임상 등급 온도 감지 기능을 휴대용 웨어러블 의료 설계에 신속하게 통합

COVID-19에 대한 세계적인 관심으로 온도 감지용 휴대용 웨어러블 장치 설계자는 장치의 정확도, 감도 및 신뢰성을 개선하면서 장치의 크기, 비용, 전력 소비를 줄여야 하는 과제에 직면해 있습니다. 이러한 과제의 해결을 돕기 위해 성능과 모든 사용 편의성 센서 측면을 개선하여 설계 및 통합 공정을 간소화하고 있습니다.

이 기사에서는 온도 센서의 기본 유형을 설명하고, 디지털 IC 센서와 설계자가 주목해야 하는 주요 특징을 중점적으로 살펴봅니다. 그런 다음 ams 및 Maxim Integrated의 디지털 온도 센서를 예로 들어 소개하고 Melexis Technologies NV의 적외선 온도계를 무접점 온도 감지의 예시로 제공합니다. 또한 이러한 장치가 차세대 시스템의 요구 사항을 어떻게 충족하는지 살펴보고 관련 평가 기판과 프로브 키트를 설명하고 이들 장치를 활용하여 설계자가 시작하는 데 어떤 도움을 줄 수 있는지를 살펴봅니다.

온도 센서 선택

설계자는 온도 감지를 위해 네 가지 일반적인 온도 센서 유형(열전대, 저항 온도 장치(RTD), 서미스터, 온도 센서 IC) 중에서 선택할 수 있습니다. 온도 센서 IC는 접점 기반 의료 및 건강 관련 설계에 적합한 옵션입니다. 대체적으로 온도 센서 IC는 선형화가 필요하지 않고, 우수한 잡음 내성을 제공하고, 휴대용 웨어러블 의료 장치에 상대적으로 쉽게 통합할 수 있기 때문입니다. 무접촉 감지를 위해 적외선 온도계를 사용할 수 있습니다.

특히, 손목 착용 장치, 의류 내장 장치, 스티커식 의료용 패치 등 웨어러블 응용 제품의 경우 설계자는 크기, 전력 소비, 열 감도 등을 주요 파라미터로 고려해야 합니다. 임상 등급 정확도로 설계할 경우 µW 정도의 과도 전력에도 센서가 가열되어 잘못된 판독값이 제공될 수 있기 때문에 감도가 중요합니다. 다른 고려 사항에는 인터페이스 유형(디지털 또는 아날로그)이 있으며, 이에 따라 마이크로 컨트롤러와 같은 연결되는 부품의 요구 사항이 결정됩니다.

임상 등급 정확도를 달성하는 방법

임상 등급 정확도를 달성하려면 먼저 ASTM E112에 따라 적절한 센서를 선택해야 합니다. 예를 들어 Maxim Integrated의 MAX30208 디지털 온도 센서는 +30°C ~ +50°C에서 ±0.1°C 정확도를 제공하고, 0°C ~ +70°C에서 ±0.15°C 정확도를 제공합니다. 이 장치는 2mm x 2mm x 0.75mm 크기에 얇은 10핀 LGA 패키지에 제공됩니다(그림 1). 이 IC는 1.7V ~ 3.6V 공급 전압에서 작동하며 작동 중에 67µA 미만의 전류를 소비하고 대기 모드에서 0.5µA의 전류를 소비합니다.

그림 1: MAX30208 디지털 온도 센서는 스마트워치, 의료용 패치와 같은 배터리 구동 장치에서 ±0.1°C의 임상 등급 측정 정확도를 제공합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

앞서 언급한 대로 임상 등급 정확도로 설계할 때 중요한 과제는 센서의 자체 온도가 웨어러블 장치의 측정 판독에 영향을 주지 않는지 확인하는 것입니다.

pc 기판에서 패키지 리드를 통해 센서 다이로 이동하는 센서 IC의 열이 온도 판독 정확도에 영향을 줄 수 있습니다. 온도 센서 IC에서 이 열은 패키지의 밑면에 있는 금속 열 패드를 통해 전달되어 기생 가열됩니다. 결과적으로 이 열은 다른 핀의 내부와 외부에서 열 전도를 일으킬 수 있으며, 불가피하게 온도 측정을 방해합니다.

기생 가열을 방지하기 위해 설계자는 얇은 트레이스를 사용하여 센서 IC에서 기인하는 열 전도율을 최소화하는 등 다양한 기술을 사용할 수 있습니다. 또한 패키지의 밑면에 열 패드를 사용하는 대신 설계자는 IC 핀에서 최대한 멀리 떨어진 패키지 윗면에서 온도를 측정할 수 있습니다. MAX30208CLB+ 및 기타 MAX30208 디지털 온도 센서의 경우 패키지의 윗면에서 온도를 측정합니다.

다른 완화 기술은 온도 모니터링 시스템을 가열시킬 수 있는 다른 전자 부품을 감지 소자에서 최대한 멀리 배치하여 온도 측정 데이터에 미치는 영향을 최소화하는 것입니다.

