你知道非接觸式體溫測(cè)量法可以幫助你在不接觸任何東西的情況下監(jiān)測(cè)你的健康嗎？這聽起來(lái)很不錯(cuò)，但要使它準(zhǔn)確可靠，還存在一些挑戰(zhàn)。Melexis 營(yíng)銷經(jīng)理 Joris Roels 展示了 Melexis 如何用一個(gè)創(chuàng)新的紅外溫度傳感器解決這些問(wèn)題。它體積小、速度快、精度高，而且可以對(duì)不同的環(huán)境因素進(jìn)行補(bǔ)償。

正如 Covid-19 大流行所證明的那樣，快速和非侵入性的體溫評(píng)估技術(shù)已成為必要。在包括醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)和學(xué)校在內(nèi)的各種場(chǎng)所，采用紅外傳感器測(cè)量表面溫度而無(wú)需身體接觸的非接觸式紅外測(cè)溫儀已變得流行，并常用于測(cè)量體溫。紅外溫度計(jì)是非侵入式的，可提供快速、可靠的讀數(shù)。

本文將以Melexis微電子集成系統(tǒng)開發(fā)的微型紅外溫度傳感器為例，展示如何成功解決：在減小尺寸的同時(shí)獲得醫(yī)療級(jí)精度和溫度補(bǔ)償。

遠(yuǎn)紅外傳感器

FIR 傳感器是一種表面貼裝器件 (SMD)，可測(cè)量物體的紅外輻射以準(zhǔn)確報(bào)告溫度。其 SMD 封裝使該傳感器適用于多種應(yīng)用，包括可穿戴設(shè)備，特別是先進(jìn)的入耳式設(shè)備（所謂的耳戴式設(shè)備），以及需要高精度人體溫度測(cè)量的臨床護(hù)理點(diǎn)應(yīng)用是必需的。

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由于無(wú)需直接接觸被測(cè)物體即可實(shí)現(xiàn)溫度感應(yīng)，因此非接觸式溫度測(cè)量具有優(yōu)于傳統(tǒng)接觸方法的優(yōu)勢(shì)。這在不希望與對(duì)象進(jìn)行物理接觸的各種情況下很有用，例如當(dāng)對(duì)象易碎、移動(dòng)或位于危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)。當(dāng)需要快速響應(yīng)時(shí)，或無(wú)法保證傳感器與被測(cè)物體之間良好的熱接觸時(shí)，非接觸式測(cè)溫比接觸式測(cè)溫更準(zhǔn)確、結(jié)果更可靠。

Melexis 營(yíng)銷經(jīng)理 Joris Roels 說(shuō)：

“Melexis 是一家芯片和封裝設(shè)計(jì)公司，在我們每個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，都有相當(dāng)大的發(fā)展和大量受保護(hù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。我們更愿意將制造外包給我們的晶圓廠合作伙伴，但所有測(cè)試和校準(zhǔn)都在內(nèi)部進(jìn)行，以保證最終質(zhì)量。”

這款極小的器件是一個(gè)完整的解決方案 3 mm × 3 mm × 1 mm QFN 封裝，集成了傳感器元件、信號(hào)處理、數(shù)字接口和光學(xué)器件，可實(shí)現(xiàn)快速、輕松地集成在空間有限的情況下融入廣泛的現(xiàn)代應(yīng)用。

MLX90632 經(jīng)過(guò)工廠校準(zhǔn)，可確保高精度，同時(shí)在內(nèi)部采取了電氣和熱預(yù)防措施以補(bǔ)償嚴(yán)酷的外部條件。如圖 2 所示，熱電堆傳感元件電壓信號(hào)被放大和數(shù)字化。經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后，原始測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)在RAM中。狀態(tài)機(jī)控制所有功能。每次測(cè)量轉(zhuǎn)換的結(jié)果都可以通過(guò) I2C 接口訪問(wèn)，該接口還允許訪問(wèn)內(nèi)部狀態(tài)機(jī)的控制寄存器、用于像素和輔助測(cè)量數(shù)據(jù)的 RAM 以及用于存儲(chǔ)微調(diào)值、校準(zhǔn)常數(shù)和各種設(shè)備/測(cè)量設(shè)置。

