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Temperaturmessung in Medizin-Wearables

Auswahlkriterien für klinische Temperatursensoren

3. November 2020, 14:00 Uhr | Nicole Wörner

Bild 1: Die digitalen Temperatursensoren MAX30208 bieten eine Messgenauigkeit in klinischer Qualität von ±0,1°C für batteriebetriebene Geräte wie Smartwatches und medizinische Patches.

Temperatursensoren für tragbare Geräte und Wearables im klinischen und Gesundheitsbereich müssen harte Kriterien erfüllen. Welche Grundtypen von Temperatursensoren gibt es überhaupt? Welche Kernmerkmale müssen sie erfüllen? Und was ist darüber hinaus zu beachten? Einige Beispiele aus der Praxis.

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Von Rolf Horn, Applications Engineer von Digi-Key Electronics

Im Zuge der weltweiten Besorgnis über Covid-19 stehen die Entwickler portabler Geräte und Wearables zur Temperaturmessung vor der Herausforderung, die Gerätegröße, die Kosten und den Stromverbrauch zu verringern, und dabei gleichzeitig die Genauigkeit, Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit zu verbessern. Um dieser Herausforderung gerecht zu werden, verbessern die Hersteller ihre Sensoren nicht nur in Sachen Leistung, sondern auch hinsichtlich der allgemeinen Benutzerfreundlichkeit, um den Entwurfs- und Integrationsprozess zu vereinfachen.

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Auswahl von Temperatursensoren

Von den vier gebräuchlichen Arten von Temperatursensoren - Temperaturfühler-Thermoelemente, Widerstands-Temperaturbauteile (RTDs), Thermistoren und Temperatursensor-ICs - sind Temperatursensor-ICs eine gute Option für kontaktbasierte Designs in der Medizin und im Gesundheitswesen. Das liegt vor allem daran, dass sie keine Linearisierung erfordern, eine gute Störfestigkeit bieten und sich relativ einfach in tragbare Gesundheitsgeräte und Wearables integrieren lassen. Für berührungslose Messungen eignen sich Infrarot-Thermometer.

Zu den Schlüsselparametern, die Designer berücksichtigen müssen - ob es sich um ein am Handgelenk getragenes Gerät, in Kleidung eingebettet oder ein medizinisches Pflaster handelt - gehören Größe, Stromverbrauch und thermische Empfindlichkeit. Die Empfindlichkeit ist wichtig, weil beim Design für klinische Genauigkeit selbst eine transiente Leistung in der Größenordnung von Mikrowatt (µW) den Sensor erwärmen und ungenaue Messwerte verursachen kann. Eine weitere Überlegung ist die Art der Schnittstelle (digital oder analog), da diese die Anforderungen der zugehörigen Komponenten, wie z.B. des Mikrocontrollers, bestimmt.

Wie man Genauigkeit auf klinischem Niveau erreicht

Die Erfüllung der klinischen Genauigkeit gemäß ASTM E112 beginnt mit der Auswahl des geeigneten Sensors. Die digitalen Temperatursensoren MAX30208 von Maxim Integrated bieten beispielsweise eine Genauigkeit von ±0,1 °C von +30 bis +50 °C und eine Genauigkeit von ±0,15 °C von 0 bis +70 °C. Die Bauelemente sind 2 mmmx 2 mm x 0,75 mm klein und werden in einem dünnen 10-Pin-LGA-Gehäuse geliefert (Bild 1). Die ICs arbeiten mit einer Versorgungsspannung von 1,7 bis 3,6 Volt und verbrauchen im Betrieb weniger als 67 µA und im Standby weniger als 0,5 µA.

