4.3 TI 高精度实验室 - 温度传感器：如何监测体温

[音乐播放]

大家好，欢迎观看 有关体温监测的 TI

高精度实验室视频。

在本视频中，我们 将讨论一些设计

注意事项和技术， 以针对包含皮肤温度

和体温测量的系统 作出有效的设计

和布局决定。

那么，“体温”一词 具体是什么意思？

绝大多数时候， 当我们使用“体温”

一词时，我们通常 指核心温度，

它是人体内部 环境的运行

温度范围。

我们中的大多数人 都熟悉这样一个概念，

即正常体温大约 是 98.6 华氏度或

37 摄氏度。

但这仅仅代表 人们预计的

普通人的 口腔测量

值。

实际上，对于人体中 什么温度范围

被视为正常温度， 有多个因素

起作用。

皮肤温度是 另一种经常

测量的体温形式。

与核心温度 相比，皮肤温度

不稳定得多， 在许多情况下，

皮肤温度 远低于核心

温度的测量值。

这是因为皮肤 这种器官实际上

比其外在表现 要复杂很多，

它被人体大量用于 调节核心温度。

同时，皮肤 温度也会根据

人的身体情况 急剧变化。

尽管与内部体温 测量方法相比

皮肤温度的可预测性 和稳定性要低很多，

但它仍可以 提供有关人体

内部状态的 重要信息。

在讨论用于 测量体温的

设计技术之前， 必须知道

我们要测量 身体的什么

部位。

我们希望系统 提供的总精度

将告诉我们应选择 什么部位进行测量。

一般而言， 最精确的

方法是测量身体 内部，因为这样

可以更好地 测量核心温度。

这其中最好的 方法是在肺

动脉导管的 末端进行测量。

该过程在 ICU 中 并不罕见，

但执行该过程 通常不是为了

监测体温。

很显然， 该测量

方法不便于 日常使用。

因此，我们的目标 应是尽可能接近

核心温度的 黄金测量，

同时不为患者带来 此种程度的不适。

口腔或舌下测量 在儿童和成人中要

常见得多，并且 通常就难易

程度而言能够 获得很好的结果。

或者，可以将 传感器置于

胶囊中，在它们通过 人体时进行读取。

这对于确定 运动员的体力

消耗可能有用。

鼓室或耳朵 测量通常是

为了方便小孩 或昏迷的成年人。

颞浅动脉 测量对幼儿

最有效。

估计体温 最不精确的

方法实际上是基于 皮肤温度的方法。

手腕处的测量 通常用于健身

监测设备，这些 设备需要尝试

估计核心温度 变化，以确定

活动水平。

腋下和前额 测量通常用于

监测小孩 发热的

发展阶段。

这些方法通常 限于家庭使用。

我们已经在前面的 视频中讨论了各种

类型的温度传感器。

务必了解这些 类型的传感器

和检测元件 如何应用于

体温测量 及其优点。

一般而言， 检测体温

最重要的方法 是基于热敏电阻或

IC。

热敏电阻的 主要优点是

高灵敏度 和低成本。

热敏电阻需要 非常精确的校准，

以满足医疗要求。

相反，对于 温度传感器

IC，实施要 简单得多。

但可用的 高精度

传感器很少。

RTD 有时用于 体温检测，

不过，对于医疗 应用所需的

精度级别，成本 可能非常高。

热电偶几乎 从不用于体温

检测应用。

