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基于接触式温度传感器的可穿戴设备体温监测方案应用指南

一、接触式体温测量的原理与影响因素

1. 体温测量的价值与方法

体温是人体健康的重要指征,医学上的体温值是指的人体内部的核心温度。体温测量方法可分为侵入式与非侵入式两大类,日常测温主要是非侵入式为主,又可分为接触式与非接触式。非接触式主要以红外热电堆原理的耳温枪或额温枪为主,通过算法补偿将皮肤温度转换为体温,具有测量速度快的优点,但测量易受环境影响,精度有限。接触式体温测量传统上以电子体温计为主,一般通过腋下、口腔等方式测量,使用条件有一定限制。而可穿戴设备因为具有长期佩戴和与人体紧密接触的两个特点,虽然目前手臂或腕部的皮肤温度还没有严格准确的模型和算法换算到核心温度,但通过对皮肤温度的长期监测,可以提供相对精确的温度变化,尤其是对于需要持续观察体温的特殊人群,通过该方式可以方便的实现实时体温监测、异常报警等功能。

2. 体表皮肤温度与核心温度关系

人体体温模型医学界研究较早,总体来说,直肠、腋下等部位有相对准确的测量模型,且受环境影响较小。而皮肤温度则易受环境湿度、风速、服装覆盖、气流等影响。其中,环境温度是皮肤温度的主要影响因素。下图1说明了不同环境温度下身体不同部位皮肤温度与环境温度关系。

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图1:不同环境温度下测得的裸体者不同部位的皮肤温度[Olesen,1982]

3. 不同材料导热性能影响

对于接触式测温,需要关注导热路径、介质导热系数以及无关热源的热隔离。为便于将皮肤温度有效传导到温度传感器,在导热路径上应尽量选择导热系数较高的材料进行热传导。电子行业常用的材料热导率如下表1:

表1:电子行业常用材料导热系数

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二、接触式测温应用的结构设计建议

1. 推荐的导热路径

对于可穿戴测温应用,理想情况下,需要测量皮肤温度及环境温度,并通过补偿算法计算后得出较为准确的等价腋下温度,以手环或手表为例,典型的皮肤温度的最优化热传导路径如下图图3所示:皮肤不锈钢FPC柔板温度传感器芯片。

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图3:最优化皮肤温度到温度传感器芯片的热传导路径

2. 其他导热路径方案

对于因结构限制或其他原因不能使用上述软板导热的情况,亦可考虑使用芯片塑封体传热方案。具体可参考如下图4中所示方案。

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图4:芯片正面传热结构建议

3. 温度传感器芯片正面与背面传热响应时间差异

通过对NST1001芯片内部结构及材料分析可知,通过基板传热的效果最佳,实测数据与此相吻合。通过腕部皮肤温度测量可知,芯片背面达到体温时间短4S左右。

芯片正面(封装面)紧耦合贴合手腕,室温19.75℃下,实测手腕温度33.9375℃,补偿后与腋窝体温相符。

温度达到63%的响应时间为0.61S,达到体温(99%)的时间为16.9S。

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图5:芯片正面导热响应时间

芯片背面(Pad面)通过FPC紧耦合贴合手腕,室温23.5℃下,实测手腕温度为33.0℃,补偿后为36.48℃,与腋窝体温相符。

温度达到63%的响应时间为0.44S,达到体温(99%)的时间为12.73S。

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图6:芯片背面通过软板导热响应时间


三、NST1001 FPC软板参考设计

详细内容见附件,获取解压密码请与销售或技术支持工程师联系

四、校准标定方案

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