可穿戴溫度傳感器應(yīng)用的剛?cè)峤Y(jié)合電路設(shè)計(jì)考慮因素
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摘要
本文是開發(fā)測量核心體溫（ CBT ）傳感器產(chǎn)品的剛?cè)峤Y(jié)合電路板的通用設(shè)計(jì)指南，可應(yīng)用于多種高精度(±0.1°C)溫度檢測應(yīng)用。
德州A&M大學(xué)和ADI公司在聯(lián)合開發(fā)CBT傳感器產(chǎn)品時(shí)采用了本文中的建議。這款CBT器件采用了四個(gè)MAX30208溫度傳感器，用于測量熱通量，以準(zhǔn)確估計(jì)受試者的CBT。1,2
簡介
本文旨在幫助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)高精度（ ±0.1°C）溫度檢測電路時(shí)識(shí)別和應(yīng)對(duì)多個(gè)潛在問題。本指南以最近的CBT設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說明，涉及到熱、電氣和機(jī)械等方面，并對(duì)這些方面進(jìn)行了適當(dāng)?shù)臋?quán)衡考量。這些考量將有助于設(shè)計(jì)人員：
■ 了解如何識(shí)別與開發(fā)高精度CBT檢測器件相關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)、權(quán)衡考量和應(yīng)對(duì)技術(shù)。
■ 了解如何為遠(yuǎn)程患者監(jiān)護(hù)應(yīng)用設(shè)計(jì)性能可靠的剛?cè)峤Y(jié)合印刷電路板。
■ 將設(shè)計(jì)指南運(yùn)用到熱流量和機(jī)械結(jié)構(gòu)中。
■ 剛?cè)峤Y(jié)合PCB制造中。
CBT器件設(shè)計(jì)概述
作為一種柔性可穿戴熱檢測器件，CBT貼片能準(zhǔn)確估計(jì)人體CBT（圖1a）。圖1b則顯示了該熱檢測器件的主要部件，由四個(gè)溫度傳感器（MAX30208）組成。這些傳感器被不同熱導(dǎo)率的材料分隔開，以準(zhǔn)確量化CBT。這些溫度傳感器的精度為0.1°C，供電電壓為1.8V，支持低功耗運(yùn)行。其中，一個(gè)溫度傳感器位于PCB的中心，兩個(gè)溫度傳感器位于PCB的中部和邊緣，第四個(gè)傳感器位于柔性觸片的尖端，該觸片貼片邊緣朝向PCB的中心部位翻折。（圖1c）。
圖1 CBT器件設(shè)計(jì)。(a)將可穿戴熱檢測器件置于前額以估算人體CBT；(b)CBT貼片的3D分解圖；(c)柔性CBT貼片的人體組織側(cè)；(d)柔性CBT貼片的側(cè)視圖
CBT貼片用于在術(shù)前、術(shù)中和術(shù)后環(huán)境中監(jiān)測患者體溫。這類環(huán)境的典型環(huán)境溫度范圍為20°C至24°C，最大空氣熱導(dǎo)率為5 W/m2/K。前額核心體溫的正常范圍為36°C至38°C。低于36°C的情況稱為體溫過低，高于38°C的情況稱為體溫過高。這兩種情況都很嚴(yán)重，因此需要在手術(shù)的各個(gè)階段對(duì)核心體溫進(jìn)行監(jiān)測。
關(guān)于熱流量的布局設(shè)計(jì)考慮因素
CBT貼片產(chǎn)品旨在使用兩個(gè)MAX30208溫度傳感器測量垂直于人體組織表面的熱流量。如圖2所示，TS為MAX30208溫度傳感器。圖1所示的另外兩個(gè)溫度傳感器則有助于計(jì)算橫向的熱損失。將溫度傳感器的數(shù)據(jù)與導(dǎo)電栓塞和絕緣外殼的熱模型相結(jié)合，可準(zhǔn)確估計(jì)人體前額的CBT。
為了達(dá)成這一目標(biāo)，帶溫度檢測電路的剛?cè)峤Y(jié)合PCB需要：
■ 集成高精度的溫度傳感器。
■ 溫度傳感器的功耗應(yīng)足夠低，不會(huì)對(duì)相關(guān)熱系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。
■ 具有足夠粗的用于信號(hào)傳輸?shù)腜CB走線。
