Bild 1: Körpertemperatursensoren müssen nicht mehr in großen Gehäusen untergebracht werden, um die thermische Stabilität zu gewährleisten. (Bild: Melexis)
Während die Überwachung von Vitalfunktionen wie der Herzfrequenz heute viel einfacher ist, bleibt die Überwachung anderer Funktionen wie der Körpertemperatur nach wie vor schwierig. Thermometer, die mit dem Körper in Kontakt bleiben, sind unpraktisch und schwierig an Ort und Stelle zu halten. Hinzu kommt, dass Wärmestrahlung von anderen Komponenten wie etwa Mikroprozessoren oder Leistungstransistoren die berührungslose FIR-Sensoren (Far Infrared) beeinflusst wird, was zu ungenauen Temperaturmessungen führt.
Bild 1: Körpertemperatursensoren müssen nicht mehr in großen Gehäusen untergebracht werden, um die thermische Stabilität zu gewährleisten. Melexis
Um dies zu vermeiden, verwenden Hersteller oftmals noch TO-Can-Gehäuse nach dem heutigen Stand der Technik in ihren berührungslose FIR-Sensoren. TO-Can hat eine hohe thermische Masse und Wärmeleitfähigkeit, was zusammen die Auswirkungen schneller Temperaturgefälle und -schocks mildert. Die Sensoren in diesen Gehäusen sind jedoch groß und schwer und reagieren in einer thermisch dynamischen Umgebung nur langsam, weshalb sie sich nicht für den Einsatz in Geräten eignen, die am Handgelenk getragen werden. Außerdem schließen solche Gehäuse integrierte Temperaturüberwachung in künftigen, noch kleineren Geräten wie etwa Hörgeräten aus.
Klein, stabil und reaktionsschnell
Mittlerweile lassen sich aber auch wesentlich kleinere FIR-Sensoren herstellen, die auch stabil und genau sind und eine Kombination aus MEMS-Fertigungstechnik (Micro Electro-Mechanical System) und integrierter Signalverarbeitung bieten. Das Sensorelement besteht aus einer Thermosäule und einer dünnen, thermisch isolierten Membran mit einer geringen thermischen Masse. Eingehende FIR-Strahlung erwärmt die Membran schnell und erzeugt einen Temperaturunterschied, den die Thermosäule als Temperaturdifferenz ausgibt. Ein im MEMS-System integrierter Referenzthermistor ermöglicht dem Sensor, eine absolute Temperaturmessung durchzuführen.
Anschließend führt das Sensorsystem eine Signalverarbeitung durch, die auf Modellen und einer Charakterisierung verschiedener Wärmestörungsszenarien sowie Kompensationsalgorithmen basiert, um unerwünschte thermische Effekte aus dem Ausgangswert des Sensors zu entfernen. Damit kann eine durch Elektronik und Software integrierte aktive Kompensation die mit dem metallischen TO-Can-Gehäuse passiv erzeugten Effekte ersetzen.
Temperatursensor für Wearables
Diesen Ansatz hat Melexis mit dem MLX90632 gewählt – einen 3 mm × 3 mm × 1 mm großer QFN-Baustein, der kleiner ist als gängige TO-Can-Sensoren (Bild 1). Der MLX90632 enthält ein vollständig berührungsloses Temperaturerfassungssystem, einschließlich Thermosäule, ein Element zur Messung der Eigentemperatur des Sensors, die Optik, Signalverarbeitung und eine digitale Schnittstelle zum Host-System. Der MLX90632 ist für den normalen Körpertemperaturbereich des Menschen optimiert und werkseitig kalibriert, um die für die Medizintechnik erforderliche Genauigkeit von ±0,2 °C zu gewährleisten.
Bild 2: Vergleich der Leistungsfähigkeit zwischen dem MLX90632 und einem herkömmlichem TO-Can-Sensor. Melexis
Vor der Speicherung im RAM verstärkt, digitalisiert und filtert das System das Thermopile-Spannungssignal. Auf gleiche Weise wird der Messwert des integrierten Referenztemperatursensors verarbeitet und gespeichert. Eine Zustandsmaschine steuert das Timing; die Funktionalität des Sensors, und die Ergebnisse jeder Messung und Datenwandlung werden dem Host-System über eine I2C-Verbindung zur Verfügung gestellt. Aus den gesammelten Rohdaten kann der Host-Prozessor die Ziel- und Sensortemperaturen berechnen.
Bild 2 vergleicht das Verhalten des MLX90632 mit dem eines TO-Can-Sensors, der eine Referenzquelle bei einer stabilen Temperatur von 40 °C überwacht. Eine externe Wärmequelle wurde in der Nähe der Sensoren platziert.
Das erste Diagramm zeigt, dass trotz der thermischen Trägheit aufgrund des TO-Can-Gehäuses der Ausgang des herkömmlichen Sensors durch die externe Erwärmung stark gestört wird. Im Gegensatz dazu weicht der Ausgang des aktiv kompensierten MLX90632 um nicht mehr als 0,25 °C ab, was für eine erheblich bessere Stabilität sorgt. Das zweite Diagramm zeigt, dass die Sensortemperatur zu Beginn des Experiments bei etwa 2 °C lag und die externe Wärmequelle einen Temperaturschock von etwa 60 °C/min lieferte.
Aufgrund seiner kompakten Größe und dem digital optimierten thermischen Verhalten eignet sich der MLX90632 somit für den Einsatz in Wearables und Hearables. Darüber hinaus kann er auch in tragbaren medizinischen Geräten zur kontinuierlichen Überwachung der Körpertemperatur Verwendung finden, wie sie sowohl in der Präventivmedizin häufig zur Früherkennung kritischer Gesundheitszustände zum Einsatz kommen, als auch in klassischen Geräten wie Stirn- oder Ohrthermometern. Der Sensor passt daher zum aktuellen Point-of-Care-Trend, um die Diagnose vom Labor näher an den Patienten heranzuführen.
Joris Roel
(prm)
