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Temperatursensoren richtig implementieren

20. Oktober 2022, 13:18 Uhr | Nicole Wörner

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Optionen für die Integration von Wearables

Je besser die thermische Verbindung zwischen dem Sensor und der Haut ist, desto genauer ist die Temperaturmessung bei tragbaren Anwendungen. Entwickler haben mehrere Möglichkeiten, die thermische Verbindung zu optimieren. Eine Möglichkeit besteht darin, einen wärmeleitenden Stift zwischen die Haut und den Sensor zu setzen (Bild 1). Um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen, muss der Stift von allen externen Wärmequellen wie z. B. dem Gerätegehäuse isoliert werden, und zwischen dem Stift und dem AS6211 sollte eine Wärmeleitpaste oder ein Klebstoff verwendet werden. Dieser Ansatz profitiert von der Verwendung einer flexiblen Leiterplatte für den AS6221, die mehr Freiheit bei der Positionierung des Sensors ermöglicht.

Bei Designs, bei denen der Sensor auf der Hauptplatine untergebracht ist, kann die thermische Verbindung mit einer Kontaktfeder oder einem Wärmeleitpad hergestellt werden. Wenn der Sensor auf der Unterseite der Leiterplatte montiert ist, kann eine Kontaktfeder verwendet werden, um eine thermische Verbindung zwischen dem Kontaktstift und den thermischen Durchkontaktierungen auf der Leiterplatte, die mit dem Sensor verbunden sind, herzustellen (Bild 2). Dieser Ansatz kann zu einem kostengünstigen Gerät führen, das größere Abstände zwischen dem Sensor und der Haut ermöglicht, aber er erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung der verschiedenen thermischen Schnittstellen, um eine hohe Empfindlichkeit zu erreichen.

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Bild 3: Ein Wärmeleitpad kann einen oben montierten Sensor mit dem Kontaktstift verbinden. Dies vereinfacht die Montage und bietet dennoch eine hohe Performance.
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Eine dritte Möglichkeit ist die Verwendung eines Wärmeleitpads, um den Stift mit einem auf der Oberseite der Leiterplatte montierten Sensor zu verbinden (Bild 3). Im Vergleich zur Verwendung eines Federkontakts oder einer flexiblen Leiterplatte erfordert dieser Ansatz ein Pad mit hoher Wärmeleitfähigkeit und eine sorgfältige mechanische Konstruktion, um eine minimale thermische Impedanz zwischen dem Kontaktstift und dem Sensor zu gewährleisten. Dies kann zu einer einfacheren Montage führen, die dennoch ein hohes Maß an Performance erbringt.

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Bild 4: Ausschnitte an der Ober- und Unterseite der Leiterplatte können die Masse der Leiterplatte um den Sensor herum minimieren und seine Ansprechzeit verbessern.
© ams Osram

Verbesserung der thermischen Ansprechzeit

Um eine schnelle thermische Ansprechzeit zu erreichen, ist es wichtig, die äußeren Einflüsse auf die Messung zu minimieren, insbesondere durch den Teil der Leiterplatte, der direkt an den Sensor angrenzt. Zwei praktikable Designvorschläge sind die Verwendung von Ausschnitten zur Minimierung von Kupferebenen in der Nähe des Sensors auf der Oberseite der Leiterplatte (Bild 4, oben) und die Verringerung der thermischen Belastung von der Unterseite der Leiterplatte durch Verwendung eines Ausschnittbereichs unter dem Sensor, um die Gesamtmasse der Leiterplatte zu reduzieren (Bild 4, unten).

Neben der Minimierung von Leiterplatteneffekten gibt es weitere Techniken, die zur Verbesserung der Messgeschwindigkeit und -leistung beitragen können:

  • Maximierung der Kontaktfläche mit der Haut, um die für den Sensor verfügbare Wärme zu erhöhen
  • Verwendung dünner Kupferbahnen und Minimierung der Größe von Stromversorgungs- und Masseflächen
  • Verwendung von Batterien und anderen Komponenten wie Displays, die so klein wie möglich sind, um die Leistungsanforderungen des Geräts zu erfüllen
  • Entwurf des Gehäuses zur thermischen Isolierung des Sensors auf der Leiterplatte von den umgebenden Komponenten und der äußeren Umgebung

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

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