■ 信號(hào)走線的尺寸應(yīng)能夠充分減少來自（或到達(dá)）MAX30208溫度傳感器的熱流量，從而避免對(duì)熱系統(tǒng)造成不利影響。
■ 信號(hào)走線的尺寸應(yīng)盡量減少從PCB走線到導(dǎo)電栓塞區(qū)域的熱輻射（即I2R損耗）。
圖2 主要溫度檢測路徑（未按比例繪制）
通過采用合適的導(dǎo)熱/絕緣材料并設(shè)計(jì)其物理結(jié)構(gòu)，就可以準(zhǔn)確估計(jì)前額的CBT。結(jié)合高精度低功耗溫度傳感器（如MAX30208）就能實(shí)現(xiàn)成功的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。然而，電子器件的PCB走線等電氣連接也會(huì)導(dǎo)熱——這是我們不希望出現(xiàn)的情況！
圖3顯示了相關(guān)的熱流路徑。我們希望將PCB走線的熱阻設(shè)計(jì)得比導(dǎo)電栓塞大得多，從而確保這些額外熱損失（或增益）導(dǎo)致的誤差可以忽略不計(jì)。
圖3 顯示主要熱流路徑的簡化熱原理圖
由于熱和電都是通過電子的運(yùn)動(dòng)來傳輸?shù)?，因此二者密切相關(guān)。根據(jù)威德曼-弗朗茨定律3，相同溫度下不同金屬的熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率之比約為常數(shù)。換句話說，熱阻越大，導(dǎo)電性越差，反之亦然。幸運(yùn)的是，在本用例中，由于溫度范圍相當(dāng)有限，因此使用市售的常見金屬即可。
雖然信號(hào)和電源的走線采用了市售金屬，但在其于剛?cè)峤Y(jié)合PCB互連時(shí)仍需要對(duì)熱電設(shè)計(jì)進(jìn)行權(quán)衡。電阻和熱阻的公式如圖4所示。剛?cè)峤Y(jié)合PCB的走線越細(xì)、越長，熱阻就越大。因此，可以將走線變細(xì)、變長，從而使其熱阻大于導(dǎo)電栓塞，以充分減少CBT系統(tǒng)的熱泄漏（即誤差）。遺憾的是，走線的電阻也會(huì)相應(yīng)增加。這會(huì)帶來一些不利影響，如電源走線電壓下降、PCB走線溫升、以及I2C通信線路的RC時(shí)間常數(shù)增加。
圖4 PCB走線的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率
在考慮PCB走線的熱阻之前，我們應(yīng)首先評(píng)估導(dǎo)電栓塞的熱行為以確立設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。導(dǎo)電栓塞的熱傳導(dǎo)路徑為圓柱形，如圖5所示。
圖5 導(dǎo)電栓塞的熱傳導(dǎo)
根據(jù)其材料的電導(dǎo)率和尺寸，可以計(jì)算出CBT貼片導(dǎo)電栓塞的熱阻如下：
在考慮PCB走線的熱阻時(shí)，我們需要考慮幾個(gè)問題：
■ PCB走線的熱阻應(yīng)明顯大于CBT貼片的導(dǎo)電栓塞（例如，RTH（PCB走線）≥ 100?RTH（導(dǎo)電栓塞））。
■ 需要根據(jù)溫度傳感器（如MAX30208）的功率要求設(shè)計(jì)PCB走線尺寸，以盡量減少從走線到CBT貼片導(dǎo)電栓塞的熱損失。采用MAX30208等低功耗溫度傳感器可大大減少這種熱損失。
■ 還需要檢查與導(dǎo)電芯接觸的PCB走線是否有潛在的熱輻射。走線越小，I2R損耗就越大。
■ 對(duì)于給定的橫截面積，PCB走線的總長度應(yīng)足以確保與CBT導(dǎo)熱塞相比具備較大的熱阻。
圖6顯示了各種常用PCB金屬的熱/電特性。由于這些金屬（如金、銅、銀和鋁）的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率在同一數(shù)量級(jí)內(nèi)，因此具體的選擇什么材料并不太重要。這里選擇銅是出于成本低、獲取方便和機(jī)械靈活性高等方面的考慮（將在下一節(jié)討論）。
圖6 常見PCB金屬的電導(dǎo)率
雖然銅的熱導(dǎo)率比CBT貼片導(dǎo)電栓塞大1000多倍，但選擇較細(xì)的銅走線的尺寸可以獲得比49.8 K/W（即CBT貼片導(dǎo)電栓塞的熱阻）大得多的熱阻。