由于它们需要 额外的温度基准，

因而用起来不切实际。

红外线传感器 更常用于体温

测量，可以提供 很好的结果。

不过，再强调一下， 这些传感器的

校准可能非常 具有挑战性。

我们不会在本视频中 讨论使用红外温度

传感器的系统设计， 因为这些设计可能

非常复杂，并且随 传感器本身的变化很大。

我们来看看如何 针对一些常见的

情况设计出最佳的 皮肤温度测量方法。

对于许多高精度 IC 温度传感器，

封装将包含称为裸片 连接焊盘或散热

焊盘的部件。

该焊盘可以为 从外部器件到

检测元件的热量传递 提供有效的方法。

屏幕上显示了 具有裸片连接

焊盘或 DAP 的典型 无引线封装的横截面。

硅片上覆盖了 模压化合物，

这通常是环氧树脂， 具有很差的导电性。

这不会是 传感器的

主要热 传导路径。

硅片具有非常 高的热连接性，

它使用热环氧树脂连接到 散热焊盘，热环氧树脂具有

相当高的导热系数。

理想情况下，该化合物 将具有尽可能高的

导热性。

在允许的情况下， 器件的散热焊盘

应焊接到 正下方的覆铜上。

这些对于传递 热量很有效。

如果无法焊接传感器的 散热焊盘，则可以在此处

保留一个气隙。

该气隙不应 严重影响

热响应。

但是，如果需要，可以 使用导热的底部

填充材料替代它。

对于皮肤 温度测量，

我们要做的是 使用电路板的另一面

来测量温度。

当然，问题是 电路板本身的

导热性几乎 总是极差。

解决方法是 在 PCB 的底部

使用覆铜，然后 使用多个通孔

从电路板的底部向散热 焊盘传递热量。

最后，为了与皮肤 接触，必须使用

较薄的生物 相容性材料层。

当在柔性 PCB 上 完成设计时，

其效果尤其好。

由于其厚度， 该薄材料层

将向 PCB 的底部 呈现低热阻。

现在，皮肤的热量 可以通过热焊盘

有效地传递到裸片， 以进行精确的测量。

对于不具有 热焊盘的封装，

到检测元件的 热传递的

主要热源 将是引线。

这适用于 球栅阵列

封装以及许多 穿孔式封装。

在大多数情况下， 封装本身无法

直接与皮肤接触。

因此最好的 方法是设计

将引线用作 热路径的 PCB。

例如，对于 BGA 封装，这

意味着使用 铜迹线和通孔

创建电路板底部 到 IC 焊球的

热路径。

这看起来与我们 刚讨论的具有

热焊盘的封装 导热路径相同。

一般而言，皮肤 温度测量的设计

原则是相同的。

该类别的 传感器之间的

主要有效差异 是热质量。

较大的引线式封装 -- 如通孔、SOT 和 SOIC

封装 -- 将具有 更大的热质量。

由于这些封装通过 引线进行的热传导

大约是 60% 至 70%， 因此这些较大

封装的响应时间 可能会延迟。

较长的响应时间可能 会成为问题，也可能

不会成为问题，具体 取决于最终系统要求。

在测量核心 温度时，临床

环境中通常 首选使用探头。

对于核心温度测量， 探头设计工作良好，

您可能会想起 这是高精度和

经常使用 情况下的

首选方法。

在设计探头时， 存在将所有体温

检测元件考虑 在内的更一般的指导。

比较皮肤温度 测量与核心温度

