건강 모니터링 웨어러블에서 고정확도 디지털 온도 센서를 사용하는 방법

정확한 디지털 온도 측정은 웨어러블, 의료 모니터링 장치, 건강 및 피트니스 추적기, 콜드 체인 및 환경 모니터링, 산업용 컴퓨팅 시스템을 포함한 다양한 응용 분야에서 중요합니다. 광범위하게 응용되기는 하지만 고정확도 디지털 온도 측정의 구현에는 흔히 온도 센서 보정 또는 선형화는 물론, 다중 획득 모드를 가진 콤팩트한 초저전력 응용 제품에 문제가 될 수 있는 고 전력 소비가 수반됩니다. 설계 문제는 빠르게 증가하여 비용 초과 및 일정 지연을 초래할 수 있습니다.

일부 응용 제품에는 단일 통신 버스를 공유하는 여러 온도 센서가 포함되어 있어 문제가 더 복잡해 집니다. 또한 일부 생산 테스트 설정은 미국 NIST(미국 국립표준기술원)에 따라 보정해야 하며 검증 장비는 ISO/IEC-17025 인증 실험실에서 보정되어야 합니다. 갑자기, 간단해 보였던 기능이 대가가 크고 위협적으로 느껴지는 군요.

이 기사에서는 모바일 및 배터리 구동식 건강 모니터링 응용 제품에서의 고정확도 온도 측정에 대한 요구 사항을 간단하게 설명합니다. 그런 다음 보정이나 선형화가 필요하지 않은 ams OSRAM의 저전력, 고정확도 디지털 온도 센서 IC를 소개합니다. 마지막으로 통합 권장 사항, 평가 기판 및 Bluetooth 지원 데모 키트와 함께 센서 설정을 수정하고 전력 소비에 미치는 영향을 관찰할 수 있는 컴패니언 앱에 대해 설명합니다.

고정확도 온도 모니터링에 대한 요구 사항

정확도는 건강 모니터링 응용 제품에 있어 필수입니다. 제조된 디지털 온도 센서는 해결해야 하는 부품 간 성능 편차를 나타냅니다. 자체 보정의 경우 비용이 많이 들고 보정되지 않은 센서를 사용할 경우 원하는 정확도를 달성하는 데 드는 비용이 증가하므로 설계자는 완전히 보정되고 선형화된 센서를 고려해야 합니다. 그러나 센서 제작업체가 NIST 표준을 추적할 수 있는 보정 기기를 사용하도록 하는 것이 중요합니다. 추적 가능한 보정 기능이 있는 기기를 사용하면 체인의 각 링크에서 불확실성을 식별하고 문서화하여 장치 제작업체의 품질 보증 시스템에서 해결할 수 있도록 기본 NIST 표준으로 다시 연결되는 연속적인 체인을 보장할 수 있습니다.

테스트 및 보정 실험실의 기본 표준은 ISO/IEC 17025 '테스트 및 보정 실험실 역량에 대한 일반 요구사항'입니다. ISO/IEC 17025는 특히 보정 및 테스트 실험실에 중점을 둔 기술 원칙을 기반으로 하고, 인증에 사용되며, 지속적인 개선 계획을 개발하기 위한 기반을 제공합니다.

NIST 추적 가능 생산 테스트를 거친 디지털 온도 센서

많은 설계 및 인증 요구 사항을 충족하기 위해 설계자는 최대 ±0.09°C의 정확도를 제공하고 보정이나 선형화가 필요하지 않은 ams OSRAM의 AS6211 디지털 온도 센서로 전환할 수 있습니다. 고성능 열 정보가 필요한 의료 기기, 웨어러블 및 기타 응용 제품에 사용하도록 설계된 AS6211의 생산 테스트는 NIST 표준에 따라 ISO/IEC-17025 인증 실험실에서 보정됩니다. 보정된 생산 테스트는 유럽 연합의 의료용 온도계에 필요한 EN 12470-3 인증 획득 프로세스를 가속화합니다.

AS6211은 6핀, 1.5mm x 1.0mm WLCSP(웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지)로 제공되는 완전한 디지털 온도 센서로 시스템 통합이 가능합니다. 예를 들어 주문 가능한 부품 번호 AS6221-AWLT-S는 테이프 및 릴을 통해 500개 로트로 제공됩니다. AS6211의 측정은 표준 I²C 인터페이스를 통해 제공되며 8개의 I²C 주소를 지원하므로 다중 센서 설계에서 버스 충돌에 대한 우려가 사라집니다.

