NST112x-CWLR溫度傳感器可穿戴設(shè)備溫度檢測硬件設(shè)計(jì)指南

作者：時(shí)間：2023-02-28 來源：納芯微

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NST112x是一款工作電壓范圍在1.5V至3.6V的低功耗數(shù)字溫度傳感器。片上集成了14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）提供低至0.015625℃的分辨率。該傳感器規(guī)定的工作溫度范圍為-40℃至125℃。其通過靈活的兩線I2C接口與主機(jī)進(jìn)行通信，該接口與SMBus兼容，并支持4個(gè)設(shè)備地址。該傳感器在高精測溫范圍（25℃~45℃）內(nèi)的典型精度為0.1°C，高度線性，不需要復(fù)雜的計(jì)算或查找表來獲得溫度。

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202302/443823.htm

1. 概述

NST112x是一款工作電壓范圍在1.5V至3.6V的低功耗數(shù)字溫度傳感器。片上集成了14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）提供低至0.015625℃的分辨率。該傳感器規(guī)定的工作溫度范圍為-40℃至125℃。其通過靈活的兩線I2C接口與主機(jī)進(jìn)行通信，該接口與SMBus兼容，并支持4個(gè)設(shè)備地址。該傳感器在高精測溫范圍（25℃~45℃）內(nèi)的典型精度為0.1°C，高度線性，不需要復(fù)雜的計(jì)算或查找表來獲得溫度。

NST112x采用DABGA封裝，使其適用于工業(yè)和消費(fèi)市場中的對(duì)結(jié)構(gòu)集成有嚴(yán)苛要求的產(chǎn)品，如智能手表、IoT節(jié)點(diǎn)傳感器、藍(lán)牙體溫貼等。

圖1.NST112x溫度傳感器應(yīng)用場景

納芯微提供高精度數(shù)字溫度傳感器NST112x-CWLR的接觸式測溫解決方案，其特點(diǎn)明確，優(yōu)勢突出：

- 該方案具有溫度響應(yīng)時(shí)間快、低功耗、測溫時(shí)間短、高精度、自發(fā)熱小等特點(diǎn)

- 4Hz采樣速率下平均功耗典型值僅5.7μA

- 封裝采用晶圓級(jí)芯片尺寸封裝(DSBGA 0.75mmX0.75mm)

- 適用于SMT工藝生產(chǎn)，裝配精度容差性強(qiáng)，適用于批量大規(guī)模量產(chǎn)

- 溫度達(dá)到63%的響應(yīng)時(shí)間為0.1s，達(dá)到體溫（99%）的時(shí)間為12.73s

2. 硬件設(shè)計(jì)參考及說明

2.1 應(yīng)用框圖

最多支持在I2C總線上掛載4顆NST112x-CWLR，其A/B/C/D四個(gè)版本具備不同的I2C設(shè)備地址，在同一產(chǎn)品中支持多點(diǎn)測溫，為產(chǎn)品溫度檢測算法提供多變量輸入。典型應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2.NST112x-CWLR典型應(yīng)用電路圖

2.2 芯片引腳說明

NST112x-CWLR芯片引腳說明如表1所示。

圖3.NST112x-CWLR引腳定義圖（Top View）

表1.芯片引腳定義及功能說明

圖4. NST112x-CWLR封裝對(duì)比圖

3. 可穿戴應(yīng)用中NST112x-CWLR設(shè)計(jì)指導(dǎo)

隨著健康監(jiān)測類可穿戴迅速發(fā)展，在監(jiān)測血氧、心率等生理參數(shù)功能逐漸應(yīng)用完善之后，極大地滿足了用戶交互的需求。隨著各主流品牌智能手表產(chǎn)品增加體溫監(jiān)測功能，體溫監(jiān)測功能成為智能手表的標(biāo)配需求。

人體溫度分為體核溫度和體表溫度。生理學(xué)上所說的體溫是指機(jī)體體核溫度的平均值。人體體核溫度不易測量，臨床上常通過測量腋窩、口腔等的溫度來代表人體體溫。相關(guān)研究表明，人體處于安靜狀態(tài)時(shí)，體表溫度分布大致表現(xiàn)為額面部、腋窩、頸前和項(xiàng)部最高，其次為軀干部，到四肢逐漸下降，手掌手背最低。相比于體核溫度，體表溫度更容易受外界環(huán)境因素的影響且更不穩(wěn)定。腕部溫度屬于體表溫度，具有易于觀察和測量的優(yōu)點(diǎn)，但在醫(yī)學(xué)上也有采信度不高的缺陷。

研究表明影響皮膚溫度的因素主要有環(huán)境溫度、風(fēng)速、相對(duì)濕度等。因此以腕部體表溫度測量為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的一種可穿戴體溫監(jiān)測設(shè)備涉及以下幾個(gè)問題：