测量时的 主要差异

在于我们的传感器 将位于的环境。

与皮肤温度测量 不同，当热源来自

单个方向时，核心 温度传统上位于

内部，这意味着 整个传感器的

周围是 我们希望

器件与之 达到平衡的

热环境。

这意味着对于 核心温度测量，

我们希望使用电路板 和器件的所有侧面，

以最大程度地 减小检测元件

与环境之间的热阻。

如前所述，核心 温度测量与皮肤

温度测量的不同 之处在于，我们

希望从电路板的所有 侧面传导热量。

为实现相同的 效果，我们应

利用通过引脚 到器件的传导

和散热垫的 传导，如果

可用的话。

一种实现该操作的 方法是在器件的

两侧放置通孔， 并连接到电路板的

任一侧上的铜焊盘。

这样散热 焊盘中的

每个引脚就可以 向检测元件传导热能。

为了实现最佳 传导，最好使用

导热但电隔离的 环氧树脂完全

填充探头尖端。

这可以确保 从所有角度

和侧面进行传导， 并且最大程度地

减小检测元件与 外部环境之间的

稳态误差， 同时缩短

系统稳定时间。

我们已看到针对 探头的电路板设计，

那么下一个重要的 方面是探头本身。

由于应用是医疗 方面的，因此

使用的材料应安全、 生物相容并且

结实耐用。

同时，它应具有 良好的热响应。

对于大多数温度探头 设计而言，不锈钢是

完美的材料。

它结实耐用， 不易氧化或腐蚀。

它易于清洗， 并且导热

性能相当好。

不锈钢不是 唯一的选择，

但一般而言， 对于用于监测

人体温度的 探头来说，

它是最普遍和最具成本 效益的解决方案。

在设计用于符合 医疗标准的核心

温度测量的 探头时，测量

精度要求非常高， 在液池中与基准

探头相比时通常 为正负 0.1 摄氏度。

在设计探头时， 存在一种称为

茎态的额外误差源， 必须加以考虑。

“茎态”一词指 由于温度差，

探头体和 引线将热量

从检测元件 和环境

传导到周围 环境的现象。

该影响在探头 设计中始终

存在，将在最终 产品中产生

有限量的稳态误差。

为了最大程度地 减小茎态的影响，

可以使用一些 通用的设计技术。

所选的检测 元件应采用

最小的可用 封装，以最大

程度地减小电路板 尺寸，从而减小

探头的直径。

这将减小探头体的 横截面积，并且

减少传导到 周围环境中的

热能。

确保您的建议 浸入深度最小

比探头直径 加探头灵敏度

长度之和 大 10 倍，

探头的灵敏度 长度是探头

长度中与 检测元件

具有良好 热接触的部分。

通常，这是探头中 填充了热化合物的

部分。

对于含引线的 导线，使用导热

系数较低但导电 性适中的材料，

如镍或钨。

这将减少从 环境热源

传导到检测 元件的热量，

反之亦然。

感谢您观看本有关 体温检测的 TI 高精度

实验室视频。

[音乐播放]

大家好，欢迎观看 有关体温监测的 TI

高精度实验室视频。

在本视频中，我们 将讨论一些设计

注意事项和技术， 以针对包含皮肤温度

和体温测量的系统 作出有效的设计

和布局决定。

那么，“体温”一词 具体是什么意思？

绝大多数时候， 当我们使用“体温”