고정확도 및 저전력

AS6221은 1.71V ~ 3.6V DC의 전체 공급 범위에 걸쳐 낮은 전력 소비로 높은 정확도를 제공하며, 이는 단일 배터리 전지로 구동되는 응용 제품에서 특히 중요합니다. 여기에는 민감하고 정확한 실리콘(Si) 밴드갭 온도 센서, 아날로그-디지털 컨버터, 관련 레지스터 및 제어 논리가 있는 디지털 신호 프로세서가 포함됩니다. 통합 경보 기능은 레지스터 값을 설정하여 프로그래밍된 특정 온도 임계값에서 인터럽트를 트리거할 수 있습니다.

AS6221은 초당 4회의 측정을 수행할 때 6μA를 소비하고 대기 모드에서 전력 소비는 0.1μA에 불과합니다. 온도 임계값에 도달했을 때만 응용 프로세서를 깨우기 위해 통합 알람 기능을 사용하면 시스템 전력 소비를 훨씬 더 줄일 수 있습니다.

웨어러블 통합 옵션

웨어러블 응용 제품에서 센서와 피부 사이의 열 연결이 좋을수록 온도 측정이 더 정확해집니다. 설계자는 열 연결을 최적화할 수 있는 여러 가지 옵션이 있습니다. 한 가지 방법은 피부와 센서 사이에 열 전도성 핀을 놓는 것입니다(그림 1). 신뢰할 수 있는 결과를 얻으려면 핀이 장치 케이스와 같은 외부 열 에너지 소스로부터 격리되어야 하며 핀과 AS6211 사이에 열 페이스트 또는 접착제를 사용해야 합니다. 이 접근 방식은 유연한(연성) 인쇄 회로 기판(PCB)을 사용하여 AS6221을 운반하는 이점이 있으므로 센서를 보다 자유롭게 찾을 수 있습니다.

그림 1: 연성 PCB와 열 접착제를 사용하여 피부와 센서 사이에 저 열 임피던스 경로를 제공할 수 있습니다. (이미지 출처: ams OSRAM)

메인 PCB에 센서가 포함되어 있다는 이점이 있는 설계에서는 접촉 스프링 또는 열 패드를 사용하여 열 연결을 만들 수 있습니다. 센서가 PCB 하단에 실장된 경우 접촉 스프링을 사용하여 센서에 연결된 PCB의 열 비아와 접촉 핀 사이에 열 연결을 생성할 수 있습니다(그림 2). 이 접근 방식은 센서와 피부 사이의 더 긴 거리를 지원하는 비용 효율적인 장치를 제공할 수 있지만 높은 수준의 감도를 달성하려면 여러 열 인터페이스를 신중하게 고려해야 합니다.

그림 2: 센서가 PCB 하단에 실장되어 있으면 열 비아와 접촉 스프링을 사용하여 접촉 핀에 연결할 수 있습니다. (이미지 출처: ams OSRAM)

세 번째 옵션은 열 패드를 사용하여 핀을 PCB 상단에 실장된 센서에 연결하는 것입니다(그림 3). 스프링 접점 또는 연성 PCB를 사용하는 것과 비교할 때 이 접근 방식은 접점 핀과 센서 사이의 최소 열 임피던스를 보장하기 위해 높은 열전도율과 정교한 기계적 설계를 갖춘 패드가 필요합니다. 따라서 계속적으로 높은 수준의 성능을 제공하면서 조립은 더 간단할 수 있습니다

그림 3: 열 패드는 상단 실장 센서를 접촉 핀에 연결할 수 있습니다. 열 패드를 사용하면 계속적으로 높은 성능을 제공하면서 조립은 더 간단해집니다. (이미지 출처: ams OSRAM)

열 응답 시간 개선

빠른 열 응답 시간을 얻으려면 측정에 대한 외부 영향, 특히 센서에 직접 인접한 PCB 부분을 최소화해야 합니다. 두 가지 실행 가능한 설계 제안은 컷아웃을 사용하여 PCB 상단의 센서 근처에 있는 구리 평면을 최소화하고(그림 4, 상단), 전체 PCB 질량을 줄이기 위해 센서 아래의 컷아웃 영역을 사용하여 PCB의 하단에서 열 부하를 줄이는 것입니다(그림 4, 하단)

그림 4: PCB 상단과 하단의 컷아웃은 센서 주변의 PCB 질량을 최소화하고 응답 시간을 개선할 수 있습니다. (이미지 출처: ams OSRAM)

PCB 효과 최소화 이외에 측정 속도 및 성능을 향상시키는 데 도움을 줄 수 있는 다른 기술에는 다음이 포함됩니다.

