可穿戴體溫監(jiān)測(cè)成新寵 溫度傳感器是關(guān)鍵要素

2022年9月8日凌晨的“超前瞻”（Far Out）發(fā)布會(huì)上，蘋果正式發(fā)布了Apple iPhone 14系列，而驚喜并不止于iPhone 14，搭載體溫傳感器的Apple Watch Series 8手表新品也如約呈現(xiàn)，令人眼前一亮。

以Apple Watch為代表主打智能助理、健康、安全和運(yùn)動(dòng)等多功能定位的智能手表等可穿戴設(shè)備再度引起風(fēng)潮。值得注意的是，此次Apple Watch Series 8手表在更新升級(jí)中加入了全新的體溫傳感器，進(jìn)一步滿足了后疫情時(shí)代消費(fèi)者對(duì)自身健康實(shí)時(shí)關(guān)注的需求。

搭載溫度傳感器的可穿戴設(shè)備可以為消費(fèi)者帶來(lái)不一樣功能體驗(yàn)——實(shí)時(shí)守護(hù)人們健康每一刻，我們來(lái)看看溫度傳感器在可穿戴設(shè)備中將發(fā)揮哪些作用，又是如何實(shí)現(xiàn)的？

▎體溫測(cè)量是健康管理重要維度

說(shuō)起體溫測(cè)量，其主要的日常用途還是獲取體溫?cái)?shù)據(jù)，便于使用者自我觀察健康狀況，在必要時(shí)共享給醫(yī)院或私人醫(yī)生，作為判斷健康狀況和進(jìn)一步治療的有用指標(biāo)。

基礎(chǔ)體溫測(cè)量更是女性健康必需，例如Apple Watch Series 8可以對(duì)體溫進(jìn)行溫度閾值監(jiān)控，即通過(guò)內(nèi)置傳感器和溫度比對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)人體溫度的監(jiān)測(cè)。比如通過(guò)體溫傳感器監(jiān)測(cè)女性生理周期的溫度變化，從而更準(zhǔn)確地了解自己的排卵期，或通過(guò)體溫監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)睡眠質(zhì)量的監(jiān)測(cè)。

重要的是，對(duì)體溫測(cè)量的需求遠(yuǎn)不止于女性。疫情的波動(dòng)反復(fù)，使體溫測(cè)量成為了健康監(jiān)測(cè)管理和多維預(yù)防的重要手段。人們可以通過(guò)具有體溫測(cè)量功能的可穿戴設(shè)備隨時(shí)隨地了解自身健康狀況，實(shí)現(xiàn)自我防護(hù)。

▎如何應(yīng)對(duì)可穿戴類設(shè)備測(cè)溫應(yīng)用的挑戰(zhàn)？

可穿戴類設(shè)備測(cè)溫應(yīng)用經(jīng)常會(huì)遇到一些挑戰(zhàn)，對(duì)測(cè)溫傳感器提出了更高的要求。

首先，影響測(cè)溫精度的因素很多，特別是環(huán)境溫度。以納芯微溫度傳感器的NST112x為例，其高精測(cè)溫區(qū)間誤差典型值為0.1℃，主要是偏移誤差；但這并不是不確定度誤差，不確定度（復(fù)測(cè)跳動(dòng)）為1個(gè)LSB（最低有效位），為±0.015625℃。而準(zhǔn)確測(cè)量溫度精度需要精準(zhǔn)的溫度環(huán)境，一般使用恒溫槽進(jìn)行測(cè)量。

第二是誤差的標(biāo)定，可用標(biāo)定方案有多種，目前納芯微提供的解決方案，溫度誤差典型值為0.1℃，推薦客戶做一次單點(diǎn)標(biāo)定，使其精度達(dá)到0.1℃以內(nèi)（醫(yī)用體溫計(jì)規(guī)范37-39℃范圍內(nèi)＜0.1℃，35-42℃范圍內(nèi)＜0.2℃）。

當(dāng)然，可穿戴類設(shè)備的使用中也要注意影響測(cè)溫精度的其他一些因素，例如，設(shè)備的溫度傳感器需要與待測(cè)熱源緊密耦合，以保證最優(yōu)的熱傳導(dǎo)路徑；溫度傳感器還應(yīng)遠(yuǎn)離其他熱源，并盡量縮短工作時(shí)間，降低其自發(fā)熱。

在測(cè)量準(zhǔn)確度方面，手腕測(cè)溫與腋下測(cè)溫存在溫差，主要適用于連續(xù)體溫監(jiān)測(cè)，特別是監(jiān)測(cè)變化量，測(cè)量絕對(duì)值需要用戶進(jìn)行標(biāo)定。另外，對(duì)溫度準(zhǔn)確度要求較高客戶，推薦使用2顆溫度傳感器分別測(cè)量環(huán)境溫度和皮膚溫度，通過(guò)補(bǔ)償即可得出較為準(zhǔn)確的體溫值。