一词时，我们通常 指核心温度，

它是人体内部 环境的运行

温度范围。

我们中的大多数人 都熟悉这样一个概念，

即正常体温大约 是 98.6 华氏度或

37 摄氏度。

但这仅仅代表 人们预计的

普通人的 口腔测量

值。

实际上，对于人体中 什么温度范围

被视为正常温度， 有多个因素

起作用。

皮肤温度是 另一种经常

测量的体温形式。

与核心温度 相比，皮肤温度

不稳定得多， 在许多情况下，

皮肤温度 远低于核心

温度的测量值。

这是因为皮肤 这种器官实际上

比其外在表现 要复杂很多，

它被人体大量用于 调节核心温度。

同时，皮肤 温度也会根据

人的身体情况 急剧变化。

尽管与内部体温 测量方法相比

皮肤温度的可预测性 和稳定性要低很多，

但它仍可以 提供有关人体

内部状态的 重要信息。

在讨论用于 测量体温的

设计技术之前， 必须知道

我们要测量 身体的什么

部位。

我们希望系统 提供的总精度

将告诉我们应选择 什么部位进行测量。

一般而言， 最精确的

方法是测量身体 内部，因为这样

可以更好地 测量核心温度。

这其中最好的 方法是在肺

动脉导管的 末端进行测量。

该过程在 ICU 中 并不罕见，

但执行该过程 通常不是为了

监测体温。

很显然， 该测量

方法不便于 日常使用。

因此，我们的目标 应是尽可能接近

核心温度的 黄金测量，

同时不为患者带来 此种程度的不适。

口腔或舌下测量 在儿童和成人中要

常见得多，并且 通常就难易

程度而言能够 获得很好的结果。

或者，可以将 传感器置于

胶囊中，在它们通过 人体时进行读取。

这对于确定 运动员的体力

消耗可能有用。

鼓室或耳朵 测量通常是

为了方便小孩 或昏迷的成年人。

颞浅动脉 测量对幼儿

最有效。

估计体温 最不精确的

方法实际上是基于 皮肤温度的方法。

手腕处的测量 通常用于健身

监测设备，这些 设备需要尝试

估计核心温度 变化，以确定

活动水平。

腋下和前额 测量通常用于

监测小孩 发热的

发展阶段。

这些方法通常 限于家庭使用。

我们已经在前面的 视频中讨论了各种

类型的温度传感器。

务必了解这些 类型的传感器

和检测元件 如何应用于

体温测量 及其优点。

一般而言， 检测体温

最重要的方法 是基于热敏电阻或

IC。

热敏电阻的 主要优点是

高灵敏度 和低成本。

热敏电阻需要 非常精确的校准，

以满足医疗要求。

相反，对于 温度传感器

IC，实施要 简单得多。

但可用的 高精度

传感器很少。

RTD 有时用于 体温检测，

不过，对于医疗 应用所需的

精度级别，成本 可能非常高。

热电偶几乎 从不用于体温

检测应用。

由于它们需要 额外的温度基准，

因而用起来不切实际。

红外线传感器 更常用于体温

测量，可以提供 很好的结果。

不过，再强调一下， 这些传感器的

校准可能非常 具有挑战性。

我们不会在本视频中 讨论使用红外温度

传感器的系统设计， 因为这些设计可能

非常复杂，并且随 传感器本身的变化很大。

我们来看看如何 针对一些常见的

情况设计出最佳的 皮肤温度测量方法。

对于许多高精度 IC 温度传感器，

封装将包含称为裸片 连接焊盘或散热

焊盘的部件。

该焊盘可以为 从外部器件到

检测元件的热量传递 提供有效的方法。

屏幕上显示了 具有裸片连接

焊盘或 DAP 的典型 无引线封装的横截面。

硅片上覆盖了 模压化合物，

这通常是环氧树脂， 具有很差的导电性。

这不会是 传感器的

主要热 传导路径。

硅片具有非常 高的热连接性，

它使用热环氧树脂连接到 散热焊盘，热环氧树脂具有

相当高的导热系数。

理想情况下，该化合物 将具有尽可能高的

导热性。

在允许的情况下， 器件的散热焊盘

应焊接到 正下方的覆铜上。

这些对于传递 热量很有效。

如果无法焊接传感器的 散热焊盘，则可以在此处

保留一个气隙。

该气隙不应 严重影响

热响应。

但是，如果需要，可以 使用导热的底部

填充材料替代它。

对于皮肤 温度测量，

我们要做的是 使用电路板的另一面

来测量温度。

当然，问题是 电路板本身的

导热性几乎 总是极差。

解决方法是 在 PCB 的底部

使用覆铜，然后 使用多个通孔

从电路板的底部向散热 焊盘传递热量。