PCB走線由1/2盎司（17.3微米厚）的銅芯、1.5微米厚的鎳層和0.1微米厚的鍍金層組成?？紤]到鎳層和鍍金層的相對(duì)尺寸較小、可以忽略不計(jì)，在接下來的所有計(jì)算中，均假定PCB走線只由銅芯構(gòu)成。
圖7 MAX30208溫度傳感器PCB電源和信號(hào)走線
每條PCB走線的寬度為76.2微米（3毫英寸），因此得出：
注：雖然我們希望使用更小的走線寬度來增加熱阻，但PCB廠家對(duì)最小走線寬度有限制。例如，我們最初想要2.5毫英寸的走線寬度，但最終采用了廠家建議的3毫英寸的走線寬度。
此外，由于每個(gè)MAX30208溫度器件都需要四條尺寸相等的PCB走線（圖7），即四條熱路徑并行，因此，整體PCB走線的熱阻還降低了四倍，即：
圖8顯示了四個(gè)溫度傳感器到接插件CN1的PCB走線的近似熱阻。
圖8 PCB走線熱阻的估計(jì)值
圖9 CBT貼片與接口板的連接
根據(jù)圖8所示，熱阻最低的PCB走線（如TS1-CN1）比CBT導(dǎo)電栓塞的熱阻大380倍左右，符合大于或等于100倍的設(shè)計(jì)目標(biāo)。此外，從接插件CN1到MAX30208EVSYS接口板的延長線也進(jìn)一步改善了這一性能。我們的原型系統(tǒng)使用了200毫米（7.9英寸）長的28 AWG導(dǎo)線，從CBT貼片經(jīng)耳廓頂部纏繞連接到接口板。
注：雖然這一熱阻足以隔絕導(dǎo)電芯內(nèi)部的熱傳導(dǎo)，但我們?nèi)孕杩紤]接口板產(chǎn)生的熱量。如果該熱量足夠大，它會(huì)傳導(dǎo)回CBT貼片造成誤差。我們的評(píng)估系統(tǒng)采用的溫度傳感器功耗極低，因此這不會(huì)構(gòu)成問題。
減少電氣系統(tǒng)的熱誤差
談到電氣系統(tǒng)，我們將關(guān)注兩個(gè)主要方面：(1)MAX30208器件本身產(chǎn)生的熱量（如自發(fā)熱），以及(2)PCB走線產(chǎn)生的熱量（如熱輻射）。這兩種熱源都會(huì)向CBT貼片輸入（或輸出）熱量，從而對(duì)系統(tǒng)的熱性能產(chǎn)生不利影響。圖10顯示了MAX30208電路設(shè)計(jì)的原理示意圖。
圖10 MAX30208功能圖
之所以選擇MAX30208（精度為±0.1°C，I2C）數(shù)字溫度傳感器，是因?yàn)樗雀?、功耗低。CBT貼片電氣系統(tǒng)由MCU接口板上的1.8 V穩(wěn)壓直流電源供電。I2C上拉電阻是一個(gè)重要的熱量來源，位于MCU板上，不在CBT貼片剛?cè)峤Y(jié)合PCB上。
表1列出了各輸入/輸出引腳在37°C條件下工作時(shí)的電流和電壓規(guī)格。這些值是根據(jù)MAX30208數(shù)據(jù)手冊(cè)中電氣參數(shù)表和相關(guān)TOC數(shù)據(jù)推算出來的。
表1 MAX30208輸入/輸出引腳電壓電流規(guī)格
輸入/輸出引腳 | 備注 | 電壓（標(biāo)稱值） | 電流（標(biāo)稱值） | 功率 （標(biāo)稱值/最大值） |
VDD | 待機(jī)模式 激活模式 | 1.8 V 1.8 V | 0.57 μA 66.5 μA | 1.03 μW 120 μW/180 μW |
GND | 待機(jī)模式 激活模式 | 0.0 V | 0.57 μA 66.5 μA | 可忽略不計(jì) 可忽略不計(jì) |
GPIOO | 用于I2C地址配置 | 1.8 V/GND | 0.1 μA（標(biāo)稱值） 25°C時(shí)為1 μA（最大值） | 1.8 μW （最大值） |
GPIOI | 用于I2C地址配置 | 1.8 V/GND | 0.1 μA（標(biāo)稱值） 25°C時(shí)為1 μA（最大值） | 1.8 μW （最大值） |
SCL（激活模式） | I2C時(shí)鐘線 | 1.8 V/GND | 383 μA（最大值） | 345 μW （典型值） |
SDA（激活模式） | I2C數(shù)據(jù)線Rpu=4.7 kΩ | 1.8 V/GND | 383 μA（最大值） | 345 μW （典型值） |