시스템-사용자 열 설계 고려 사항

또한 설계자는 열원에서 열 분리를 보장하면서 온도 감지 소자와 사용자의 피부 사이에서 원활한 열 이동을 보장해야 합니다. 패키지 밑면에 배치할 경우 pc 기판에서 신체와 접촉 지점부터 금속 트랙을 연결하는 데 어려움이 있습니다.

따라서 첫째, 센서가 측정하려는 목표 온도에 최대한 근접하도록 시스템을 설계해야 합니다. 둘째, MAX30208 센서에 의해 사용 가능해진 플렉스 또는 준강체 pc 기판을 웨어러블 설계 및 의료용 패치에 사용할 수 있습니다. 평평한 가요성 케이블(FFC) 또는 평평한 프린터 케이블(FPC)을 사용하여 MAX30208 디지털 온도 센서를 마이크로 컨트롤러에 직접 연결할 수 있습니다.

이러한 케이블을 사용할 경우 pc 기판의 플렉스 사이드에 온도 센서 IC를 배치하여 피부 표면과 센서 사이의 열 저항을 줄여야 합니다. 또한 설계자는 플렉스 기판의 두께를 가능한 최소화해야 합니다. 기판이 얇을수록 더 효율적으로 굽혀지고 향상된 접점을 지원할 수 있습니다.

디지털 온도 센서는 일반적으로 I²C 직렬 인터페이스를 통해 마이크로 컨트롤러에 연결됩니다. Maxim의 MAX30208CLB+도 마찬가지이며, 온도 데이터에 FIFO를 사용하여 마이크로 컨트롤러를 확장된 기간 동안 절전 상태로 유지함으로써 전력을 절약할 수 있습니다.

그림 : MAX30208 디지털 온도 센서는 의료용 온도계 및 웨어러블 체온 모니터를 대상으로 합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

MAX30208CLB+ 디지털 온도 센서에서는 32단어 FIFO를 사용하여 각각 2바이트로 구성되는 최대 32개의 온도 판독값을 제공하는 온도 센서 설정 레지스터를 생성합니다. 또한 이러한 메모리에 매핑되는 레지스터를 사용하여 센서에서 높은 임계값 및 낮은 임계값 디지털 온도 경보를 제공할 수 있습니다.

또한 두 개의 범용 I/O(GPIO) 핀이 있습니다. GPIO1은 온도 변환을 트리거하도록 구성하고, GPIO0은 선택 가능한 상태 비트에 대해 인터럽트를 생성하도록 구성할 수 있습니다.

초기 보정된 온도 센서

많은 디지털 온도 센서는 이제 초기 보정되므로, 많은 기존 온도 센서의 경우처럼 현장에서 보정하거나 1년에 한 번 재보정할 필요가 없습니다. 또한 출력을 선형화하는 소프트웨어를 개발하고 회로를 시뮬레이션 및 미세 조정할 필요가 없습니다. 또한 많은 정밀 부품이 필요하지 않고 임피던스 불일치 위험을 최소화합니다.

예를 들어 ams의 AS621x 온도 센서 제품군은 초기 보정되고 선형화가 통합된 상태로 제공됩니다(그림 3). 또한 이 제품군에는 8개의 I²C 주소가 있으므로 설계자가 단일 버스를 사용하여 8개의 잠재적 과열점에서 온도를 모니터링할 수 있습니다.

그림 3: AS621x 센서는 초기 보정된 완벽한 디지털 온도 시스템을 제공합니다. (이미지 출처: ams)

또한 8개 I²C 주소를 포함하는 직렬 인터페이스는 의료 관련 모니터링 시스템 개발자의 시제품 제작 및 설계 확인을 용이하게 해줍니다.

센서가 특정 응용 제품 요구 사항을 충족하도록 돕기 위해 AS621x 센서는 세 가지 정확도 버전(±0.2°C, ±0.4°C, ±0.8°C)으로 제공됩니다. 의료 관련 모니터링 시스템의 경우 ±0.2°C 이내의 정확도로 충분하므로 AS6212-AWLT-L이 적합합니다. 모든 AS621x 장치는 16비트 분해능을 제공하여 -40°C ~ +125°C의 전체 작동 온도 범위에서 작은 온도 변화를 감지합니다.

AS621x는 1.5mm² 크기에 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지(WLCSP)로 제공되어 의료용 장치에 쉽게 통합될 수 있습니다. 이 장치는 1.71V의 공급 전압에서 작동하며, 작동 중에 6µA, 대기 모드에서 0.1µA의 전류를 소비합니다. 작은 실장 면적과 낮은 전력 소비로 인해 AS6212-AWLT-L과 같은 온도 센서가 배터리 구동 모바일 및 웨어러블 장치 응용 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

무접촉 온도 센서

일부 물리적인 접촉이 필요한 온도 센서 IC와 달리 적외선 온도계는 무접점 온도 측정을 수행합니다. 이러한 무접촉 센서는 두 파라미터 즉, 주위 온도와 물체 온도를 측정합니다.