外部單元可以使用測(cè)量和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)計(jì)算傳感器和物體的溫度。如果存在光學(xué)窗口或障礙物，用戶可以針對(duì)其特定應(yīng)用修改溫度計(jì)算算法。 ? 據(jù) Melexis 稱，由于其緊湊的尺寸、高熱穩(wěn)定性和針對(duì)人體溫度的優(yōu)化，醫(yī)用 MLX90632 非常適合超緊湊型可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備，例如可以連續(xù)監(jiān)測(cè)體溫的便攜式診斷儀器。

反復(fù)監(jiān)測(cè)生命體征是預(yù)防醫(yī)學(xué)技術(shù)的關(guān)鍵要素，可以及早發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的健康狀況。該傳感器也非常適合更傳統(tǒng)的醫(yī)療設(shè)備，例如戴在額頭或耳朵上的溫度計(jì)。 ? 三星將 MLX90632 用作嵌入其 Galaxy Watch 5 系列的微型醫(yī)療級(jí)紅外溫度傳感器。結(jié)合第三方應(yīng)用程序，智能手表的高精度溫度傳感器還可以跟蹤月經(jīng)周期，幫助女性評(píng)估生育期。

Melexis 營(yíng)銷經(jīng)理 Joris Roels 說(shuō)：?

“我們開發(fā)了 MLX90632 傳感器來(lái)滿足客戶對(duì)皮膚溫度測(cè)量的需求，我們添加了一個(gè)附加功能；也就是說(shuō)，它是一種非接觸式解決方案。”

根據(jù)定義，接觸式溫度計(jì)需要良好的熱接觸才能運(yùn)行。此外，已經(jīng)證明接觸式溫度測(cè)量會(huì)影響測(cè)量值；也就是說(shuō)，皮膚受到傳感器系統(tǒng)的干擾。使用非接觸技術(shù)可以克服這兩個(gè)問(wèn)題。

熱穩(wěn)定性

得益于精密的工廠內(nèi)校準(zhǔn)程序，MLX90632 可在正常人體溫度范圍內(nèi)提供 ±0.2°C 的醫(yī)療級(jí)精度。當(dāng)物體溫度在 35°C 至 42°C 范圍內(nèi)且環(huán)境溫度在 15°C 至 40°C 之間時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)這種高精度。

熱梯度在可穿戴設(shè)備和消費(fèi)類應(yīng)用中可能是一種常見現(xiàn)象。小型 FIR（非接觸式）傳感器通常對(duì)熱梯度敏感，但 Melexis 通過(guò)采用先進(jìn)的補(bǔ)償算法在 MLX90632 中減輕了這種影響。

Melexis 使用 MLX90632 和標(biāo)準(zhǔn)紅外溫度傳感器進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，以測(cè)量物體在 40°C 時(shí)的溫度。他們用熱風(fēng)槍加熱兩者以評(píng)估它們的熱穩(wěn)定性。圖 3 底部的圖表（綠色曲線）顯示了兩個(gè)芯片傳感器上的快速加熱 (1°C/s)。圖 3 上方的圖表展示了 MLX90632（藍(lán)線）實(shí)現(xiàn)的出色熱穩(wěn)定性。無(wú)論外部強(qiáng)制加熱如何，它都提供幾乎相同的溫度測(cè)量。相反，紅色曲線顯示了在相同條件下，標(biāo)準(zhǔn)傳感器提供的測(cè)量值如何受到誤差的嚴(yán)重影響。

Melexis 營(yíng)銷經(jīng)理 Joris Roels 說(shuō)：

“標(biāo)準(zhǔn) FIR 傳感器采用大型封裝，因?yàn)樗兄谙裏崽荻?，?dāng)你試圖制造更小的傳感器時(shí)，你自然會(huì)面臨不穩(wěn)定問(wèn)題。我們所做的是讓熱梯度發(fā)生，但對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償以保持測(cè)量精度?！?/p>

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