▎不是什么樣的溫度傳感器都能用

手表可用空間非常有限，用在其中的溫度傳感器首先需要體積小，當(dāng)然還要滿足其他一些特殊要求，包括高精度、超低功耗、響應(yīng)速度和使用方便。

納芯微的接觸式體溫測(cè)量方案是采用高精度數(shù)字溫度傳感器NST112x-CWLR的解決方案。該方案具有溫度響應(yīng)速度快、測(cè)溫時(shí)間短、低功耗、高精度、自發(fā)熱小等特點(diǎn)，特別適合手表、手環(huán)類以及藍(lán)牙體溫貼等產(chǎn)品使用。

NST112x是一款低功耗高精度數(shù)字溫度傳感器。其可兼容I2C和SMBus接口具有可編程警報(bào)和SMBus重置功能，在單路總線上最多可支持4個(gè)器件。

在精度方面，無(wú)需校準(zhǔn)即可在-20℃至125℃范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高達(dá)±0.5℃的精度。由于是高線性度溫度傳感器，NST112x不需要重新組合計(jì)算或查表就可以導(dǎo)出溫度。其14bit模數(shù)轉(zhuǎn)換可提供高達(dá)0.015625℃的分辨率。

NST112x溫度傳感器正常工作溫度范圍為-40℃至125℃，使其適合在通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類產(chǎn)品、環(huán)境、工業(yè)和儀表工作中運(yùn)行。由于NST112x是一款極低功耗的傳感器，可用于電池供電物聯(lián)網(wǎng)的測(cè)溫應(yīng)用。

▎NST112x的特點(diǎn)和典型應(yīng)用

以下是NST112x系列的特點(diǎn)：

?采樣速率4Hz，平均功耗典型值僅為5.7μA

?提供SOT-563和DSBGA-4（0.75mm×0.75mm）兩種封裝，其中DSBGA-4可實(shí)現(xiàn)體溫范圍內(nèi)高達(dá)±0.1℃的輸出精度

圖1：納芯微NST112x系列的DSBGA-4封裝

?采用SMT工藝，裝配精度容差性強(qiáng)，適用于大規(guī)模量產(chǎn)

?采用接觸式測(cè)溫?zé)醾鲗?dǎo)路徑，芯片焊盤通過(guò)FPC過(guò)孔覆銅傳導(dǎo)到背面，再通過(guò)不銹鋼片接觸皮膚

?芯片背面（焊盤面）通過(guò)FPC貼合手腕，在室溫23.5℃條件下，實(shí)測(cè)手腕溫度為33.0℃，補(bǔ)償后為36.48℃，與腋窩體溫相符

圖2：納芯微溫度傳感器校準(zhǔn)監(jiān)測(cè)體溫

?溫度達(dá)到63%的響應(yīng)時(shí)間為0.1s，達(dá)到體溫（99%）的時(shí)間為12.73s

▎接觸式測(cè)溫需要優(yōu)化熱傳導(dǎo)路徑

手表采用接觸式測(cè)溫作為熱傳導(dǎo)路徑，根據(jù)傅立葉定律的熱導(dǎo)率定義：

圖3：傅立葉定律的熱導(dǎo)率定義

因此，材料和路徑是影響熱傳導(dǎo)的主要因素，除此之外，熱隔離也是重要的因素。

圖4：不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)

皮膚傳導(dǎo)的導(dǎo)熱路徑有兩條，一是皮膚→不銹鋼→FPC柔板→溫度傳感器芯片；二是皮膚→溫度傳感器芯片焊盤→導(dǎo)熱膠→裸DIE。

圖5：皮膚→溫度傳感器芯片焊盤→導(dǎo)熱膠→裸DIE的皮膚傳導(dǎo)的導(dǎo)熱路徑

為了保證導(dǎo)熱效果，建議使用金屬導(dǎo)熱材料接觸皮膚，優(yōu)選材料是不銹鋼，而使用導(dǎo)熱硅脂、硅膠并不能提高導(dǎo)熱能力。

圖6：納芯微NST112x系列封裝小，適用于可穿戴集成度高的電子產(chǎn)品

納芯微其他的溫度傳感器產(chǎn)品型號(hào)還包括NST1001/HA、NST118、NST117系列，主要適用于包括智能眼鏡/AI、智能手環(huán)/智能手表、藍(lán)牙耳機(jī)TWS和藍(lán)牙貼膚測(cè)溫等應(yīng)用。

圖7：納芯微溫度傳感器產(chǎn)品的應(yīng)用

可穿戴手表搭載體溫傳感功能為消費(fèi)者帶來(lái)了更多的體驗(yàn)和選擇。未來(lái)，體溫傳感器有可能成為多種便攜式設(shè)備的標(biāo)配，為人們的日常生活帶來(lái)更多的便利，而納芯微的豐富溫度傳感器產(chǎn)品也將派上更多用場(chǎng)。

編輯：黃飛

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