待机电流消耗，非常适合更新率低的应用，并简化设计、降低了物料清单成本并节省了PCB空间。传感器的尺寸仅为2 mm x 2.5 mm x 0.4 mm，采用UTDFN-8超薄扁平无引线8引脚封装，可帮助设计人员应对空间受限的应用需求，用户可以实现更简单的PCB。此外，MLX90397已经过预编程，是一款即插即用的解决方案，非常便于集成，并可在-40℃至-105℃的环境温度范围下运作，MLX90397磁力计在可穿戴设备上的使用场景则是旋钮控制。

结语

通过新型的小型化温度传感器的推出，使得能够传感温度的高度集成医疗保健可穿戴设备成为现实，也可以用于加快PCR检测的速度并降低成本，具备极大的市场发展潜力。由Melexis推出的多款小型化温度传感器与磁力计，将可大幅缩小可穿戴设备的体积与降低功耗，是有意开发相关产品厂商的理想选择，您可以到Melexis网站下载温度传感器的选购指南，以找到最适合您需求的温度传感器。

审核编辑：汤梓红