首先，從檢測精度的角度著手，需要重點(diǎn)考慮腕部體表溫度與以腋下溫度為基準(zhǔn)的體溫間的補(bǔ)償方案；

其次，從檢測的熱平衡角度考量，可穿戴設(shè)備的結(jié)構(gòu)堆疊和材料選擇需要重點(diǎn)考慮；

最后，從持續(xù)監(jiān)測的計(jì)算效率及檢測可視化的角度切入，需要設(shè)計(jì)高效的體溫?cái)?shù)據(jù)處理方案。

3.1 高階算法推薦

根據(jù)學(xué)術(shù)界研究，人體組織與外界的傳熱主要通過：水份蒸發(fā)，熱對(duì)流，熱輻射，熱傳導(dǎo)，組織血液熱傳導(dǎo)，血液流動(dòng)傳導(dǎo)，代謝發(fā)熱，由此建立了體核溫度與體各部位溫度的模型。其中腕部溫度與體核溫度也存在關(guān)系。通過測量腕部溫度來檢測體核溫度在可穿戴應(yīng)用中逐漸成熟。

在靜止環(huán)境下環(huán)境溫度對(duì)皮膚溫度的影響最為顯著，其次依次為服裝熱阻、風(fēng)速等,另外穿戴的松緊程度也影響到傳熱。而具體到腕部體表溫度時(shí)，由于一般情況下腕部裸露，可忽略，又以室內(nèi)監(jiān)測情況居多，亦可忽略風(fēng)速等因素。由此，以腕部體表溫度為基礎(chǔ)推導(dǎo)體核溫度的簡化情況，是建立起腕部體表溫度、環(huán)境溫度、體核溫度三者間的補(bǔ)償關(guān)系。

圖5.體表溫度、環(huán)境溫度、體核溫度三者補(bǔ)償關(guān)系圖

由于腕部測溫受上述的較多因素影響，客戶在具體實(shí)施測溫算法時(shí)應(yīng)該考慮通過其他的手段來避免多余的干擾影響測試結(jié)果。例如：是否佩戴，并在測量應(yīng)用中提醒用戶佩戴松緊程度，在相對(duì)平靜的室內(nèi)環(huán)境下等待足夠長時(shí)間。而人體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，體表溫度變化較大。與體核的關(guān)系影響因素更多，目前的研究還不成熟，因此本算法的應(yīng)用場景存在一定的局限性。

納芯微在可穿戴設(shè)備的結(jié)構(gòu)上部署了兩顆NST112x芯片其中一顆用于測試環(huán)境溫度，一顆通過傳導(dǎo)測量手腕溫度。并且根據(jù)一系列的實(shí)驗(yàn)，獲得若干組數(shù)據(jù)擬合出了一個(gè)二次關(guān)系曲線，客戶直接使用該組系數(shù)，效果不一定最好，建議產(chǎn)品完成樣機(jī)試制之后，在各條件下測量體核溫度 tcore(其他標(biāo)準(zhǔn)測溫設(shè)備)，與環(huán)境溫度ten，皮膚溫度tsk，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)算法結(jié)果最優(yōu)。

由此，納芯微提供基于NST112x提供的環(huán)境溫度和體核溫度一種補(bǔ)償算法方案。

3.2 基于NST112x-CWLR結(jié)構(gòu)和layout設(shè)計(jì)指導(dǎo)

NST112x-CWLR的測溫原理是基于CMOS電路硅襯底寄生晶體管PN結(jié)溫度效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，因此在進(jìn)行腕部體表溫度測量時(shí)，要求芯片Die內(nèi)PN結(jié)溫度與體表溫度達(dá)到熱平衡。因此在進(jìn)行可穿戴設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)傅里葉定律，熱導(dǎo)率定義：

由此可以看出，材料和路徑是影響熱傳導(dǎo)的主要因素，除此之外，熱隔離也是重要因素。不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)可參照表2。

表2.不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)

皮膚至溫度傳感器芯片的熱傳導(dǎo)路徑有以下兩種方式：

圖6. 方式一：腕部皮膚→不銹鋼→FPC→芯片錫球→DIE

圖7. 方式二：腕部皮膚→不銹鋼→導(dǎo)熱硅膠→芯片封裝材料→DIE

推薦采用方式一，軟板FPC的方案可使熱平衡路徑最優(yōu)，如結(jié)構(gòu)和工藝限制，采用方式二熱傳導(dǎo)響應(yīng)時(shí)間會(huì)變長，但在實(shí)際應(yīng)用場景中，一般佩戴10分鐘以上才建議進(jìn)行體溫測試，方式二最終可實(shí)現(xiàn)熱平衡，因此也可以按照方式二進(jìn)行熱傳導(dǎo)路徑設(shè)計(jì)。

最優(yōu)熱傳導(dǎo)路徑示意圖：