最后，为了与皮肤 接触，必须使用

较薄的生物 相容性材料层。

当在柔性 PCB 上 完成设计时，

其效果尤其好。

由于其厚度， 该薄材料层

将向 PCB 的底部 呈现低热阻。

现在，皮肤的热量 可以通过热焊盘

有效地传递到裸片， 以进行精确的测量。

对于不具有 热焊盘的封装，

到检测元件的 热传递的

主要热源 将是引线。

这适用于 球栅阵列

封装以及许多 穿孔式封装。

在大多数情况下， 封装本身无法

直接与皮肤接触。

因此最好的 方法是设计

将引线用作 热路径的 PCB。

例如，对于 BGA 封装，这

意味着使用 铜迹线和通孔

创建电路板底部 到 IC 焊球的

热路径。

这看起来与我们 刚讨论的具有

热焊盘的封装 导热路径相同。

一般而言，皮肤 温度测量的设计

原则是相同的。

该类别的 传感器之间的

主要有效差异 是热质量。

较大的引线式封装 -- 如通孔、SOT 和 SOIC

封装 -- 将具有 更大的热质量。

由于这些封装通过 引线进行的热传导

大约是 60% 至 70%， 因此这些较大

封装的响应时间 可能会延迟。

较长的响应时间可能 会成为问题，也可能

不会成为问题，具体 取决于最终系统要求。

在测量核心 温度时，临床

环境中通常 首选使用探头。

对于核心温度测量， 探头设计工作良好，

您可能会想起 这是高精度和

经常使用 情况下的

首选方法。

在设计探头时， 存在将所有体温

检测元件考虑 在内的更一般的指导。

比较皮肤温度 测量与核心温度

测量时的 主要差异

在于我们的传感器 将位于的环境。

与皮肤温度测量 不同，当热源来自

单个方向时，核心 温度传统上位于

内部，这意味着 整个传感器的

周围是 我们希望

器件与之 达到平衡的

热环境。

这意味着对于 核心温度测量，

我们希望使用电路板 和器件的所有侧面，

以最大程度地 减小检测元件

与环境之间的热阻。

如前所述，核心 温度测量与皮肤

温度测量的不同 之处在于，我们

希望从电路板的所有 侧面传导热量。

为实现相同的 效果，我们应

利用通过引脚 到器件的传导

和散热垫的 传导，如果

可用的话。

一种实现该操作的 方法是在器件的

两侧放置通孔， 并连接到电路板的

任一侧上的铜焊盘。

这样散热 焊盘中的

每个引脚就可以 向检测元件传导热能。

为了实现最佳 传导，最好使用

导热但电隔离的 环氧树脂完全

填充探头尖端。

这可以确保 从所有角度

和侧面进行传导， 并且最大程度地

减小检测元件与 外部环境之间的

稳态误差， 同时缩短

系统稳定时间。

我们已看到针对 探头的电路板设计，

那么下一个重要的 方面是探头本身。

由于应用是医疗 方面的，因此

使用的材料应安全、 生物相容并且

结实耐用。

同时，它应具有 良好的热响应。

对于大多数温度探头 设计而言，不锈钢是

完美的材料。

它结实耐用， 不易氧化或腐蚀。

它易于清洗， 并且导热

性能相当好。

不锈钢不是 唯一的选择，

但一般而言， 对于用于监测

人体温度的 探头来说，

它是最普遍和最具成本 效益的解决方案。

在设计用于符合 医疗标准的核心

温度测量的 探头时，测量

精度要求非常高， 在液池中与基准

探头相比时通常 为正负 0.1 摄氏度。

在设计探头时， 存在一种称为

茎态的额外误差源， 必须加以考虑。

“茎态”一词指 由于温度差，

探头体和 引线将热量

从检测元件 和环境

传导到周围 环境的现象。

该影响在探头 设计中始终

存在，将在最终 产品中产生

有限量的稳态误差。

为了最大程度地 减小茎态的影响，

可以使用一些 通用的设计技术。

所选的检测 元件应采用

最小的可用 封装，以最大

程度地减小电路板 尺寸，从而减小

探头的直径。

这将减小探头体的 横截面积，并且

减少传导到 周围环境中的

热能。

确保您的建议 浸入深度最小

比探头直径 加探头灵敏度

长度之和 大 10 倍，

探头的灵敏度 长度是探头

长度中与 检测元件

具有良好 热接触的部分。

通常，这是探头中 填充了热化合物的

部分。

对于含引线的 导线，使用导热

系数较低但导电 性适中的材料，

如镍或钨。

这将减少从 环境热源

传导到检测 元件的热量，

反之亦然。

感谢您观看本有关 体温检测的 TI 高精度

实验室视频。