그런 온도계는 장치 전면에 있는 물체에서 발산되는 0K(절대 0도) 이상의 에너지를 감지합니다. 그러면 감지기에서 에너지를 전기 신호로 변환한 다음 프로세서에 전달하여 주위 온도에 따른 변환을 보정한 후 데이터를 해석하고 표시합니다.

예를 들어 Melexis의 MLX90614ESF-BCH-000-TU 적외선 온도계는 적외선 열전퇴 감지기 칩과 TO-39 패키지에 내장된 신호 조정 칩으로 구성됩니다(그림 4). MLX90614 제품군에 내장된 저잡음 증폭기, 17비트 아날로그 디지털 컨버터(ADC) 및 디지털 신호 처리 프로세서(DSP)는 높은 정확도와 분해능을 보장합니다.

그림 4: MLX90614 적외선 온도계의 실내 온도에서 표준 정확도는 0.5°C입니다. (이미지 출처: Melexis)

MLX90614 적외선 온도계는 주위 온도 기준 -40°C ~ 85°C 온도 범위와 물체 온도 기준 -70°C ~ 382.2°C 온도 범위에 맞게 초기 보정됩니다. 이 온도계는 실내 온도에서 0.5°C의 표준 정확도를 제공합니다.

이러한 무접촉 온도 센서는 두 가지 출력 모델 즉, 펄스 폭 변조(PWM) 및 2선식 인터페이스(TWI) 또는 I²C 링크 경유 SMBus를 제공합니다. 이 센서는 디지털 SMBus 출력으로 보정된 초기 설정값으로 제공되어 0.02°C 분해능을 가진 전체 온도 범위를 처리할 수 있습니다. 반면에 설계자는 0.14°C 분해능으로 10비트 PWM 디지털 출력을 구성할 수 있습니다.

온도 센서로 개발

MAX30208 센서 제품군은 Maxim Integrated의 MAX30208EVSYS# 평가 시스템에서 지원되며, MAX30208 온도 센서 IC를 고정하는 플렉스 pc 기판을 포함합니다(그림 5). 이 평가 시스템은 헤더를 통해 연결되는 두 개의 기판(MAX32630FTHR 마이크로 컨트롤러 기판 및 MAX30208 인터페이스 기판)으로 구성됩니다. 설계자는 제공된 USB 케이블을 사용하여 평가 하드웨어를 PC에 연결하면 됩니다. 그러면 시스템에서 필요한 장치 드라이버를 자동으로 설치합니다. 그런 다음 평가 키트 소프트웨어를 다운로드해야 합니다.

그림 5: 설계자는 제공된 USB 케이블을 사용하여 평가 하드웨어를 PC에 연결할 수 있습니다. 필요한 장치 드라이버는 자동으로 설치됩니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

또한 모바일 장치 또는 웨어러블 장치로 여러 위치에서 체온을 측정할 수 있습니다. 예를 들어 운동복에서 I²C 주소를 통해 여러 MAX30208 온도 IC를 단일 배터리 및 호스트 마이크로 컨트롤러에 직렬로 연결할 수 있습니다. 여기서 각 온도 센서는 마이크로 컨트롤러에 의해 정기적으로 폴링되어 로컬 온도와 전신 온도 프로파일을 모두 생성합니다.

MLX90614 적외선 센서의 경우 의료용 장치 개발자는 MikroElektronika의 콤팩트 MIKROE-1362 IrThermo Click 기판으로 시작할 수 있습니다. 이 기판은 mikroBUS I²C 라인 또는 PWM 라인을 통해 MLX90614ESF-AAA 단일 영역 적외선 온도계 모듈을 마이크로 컨트롤러 기판에 연결합니다(그림 6).

그림 6: MIKROE-1362 IrThermo Click 기판을 사용하여 Maxim Integrated의 MLX9016 센서로 개발을 시작할 수 있습니다. (이미지 출처: MikroElektronika)

MikroElektronika의 5V 기판은 주위 온도 기준 -40°C ~ 85°C 온도 범위와 물체 온도 기준 -70°C ~ +380°C 온도 범위에 맞게 보정됩니다.

결론

설계자는 전력, 크기, 비용, 신뢰성, 정확도와 같은 과제에도 불구하고 임상 레벨 온도 감지 기능을 대중 시장에 출시하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 이제 평가 기판에서 지원되는 접촉 센서와 무접촉 센서를 사용하여 이러한 요구를 빠르고 효율적으로 충족할 수 있습니다. 앞에서 살펴본 바와 같이 이러한 센서는 임상 온도 측정에 필요한 성능을 갖추고 있으며 차세대 설계에 쉽게 통합하는 데 필요한 초기 보정 및 디지털 인터페이스를 제공합니다.