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    基於接觸式溫度傳感器的可穿戴設備體溫監測方案應用指南

    一、接觸式體溫測量的原理與影響因素

    1. 體溫測量的價值與方法

    體溫是人體健康的重要指徵,醫學上的體溫值是指的人體內部的核心溫度。體溫測量方法可分爲侵入式與非侵入式兩大類,日常測溫主要是非侵入式爲主,又可分爲接觸式與非接觸式。非接觸式主要以紅外熱電堆原理的耳溫槍或額溫槍爲主,通過算法補償將皮膚溫度轉換爲體溫,具有測量速度快的優點,但測量易受環境影響,精度有限。接觸式體溫測量傳統上以電子體溫計爲主,一般通過腋下、口腔等方式測量,使用條件有一定限制。而可穿戴設備因爲具有長期佩戴和與人體緊密接觸的兩個特點,雖然目前手臂或腕部的皮膚溫度還沒有嚴格準確的模型和算法換算到核心溫度,但通過對皮膚溫度的長期監測,可以提供相對精確的溫度變化,尤其是對於需要持續觀察體溫的特殊人羣,通過該方式可以方便的實現實時體溫監測、異常報警等功能。

    2. 體表皮膚溫度與核心溫度關係

    人體體溫模型醫學界研究較早,總體來說,直腸、腋下等部位有相對準確的測量模型,且受環境影響較小。而皮膚溫度則易受環境溼度、風速、服裝覆蓋、氣流等影響。其中,環境溫度是皮膚溫度的主要影響因素。下圖1說明瞭不同環境溫度下身體不同部位皮膚溫度與環境溫度關係。

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    圖1:不同環境溫度下測得的裸體者不同部位的皮膚溫度[Olesen,1982]

    3. 不同材料導熱性能影響

    對於接觸式測溫,需要關注導熱路徑、介質導熱係數以及無關熱源的熱隔離。爲便於將皮膚溫度有效傳導到溫度傳感器,在導熱路徑上應儘量選擇導熱係數較高的材料進行熱傳導。電子行業常用的材料熱導率如下表1:

    表1:電子行業常用材料導熱係數

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    二、接觸式測溫應用的結構設計建議

    1. 推薦的導熱路徑

    對於可穿戴測溫應用,理想情況下,需要測量皮膚溫度及環境溫度,並通過補償算法計算後得出較爲準確的等價腋下溫度,以手環或手錶爲例,典型的皮膚溫度的最優化熱傳導路徑如下圖圖3所示:皮膚不鏽鋼FPC柔板溫度傳感器芯片。

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    圖3:最優化皮膚溫度到溫度傳感器芯片的熱傳導路徑

    2. 其他導熱路徑方案

    對於因結構限制或其他原因不能使用上述軟板導熱的情況,亦可考慮使用芯片塑封體傳熱方案。具體可參考如下圖4中所示方案。

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    圖4:芯片正面傳熱結構建議

    3. 溫度傳感器芯片正面與背面傳熱響應時間差異

    通過對NST1001芯片內部結構及材料分析可知,通過基板傳熱的效果最佳,實測數據與此相吻合。通過腕部皮膚溫度測量可知,芯片背面達到體溫時間短4S左右。

    芯片正面(封裝面)緊耦合貼合手腕,室溫19.75℃下,實測手腕溫度33.9375℃,補償後與腋窩體溫相符。

    溫度達到63%的響應時間爲0.61S,達到體溫(99%)的時間爲16.9S。

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    圖5:芯片正面導熱響應時間

    芯片背面(Pad面)通過FPC緊耦合貼合手腕,室溫23.5℃下,實測手腕溫度爲33.0℃,補償後爲36.48℃,與腋窩體溫相符。

    溫度達到63%的響應時間爲0.44S,達到體溫(99%)的時間爲12.73S。

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    圖6:芯片背面通過軟板導熱響應時間


    三、NST1001 FPC軟板參考設計

    詳細內容見附件,獲取解壓密碼請與銷售或技術支持工程師聯繫

    四、校準標定方案

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