• 센서에 사용할 수 있는 열을 증가시키기 위해 피부와의 접촉 영역을 최대화합니다.
• 얇은 구리 트레이스를 사용하고 전원 및 접지면의 크기를 최소화합니다.
• 장치의 성능 요구 사항을 달성하기 위해 가능한 한 작은 배터리 및 기타 부품(예: 디스플레이)을 사용합니다.
• PCB의 센서를 주변 부품 및 외부 환경으로부터 열적으로 격리하도록 패키지를 설계합니다.

환경 온도 감지

피부 온도 및 주변 환경의 온도를 모두 사용하는 설계에서와 같이 여러 온도 센서를 사용할 경우 추가 고려 사항이 적용됩니다. 각각의 측정에 대해 별도의 센서를 사용해야 합니다. 장치의 열 설계는 두 센서 사이의 열 임피던스를 최대화해야 합니다(그림 5). 간섭 열 임피던스가 높을수록 센서 간에 더 우수한 분리를 제공하고 측정이 서로 간섭하지 않도록 합니다. 장치 패키지는 열 전도율이 낮은 재료로 제작해야 하며 두 센서 섹션 사이에 열 분리 장벽을 삽입해야 합니다.

그림 5: 정확한 환경 온도 감지를 위해서는 피부 온도 센서와 환경 온도 센서 사이에 높은 열 저항이 있어야 합니다. (이미지 출처: ams OSRAM)

평가 키트를 통해 즉시 AS6221 개발 시작

응용 제품 개발 및 출시 시간을 단축하기 위해 ams OSRAM은 설계자에게 평가 키트와 데모 키트를 모두 제공합니다. AS62xx 평가 키트를 사용하여 AS6221 디지털 온도 센서를 빠르게 설정하여 해당 기능을 신속하게 평가할 수 있습니다. 이 평가 키트는 온도 측정에 액세스하는 데 사용할 수 있는 외부 마이크로 컨트롤러(MCU)에 직접 연결됩니다.

그림 6: AS62xx 평가 키트를 사용하여 AS6221을 설정하고 평가할 수 있습니다. (이미지 출처: ams OSRAM)

AS6221용 데모 키트

기본 평가가 완료되면 설계자는 응용 개발 플랫폼으로 AS6221 데모 키트를 사용할 수 있습니다. 이 데모 키트에는 AS6221 온도 버튼과 CR2023 동전형 전지 배터리가 포함되어 있습니다. App Store 또는 Google Play Store에서 컴패니언 앱을 다운로드하면 한 번에 최대 3개의 센서 버튼에 연결할 수 있습니다(그림 7). 앱은 Bluetooth를 통해 센서 버튼과 통신하여 측정 주파수를 포함한 모든 센서 설정을 수정하고 전력 소비에 미치는 영향을 관찰할 수 있습니다. 앱은 측정 시퀀스를 기록할 수 있으므로 다양한 온도 센서 설정의 성능을 비교할 수 있습니다. 설계자는 데모 키트를 사용하여 경고 모드를 실험하고 솔루션 성능을 개선하는 데 사용할 수 있는 방법을 학습할 수도 있습니다.

그림 7: AS6221 데모 키트는 AS6221에 대한 온도 센서 응용 개발 플랫폼으로 사용됩니다. (이미지 출처: ams OSRAM)

결론

의료, 피트니스, 기타 웨어러블을 위한 고정확도 디지털 온도 감지 시스템을 설계하는 것은 설계, 테스트 및 인증과 관련하여 복잡한 프로세스입니다. 프로세스를 단순화하고 비용을 낮추며 시장 출시 기간을 단축하기 위해 설계자는 고집적, 저전력, 고정확도 센서를 사용할 수 있습니다.

설명한 바와 같이 AS6221은 그러한 센서 중 하나입니다. 이 장치는 보정 또는 선형화가 필요하지 않고, 생산 테스트 장비는 ISO/IEC-17025 인증 실험실에서 NIST 표준에 따라 보정되므로 의료 기기의 설계 및 승인 프로세스를 가속화합니다.

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