因此，大部分功耗來自于I2C信號(hào)線和電源，連續(xù)工作狀態(tài)下的功耗約為810 μW。由于溫度信號(hào)的變化不是很快，因此可以采用周期性采樣，這不僅有助于數(shù)據(jù)管理，還能降低總體功耗，進(jìn)而有助于減少M(fèi)AX30208器件本身及信號(hào)和電源走線的散熱。
當(dāng)積分周期為15毫秒、采樣速率為1 Hz時(shí)，MAX30208的平均功耗約為：
雖然數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常會(huì)提供封裝熱阻，但設(shè)計(jì)人員在使用封裝熱阻估算熱流量時(shí)必須謹(jǐn)慎。這是因?yàn)棣萰A（結(jié)至環(huán)境熱阻）和θjC（結(jié)至外殼熱阻）均是根據(jù)JEDEC環(huán)境進(jìn)行評(píng)估的，這可能與實(shí)際應(yīng)用有很大不同。它們通常是在競品器件之間作比較時(shí)用于衡量芯片的品質(zhì)因素。
因此，我們不建議使用環(huán)境溫度來推測結(jié)溫，5特別對(duì)于本應(yīng)用被安裝在絕緣材料和非絕緣材料之間的溫度傳感器而言。
由于MAX30208的溫度測量電路依靠集成電路實(shí)現(xiàn)，我們首先要關(guān)注的是芯片的自發(fā)熱。芯片用于測量封裝頂部（或底部）的外部溫度，因此假設(shè)外殼溫度與芯片溫度相同，我們可以估算出由于芯片自發(fā)熱引起的溫度誤差如下6：
該誤差比MAX30208的精度（例如，±0.1°C）低100多倍，因此我們可以接受上面作出的外殼和芯片溫度相同的假設(shè)。
注：在需要對(duì)芯片溫度精準(zhǔn)測量時(shí)并非總能作出如此假設(shè)。一種可用的技術(shù)是使用IC輸入/輸出線路上的ESD二極管作為溫度傳感器，以測量IC芯片的溫升。
接下來，我們考慮導(dǎo)電芯區(qū)域PCB走線的I2R損耗。如圖8所示，從TS1或TS4到導(dǎo)電芯外緣的距離為7.5毫米。利用單條PCB走線的電阻公式（見圖4）和銅的電導(dǎo)率，我們可以計(jì)算出以下結(jié)果：
由于SCL和SDA信號(hào)線的最大電流為383 μApk，我們計(jì)算出單條PCB走線的熱輻射導(dǎo)致的誤差如下：
這對(duì)于本例的熱系統(tǒng)來說可以忽略不計(jì)。對(duì)于實(shí)施周期性采樣的情況，誤差會(huì)比這要小?？傊捎贛AX30208的自發(fā)熱和導(dǎo)電芯PCB走線熱輻射產(chǎn)生的熱誤差對(duì)系統(tǒng)影響不大。
同時(shí)，線路壓降也在可接受范圍內(nèi)。線路的最大長度為88毫米（TS4至CN1），再加上連接MAX3020x接口板的200毫米28 AWG線（直徑為0.32毫米）。使用電阻的計(jì)算公式，可計(jì)算出以下結(jié)果：
VDD的最大電流為67 μA，因此線路的壓降如下：
該壓降足夠小，不會(huì)出現(xiàn)電源抑制問題。
以上是在CBT貼片中使用的剛?cè)峤Y(jié)合PCB的主要散熱和電氣設(shè)計(jì)考慮因素，但我們?nèi)詮?qiáng)烈建議在制作第一個(gè)貼片的原型之前，進(jìn)行了熱有限元分析（FEA）以對(duì)瞬態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證。本文沒有討論熱容和電容，因?yàn)樵诖藨?yīng)用中，熱容和電容對(duì)性能的影響不大。但我們建議在設(shè)計(jì)階段也對(duì)熱容和電容進(jìn)行分析。
圖11顯示了CBT器件的電原理圖，重點(diǎn)說明了如何在雙層聚酰亞胺剛?cè)峤Y(jié)合PCB板中實(shí)現(xiàn)電氣互連并減緩熱流的走線。
圖11 CBT貼片電原理圖
保證機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性的布局設(shè)計(jì)考量
剛?cè)峤Y(jié)合電路采用傳統(tǒng)剛性PCB和柔性PCB的混合結(jié)構(gòu)。雖然這種電路具有機(jī)械柔性以與人體前額貼合，但在幾個(gè)關(guān)鍵位置需要具備機(jī)械剛性。它們分別是：
