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Temperatursensoren richtig implementieren

20. Oktober 2022, 13:18 Uhr | Nicole Wörner
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Bild 7: Das AS6221-Demokit dient als Entwicklungsplattform für Temperatursensoranwendungen für den AS6221.
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Immer mehr Anwendungen erfordern eine hochpräzise Temperaturmessung – nicht zuletzt mobile und batteriebetriebene Gadgets zur Gesundheitsüberwachung. Welche Anforderungen gilt es bei Design, Prüfung und Zertifizierung zu erfüllen? Wie kann die Integration gelingen?

Von Rolf Horn, Applications Engineer bei Digi-Key Electronics

Präzise digitale Temperaturmessungen sind in einer Reihe von Anwendungen wichtig, darunter Wearables, medizinische Überwachungsgeräte, Gesundheits- und Fitness-Tracker, Kühlketten- und Umweltüberwachung sowie industrielle Computersysteme. Die Implementierung hochpräziser digitaler Temperaturmessungen ist zwar weit verbreitet, erfordert aber häufig eine Kalibrierung oder Linearisierung des Temperatursensors sowie einen höheren Stromverbrauch, was bei kompakten Anwendungen mit extrem niedrigem Stromverbrauch und mehreren Erfassungsmodi ein Problem darstellen kann. Die Herausforderungen an die Konstruktion können schnell zunehmen und zu Kostenüberschreitungen und Terminverzögerungen führen.

Erschwerend kommt hinzu, dass sich bei einigen Anwendungen mehrere Temperatursensoren einen einzigen Kommunikationsbus teilen. Darüber hinaus müssen einige Produktionstestanlagen gemäß dem U.S. National Institute of Standards and Technology (NIST) kalibriert werden, während Prüfgeräte von einem nach ISO/IEC 17025 akkreditierten Labor kalibriert werden müssen. Plötzlich wird eine scheinbar einfache Aufgabe sowohl einschüchternd als auch kostspielig.
Doch es gibt Lösungen. Rollen wir das Thema von den Grundlagen her auf.

Anforderungen an eine hochpräzise Temperaturüberwachung

Bei Anwendungen zur Gesundheitsüberwachung ist Präzision ein Muss. Bei der Herstellung digitaler Temperatursensoren gibt es von Teil zu Teil Leistungsschwankungen, die adressiert werden müssen. Da eine interne Kalibrierung teuer ist und die Verwendung unkalibrierter Sensoren die Kosten für das Erreichen der gewünschten Genauigkeit in die Höhe treibt, sollten Entwickler Sensoren in Betracht ziehen, die vollständig kalibriert und linearisiert sind. Es ist jedoch wichtig

sicherzustellen, dass der Sensorhersteller Kalibrierungsinstrumente verwendet, die auf NIST-Standards rückführbar sind. Die Verwendung von Instrumenten mit rückführbarer Kalibrierung gewährleistet eine ununterbrochene Kette zurück zu den grundlegenden NIST-Standards, wobei die Unsicherheiten an jedem Glied der Kette identifiziert und dokumentiert werden, damit sie im Qualitätssicherungssystem des Geräteherstellers berücksichtigt werden können.

Die wichtigste Norm für Prüf- und Kalibrierlaboratorien ist ISO/IEC 17025 für »allgemeine Anforderungen an die Kompetenz von Prüf- und Kalibrierlaboratorien«. ISO/IEC 17025 basiert auf technischen Grundsätzen, die speziell auf Kalibrier- und Prüflaboratorien ausgerichtet sind, wird für deren Akkreditierung verwendet und bildet die Grundlage für die Entwicklung von Plänen zur kontinuierlichen Verbesserung.

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Bild 1: Eine flexible Leiterplatte und ein Wärmeleitkleber können verwendet werden, um einen Pfad mit niedriger Wärmeimpedanz zwischen der Haut und dem Sensor zu schaffen.
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Digitaler Temperatursensor mit NIST-rückführbarer Produktionsprüfung
Um die zahlreichen Design- und Zertifizierungsanforderungen zu erfüllen, können Entwickler auf den digitalen Temperatursensor AS6211 von ams Osram zurückgreifen, der eine Genauigkeit von bis zu ±0,09 °C bietet und keine Kalibrierung oder Linearisierung erfordert. Der AS6211 wurde für den Einsatz in Geräten des Gesundheitswesens, Wearables und anderen Anwendungen entwickelt, die leistungsstarke thermische Informationen erfordern. Die Produktionstests des AS6211 werden von einem nach ISO/IEC 17025 akkreditierten Labor nach NIST-Standards kalibriert. Die kalibrierte Produktionsprüfung beschleunigt den Prozess der Zertifizierung nach EN 12470-3, die für medizinische Thermometer in der Europäischen Union vorgeschrieben ist.

Der AS6211 ist ein kompletter digitaler Temperatursensor in einem sechspoligen, 1,5 mm × 1,0 mm großen Wafer-Level-Chip-Scale-Gehäuse (WLCSP), bereit für die Systemintegration. Ein Beispiel für ein bestellbares Teil, die AS6221-AWLT-S, wird in Mengen von 500 Stück auf Gurtrollen (Tape & Reel) geliefert. Die Messungen des AS6211 werden über eine standardmäßige I2C-Schnittstelle übertragen, und er unterstützt acht I2C-Adressen, sodass es bei Multi-Sensor-Designs keine Probleme mit Buskonflikten gibt.

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Bild 2: Wenn der Sensor auf der Unterseite einer Leiterplatte montiert ist, können thermische Durchkontaktierungen und eine Kontaktfeder zur Verbindung mit dem Kontaktstift verwendet werden.
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Hohe Genauigkeit und geringer Stromverbrauch

Der AS6221 bietet hohe Genauigkeit bei geringem Stromverbrauch über den gesamten Versorgungsbereich von 1,71 bis 3,6 V, was besonders bei Anwendungen wichtig ist, die mit einer einzigen Batteriezelle betrieben werden. Er umfasst einen empfindlichen und genauen Silizium-Bandlücken-Temperatursensor, einen Analog/Digital-Wandler und einen digitalen Signalprozessor mit zugehörigen Registern und Steuerlogik. Die integrierte Alarmfunktion kann bei einer bestimmten Temperaturschwelle, die durch Setzen eines Registerwertes programmiert wird, einen Interrupt auslösen.

Der AS6221 verbraucht 6 µA, wenn er vier Messungen pro Sekunde durchführt, und im Standby-Modus beträgt der Stromverbrauch nur 0,1 µA. Der Einsatz der integrierten Alarmfunktion, die den Anwendungsprozessor nur dann aufweckt, wenn ein Temperaturschwellenwert erreicht ist, kann den Stromverbrauch des Systems noch weiter senken.


  1. Temperatursensoren richtig implementieren
  2. Optionen für die Integration von Wearables
  3. Messung der Umgebungstemperatur

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