Wie bereits erwähnt, besteht eine kritische Herausforderung beim Design mit klinischer Genauigkeit darin, sicherzustellen, dass die Eigentemperatur des Sensors den Messwert eines tragbaren Geräts nicht beeinflusst. Die Wärme des Sensor-ICs, die von der Leiterplatte durch das Gehäuse bis zum Sensor-Chip wandert, kann die Genauigkeit der Temperaturmessungen beeinträchtigen. In einem Temperatursensor-IC wird diese Wärme durch ein Wärmekissen aus Metall geleitet, das sich an der Unterseite des Gehäuses befindet, was zu einer parasitären Erwärmung führt. Dies wiederum kann zu Wärmeleitung in und aus anderen Stiften führen – was zwangsläufig die Temperaturmessungen stört.

Um parasitärer Erwärmung entgegenzuwirken, haben Entwickler eine Reihe von Möglichkeiten - beginnend mit der Verwendung dünner Leiterbahnen zur Minimierung der Wärmeleitfähigkeit weg vom Sensor-IC. Außerdem können sie, anstatt das thermische Pad auf der Unterseite des Gehäuses zu verwenden, die Temperatur an der Oberseite des Gehäuses messen, so weit wie möglich von den IC-Pins entfernt. Im Falle des MAX30208CLB+ und anderer digitaler Temperatursensoren MAX30208 wird die Temperaturmessung oben auf der Verpackung vorgenommen. Eine weitere Technik besteht darin, andere elektronische Komponenten - die Wärme in das Temperaturüberwachungssystem einbringen können - so weit wie möglich vom Sensorelement entfernt zu platzieren, um deren Einfluss auf die Temperaturmessdaten zu minimieren.

Thermisches Design vom System zum Benutzer

Neben der thermischen Isolierung von Wärmequellen muss auch ein guter thermischer Pfad zwischen dem Temperaturfühlerelement und der Haut des Benutzers gewährleistet sein. Die Lage unter dem Gehäuse macht es für die Leiterplatte schwierig, Metallbahnen vom Kontaktpunkt mit dem Körper aus zu führen. Das System sollte also in erster Linie so ausgelegt sein, dass der Sensor möglichst nahe an der zu messenden Zieltemperatur liegt. Zweitens können, wie durch die MAX30208-Sensoren ermöglicht, bei tragbaren Designs und medizinischen Pflastern flexible oder halbstarre Leiterplatten verwendet werden. Die digitalen Temperatursensoren MAX30208 können über ein flexibles Flachbandkabel (FFC) oder ein flaches Druckerkabel (FPC) direkt an einen Mikrocontroller angeschlossen werden.

Bei der Verwendung dieser Kabel ist es wichtig, den Temperatursensor-IC auf der flexiblen Seite der Leiterplatte zu platzieren, wodurch der thermische Widerstand zwischen der Oberfläche der Haut und dem Sensor verringert wird. Außerdem sollten Designer die Dicke der Flex-Platte so weit wie möglich minimieren; eine dünnere Platte kann sich effizienter biegen und ermöglicht einen besseren Kontakt.

Digitale Temperatursensoren werden typischerweise über eine serielle Schnittstelle I2C mit Mikrocontrollern verbunden. Dies ist der Fall beim MAX30208CLB+ von Maxim, der ebenfalls einen FIFO für Temperaturdaten verwendet, wodurch ein Mikrocontroller für längere Zeiträume schlafen kann, um Strom zu sparen. Der digitale Temperatursensor MAX30208CLB+ verwendet einen 32-Wort-FIFO, um ein Temperatursensor-Einrichtungsregister zu erstellen, das bis zu 32 Temperaturmesswerte bietet, die jeweils zwei Bytes umfassen. Diese speicherbezogenen Register ermöglichen es den Sensoren auch, digitale Temperaturalarme mit hoher und niedriger Schwelle anzubieten. Es gibt auch zwei General Purpose I/O (GPIO)-Pins: GPIO1 kann so konfiguriert werden, dass eine Temperaturumwandlung ausgelöst wird, während GPIO0 so konfiguriert werden kann, dass ein Interrupt für wählbare Statusbits erzeugt wird.