■ 九個(gè)SMT元件的連接點(diǎn)。
■ 從圓形電路區(qū)域延伸至溫度傳感器(TS4)的電路觸片。
■ 從圓形電路區(qū)域延伸至接插件(CN1)的電路觸片。
■ 剛性-柔性電路的邊界。
SMT元器件通常使用回流焊進(jìn)行連接。因此，這些元件通常被安裝在剛性PCB材料上，以保持焊點(diǎn)的完整性。由于柔性PCB材料需要更少的應(yīng)力釋放件，必須小心焊接SMT元件。即使系統(tǒng)所受物理干擾的相對(duì)較少，也需要仔細(xì)組裝，以確保長期的可靠性。
典型的PCB增強(qiáng)件使用的是FR4、聚酰胺、聚酰亞胺和/或金屬。我們的CBT貼片的柔性區(qū)域使用4毫英寸厚的聚酰亞胺，增強(qiáng)區(qū)域使用12毫英寸厚的聚酰亞胺。為了增強(qiáng)剛度，我們用金屬片對(duì)柔性觸片電路進(jìn)行了加固。
CBT貼片原型會(huì)被制作成扁平的剛?cè)峤Y(jié)合組件，然后進(jìn)行兩次靜態(tài)彎曲。如圖10所示，在最終組裝時(shí)，從圓形電路區(qū)域延伸到TS4溫度傳感器的電路觸片需要進(jìn)行兩次90度彎曲。
圖12 TS4柔性電路觸片的靜態(tài)彎曲
TS4柔性電路觸片設(shè)計(jì)采用了磚形圖樣的金屬片，從而減輕一次性靜態(tài)彎曲造成的金屬疲勞。圖13顯示了這些可以減輕剛?cè)徇吔绲臋C(jī)械應(yīng)力的交錯(cuò)的磚形圖樣增強(qiáng)件。此外，斷續(xù)的磚形圖樣還可以消除這些金屬路徑上的熱傳導(dǎo)。從圓形電路區(qū)延伸到接插件(CN1)的電路觸片也采用了這種設(shè)計(jì)技術(shù)。
圖13 交錯(cuò)的磚形圖樣的柔性觸片增強(qiáng)件
其它需要考慮的方面包括避免90度的拐角（例如造成應(yīng)力集中點(diǎn)）以及預(yù)制件的安裝。
制造注意事項(xiàng)和指南
為了設(shè)計(jì)出穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品，去哦們建議設(shè)計(jì)人員與PCB組裝廠密切合作。在制造首個(gè)器件之前，應(yīng)審查所有電氣、熱和機(jī)械方面的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。在許多情況下，廠家都有替代材料和/或技術(shù)，可用于改進(jìn)設(shè)計(jì)。
在開發(fā)CBT貼片的剛?cè)峤Y(jié)合PCB的組裝工藝的過程中，必須克服使用回流焊材料以及回流焊曲線造成的幾個(gè)重大難題。我們最初使用標(biāo)準(zhǔn)回流焊料，結(jié)果導(dǎo)致了PCB的分層（見圖14）。作為絕緣體，氣穴會(huì)影響通過剛?cè)峤Y(jié)合PCB的熱流量，這對(duì)于熱設(shè)計(jì)尤其不利。我們最終通過使用替代的低溫共晶焊料緩解了這一問題。為了達(dá)到可接受的良率，必須對(duì)回流焊曲線進(jìn)行多次微調(diào)。
圖14 CBT貼片的剛?cè)峤Y(jié)合PCB分層
結(jié)論
本文討論了設(shè)計(jì)方面的注意事項(xiàng)，旨在幫助應(yīng)對(duì)高精度熱流量應(yīng)用的技術(shù)難題，即如何使用高精度、低功耗器件（例如，MAX30208溫度傳感器）來滿足核心體溫貼片的性能要求。只要選擇合適的元件并應(yīng)用良好的設(shè)計(jì)技術(shù)，適當(dāng)平衡熱、電、機(jī)械之間的性能，就能做出成功的設(shè)計(jì)。
關(guān)于作者
Marc Smith是ADI公司負(fù)責(zé)健康和醫(yī)療生物傳感應(yīng)用的首席工程師。他是MEMS和傳感器技術(shù)領(lǐng)域的行業(yè)專家，擁有超過30年的針對(duì)多個(gè)市場的傳感器電子產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。Marc擁有12項(xiàng)專利，并撰寫了十多篇論文。他擁有加州大學(xué)伯克利分校的電子工程學(xué)士學(xué)位和加州圣瑪麗學(xué)院的工商管理碩士學(xué)位。
評(píng)論