Apple Watch再領風潮，可穿戴體溫監測成新寵

　　2022年9月8日淩晨的“超前瞻”(Far Out)發布會上,蘋果正式發布了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,令人眼前一亮。

　　以Apple Watch為代表主打智能助理、健康、安全和運動等多功能定位的智能手表等可穿戴設備再度引起風潮。值得注意的是,此次Apple Watch Series 8手表在更新升級中加入了全新的體溫傳感器,進一步滿足了後疫情時代消費者對自身健康實時關注的需求。

　　搭載溫度傳感器的可穿戴設備可以為消費者帶來不一樣功能體驗——實時守護人們健康每一刻,我們來看看溫度傳感器在可穿戴設備中将發揮哪些作用,又是如何實現的?

　　體溫測量是健康管理重要維度

　　說起體溫測量,其主要的日常用途還是獲取體溫數據,便于使用者自我觀察健康狀況,在必要時共享給醫院或私人醫生,作為判斷健康狀況和進一步治療的有用指标。

　　基礎體溫測量更是女性健康必需,例如Apple Watch Series 8可以對體溫進行溫度阈值監控,即通過内置傳感器和溫度比對實現對人體溫度的監測。比如通過體溫傳感器監測女性生理周期的溫度變化,從而更準确地了解自己的排卵期,或通過體溫監測實現對睡眠質量的監測。

　　重要的是,對體溫測量的需求遠不止于女性。疫情的波動反複,使體溫測量成為了健康監測管理和多維預防的重要手段。人們可以通過具有體溫測量功能的可穿戴設備随時随地了解自身健康狀況,實現自我防護。

　　如何應對可穿戴類設備測溫應用的挑戰?

　　可穿戴類設備測溫應用經常會遇到一些挑戰,對測溫傳感器提出了更高的要求。

　　首先,影響測溫精度的因素很多,特别是環境溫度。以納芯微溫度傳感器的NST112x為例,其高精測溫區間誤差典型值為0.1℃,主要是偏移誤差;但這并不是不确定度誤差,不确定度(複測跳動)為1個LSB(有效位),為±0.015625℃。而準确測量溫度精度需要精準的溫度環境,一般使用恒溫槽進行測量。

　　第二是誤差的标定,可用标定方案有多種,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标定,使其精度達到0.1℃以内(醫用體溫計規範37-39℃範圍内<0.1℃,35-42℃範圍内<0.2℃)。

　　當然,可穿戴類設備的使用中也要注意影響測溫精度的其他一些因素,例如,設備的溫度傳感器需要與待測熱源緊密耦合,以保證的熱傳導路徑;溫度傳感器還應遠離其他熱源,并盡量縮短工作時間,降低其自發熱。

　　在測量準确度方面,手腕測溫與腋下測溫存在溫差,主要适用于連續體溫監測,特别是監測變化量,測量值需要用戶進行标定。另外,對溫度準确度要求較高客戶,推薦使用2顆溫度傳感器分别測量環境溫度和皮膚溫度,通過補償即可得出較為準确的體溫值。

　　不是什麼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,當然還要滿足其他一些特殊要求,包括高精度、超低功耗、響應速度和使用方便。

　　納芯微的接觸式體溫測量方案是采用高精度數字溫度傳感器NST112x-CWLR的解決方案。該方案具有溫度響應速度快、測溫時間短、低功耗、高精度、自發熱小等特點,特别适合手表、手環類以及藍牙體溫貼等産品使用。

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

　　在精度方面,無需校準即可在-20℃至125℃範圍内實現高達±0.5℃的精度。由于是高線性度溫度傳感器,NST112x不需要重新組合計算或查表就可以導出溫度。其14bit模數轉換可提供高達0.015625℃的分辨率。

　　NST112x溫度傳感器正常工作溫度範圍為-40℃至125℃,使其适合在通信、計算機、消費類産品、環境、工業和儀表工作中運行。由于NST112x是一款極低功耗的傳感器,可用于電池供電物聯網的測溫應用。

　　NST112x的特點和典型應用

　　以下是NST112x系列的特點:

　　· 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可實現體溫範圍内高達±0.1℃的輸出精度

　　配圖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,适用于大規模量産

　　· 采用接觸式測溫熱傳導路徑,芯片焊盤通過FPC過孔覆銅傳導到背面,再通過不鏽鋼片接觸皮膚

　　· 芯片背面(焊盤面)通過FPC貼合手腕,在室溫23.5℃條件下,實測手腕溫度為33.0℃,補償後為36.48℃,與腋窩體溫相符

　　配圖2:納芯微溫度傳感器校準監測體溫

　　· 溫度達到63%的響應時間為0.1s,達到體溫(99%)的時間為12.73s

　　接觸式測溫需要優化熱傳導路徑

　　手表采用接觸式測溫作為熱傳導路徑,根據傅立葉定律的熱導率定義:

　　配圖3:傅立葉定律的熱導率定義

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

　　配圖4:不同材料的導熱系數

　　皮膚傳導的導熱路徑有兩條,一是皮膚→不鏽鋼→FPC柔闆→溫度傳感器芯片;二是皮膚→溫度傳感器芯片焊盤→導熱膠→裸DIE。

　　配圖5:皮膚→溫度傳感器芯片焊盤→導熱膠→裸DIE的皮膚傳導的導熱路徑

　　為了保證導熱效果,建議使用金屬導熱材料接觸皮膚,優選材料是不鏽鋼,而使用導熱矽脂、矽膠并不能提高導熱能力。

　　配圖6:納芯微NST112x系列封裝小,适用于可穿戴集成度高的電子産品

　　納芯微其他的溫度傳感器産品型号還包括NST1001/HA、NST118、NST117系列,主要适用于包括智能眼鏡/AI、智能手環/智能手表、藍牙耳機TWS和藍牙貼膚測溫等應用。

　　配圖7:納芯微溫度傳感器産品的應用

　　可穿戴手表搭載體溫傳感功能為消費者帶來了更多的體驗和選擇。未來,體溫傳感器有可能成為多種便攜式設備的标配,為人們的日常生活帶來更多的便利,而納芯微的豐富溫度傳感器産品也将派上更多用場。